[发明专利]施加方波脉冲电流制备半固态合金浆料的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属制备方法及装置，尤其涉及一种适用于金属材料半固态成形过程的施加方波脉冲电流制备半固态合金浆料的方法及装置，特别适用于镁合金和铝合金半固态成形过程，属于金属材料及冶金技术领域。

背景技术

半固态加工技术是20世纪70年代美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授等提出的一种金属成形的新方法，该方法利用金属从液态向固态或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能要求较高的零件，因此被称为“21世纪新一代的金属成形技术”。半固态成形技术在铝、镁合金中的应用，有效地降低了加工温度，减少了气孔、缩孔等缺陷，提高了零件的成品率和产品质量，推动了金属成形方法的发展。

根据工艺流程不同，半固态成形工艺分为触变成形和流变成形。前者是指将合金熔体凝固成坯料，按需要将坯料分割成一定大小，并二次加热至金属的半固态区进行加工，触变成形工艺流程长，产能低，但产品质量容易控制；后者是指在得到半固态流变浆料后，直接进行成形加工，工艺流程短，能够显著提高企业的产能，因此在工业生产中具有更广阔的应用前景。近年来，半固态成形技术的研究热点集中在流变成形上。流变成形工艺首先要制备优质的半固态合金浆料。传统的半固态合金浆料制备方法包括机械搅拌法和电磁搅拌法，主要是通过剧烈搅拌打碎枝晶来获得半固态浆料。这些方法有的易造成熔体污染，有的设备复杂、投资大，有的可操作性差不易控制，使其应用受到不同程度的限制。

自上世纪90年代以来，半固态制浆的研究思路已从通过剧烈搅拌打碎枝晶转变为促进形核、控制生长，即首先促进熔体大量形核，获得足够数量的自由晶，在随后的缓慢冷却过程中改善初生相形貌，最终获得具有球状初生相的半固态浆料。运用这一新思路科研工作者已开发出SSR(Semisolid rheocasting)、NRC(New rheocasting)、LSPSF(Low superheat pouring with a shear field)等半固态制浆制备新方法，这些方法普遍具有设备简单、操作方便、成本低的优点。

在促进形核、控制生长的半固态制浆思路中，首要条件是促进熔体大量形核。已有的研究表明，在常规凝固过程中对熔体施加脉冲电流，能够提高形核率；同时，电流产生的磁致伸缩效应与剪切应力能够破碎枝晶、球化晶粒、抑制长大、降低偏析。脉冲电流促进形核效果显著，且操作简便，能耗低，不污染熔体，是一种有潜力的半固态浆料制备新方法，如果脉冲电流能够在工业中得到应用，将大幅推动半固态成形技术的发展。

目前，施加脉冲电流制备半固态浆料的研究处于起步阶段。经文献检索发现，中国专利号为200410087675.0的专利公开了一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。该专利在凝固过程中对合金熔体施加低压脉冲电场处理，在合适的脉冲电流工艺参数下，凝固组织中的初生相由发达的树枝晶转变为球状或近球状。但是，该专利仍存在一些不足之处：首先，所用脉冲电源为RLC电路，在RLC电路中，电流由电容的充放电来实现，每一瞬间通过合金液的脉冲电流密度很不相同，这对凝固过程的定量研究带来很大的困难；其次，RLC脉冲电源体积巨大，需专门场地，灵活性不足，给生产和实验带来诸多不便；第三，其电极插入方式为在熔体上下两端插入，下端电极需穿过坩埚底部，在实际操作非常困难。另外，J.H.Ma等在《Materials Letters》2009年第63期142-144页上发表的Grain refinement of pure Al with different electric current pulse modes(不同脉冲电流模式对纯铝的细化效果)研究了不同电极位置对纯铝的晶粒细化效果，结果表明，平行电极模式获得的晶粒细化效果优于上下电极模式。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术及方法的不足，提供一种适用范围广、成本低的施加方波脉冲电流制备半固态合金浆料的方法，同时提供一种实现该方法的装置。本发明在合金凝固过程中的形核阶段，对熔体施加方波脉冲电流，利用方波脉冲电流对合金的焦耳热效应、电磁振荡效应等的交互作用，提高熔体的形核率，并控制较慢的冷却速率，进一步抑制枝晶生长，以获得球状或颗粒状的初生相。

为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题：