[发明专利]一种减弱合金偏析的多维剪切流铸造装置和方法

说明书

一种减弱合金偏析的铸造装置和方法。装置由熔炼系统、浇注系统、铸型、底部转动盘，联接轴，离心桶组成，方法采用感应加热法熔炼合金，铸型嵌在多维剪切流施加装置中的离心桶中，离心桶在联接轴驱动下随着底部转动盘共同旋转，使铸型进行复合运动，合金熔体凝固，即实现合金中偏析的减弱甚至消除。本发明采用感应熔炼和多维剪切流技术实现合金铸锭中偏析的显著减少甚至消除。多维剪切流在熔体凝固过程中，一方面促进宏观尺度上熔体浓度的均匀化，另一方面配合各向异性表面张力的作用，引起晶体生长过程中的分裂，促进铸锭晶粒尺寸的细化。本发明消除了M50钢铸锭的宏观偏析，显著减弱Al‑7wt％Si合金铸锭的微观偏析，铸造工期短，成本低廉，对产品复杂程度限制少。

技术领域

本发明涉及一种减弱合金偏析的铸造装置和方法。具体地说，是在合金熔体凝固过程中利用多维剪切流促进元素的均匀分布和晶粒的细化，由此减弱合金偏析的铸造技术。

背景技术

成分偏析是在金属凝固过程中溶质再分配造成的，液固界面前沿溶质原子不断富集，在最后凝固的地方产生偏析相[文献一M.C.Flemings,Solidification Processing,McGraw-Hill,New York,1974]。宏观偏析是溶质元素和杂质元素浓缩的液相在某种机制的作用下发生流动，形成与铸坯同等尺度的偏析。连铸大板坯中的中心偏析、小型坯中的V形偏析、铸锭中的逆V形偏析等都是典型的宏观偏析[文献二高宏适.控制等轴晶尺度和形态降低宏观偏析[J].世界金属导报,2019,B08:1-7]。通常，由于偏析产生的脆性偏析相会恶化合金的力学性能[文献三李煦,李丽,韩露,杨光,刘宗杰.1420铝锂合金锻件质量管控措施[J].宇航材料工艺,2017,6:87-90]。对铸锭进行开坯-轧制-扩散热处理，很难使偏析无害化，所以要求开发出铸造时不产生宏观偏析和减弱微观成分偏析的技术[文献二高宏适.控制等轴晶尺度和形态降低宏观偏析[J].世界金属导报,2019,B08:1-7.]。

快速凝固是彻底消除偏析的一个极端方法，一般在极高冷却速度(10⁴～10⁹℃)或深过冷(过冷度达几十到几百摄氏度)条件下实现，合金以极快的速度从液态转变为固态，使溶质原子被液固界面捕捉进入固相内部，实现溶质原子的均匀化[文献四P.V.Evans,A.L.Greer.Modelling of crystal growth and solute redistribution during rapidsolidification[J].Mater.Sci.Eng.,1988,98:357-361]。然而普通铸造条件下冷却速度一般不会超过100℃/s，很难消除或减弱偏析而实现铸锭的均匀化。

根据Wang关于液态金属中晶粒由晶核开始生长过程中界面演变的数学物理理模型[文献五Mingwen Chen,Zidong Wang,Jian-Jun Xu,Journal of Crystal Growth.385(2014)115–120]，凝固过程中，晶体在各向异性表面张力和剪切流的综合作用会在某些界面向内熔化，凹陷的晶体在强剪切流作用下熔断破碎，形成细小的子晶体，最终引起合金晶粒尺寸的细化。晶粒的细化能显著缩短偏析路径，阻碍偏析相的产生[文献六K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,H.H.Mao,R.Optimization of deformation propertiesin as-cast copper by microstructural engineering.Part I.microstructure[J].J.Alloy.Compd.,2018,763:592-605.]。同时，通过施加多个方向的剪切流,可以促进元素在合金熔体中的均匀分布，进而改善凝固过程中的宏观偏析。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用多维剪切流技术减弱甚至消除合金中偏析的铸造装置和方法。

为达到上述目的，本发明采用的设备原理示意如图1所示