利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法和裝置，裝置由加熱爐、加熱爐架、溫度控制系統(tǒng)、水冷套、應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置、超導(dǎo)梯度強磁體和淬火水槽組成，超導(dǎo)梯度強磁體中心區(qū)域磁場強度在0?14 T之間連續(xù)可調(diào)，其中心區(qū)域附近磁場梯度在不高于600T2/m的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明利用梯度強磁場誘發(fā)的磁力作用，使梯度強磁場和塊體材料之間無接觸，不增加二次污染，使具有不同磁化率、不同密度的物質(zhì)可以從原始的混合物中懸浮到不同高度從而分離，形成一種組織成分連續(xù)變化的梯度組成塊體材料，為制備梯度塊體材料提供了一種全新的技術(shù)，為利用梯度強磁場進行特殊材料制備提供了新的工藝方向。
【專利說明】
利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法和裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬材料制備方法和裝置，特別是涉及一種具有非均勻組織的金 屬材料制備方法和裝置，應(yīng)用于金屬凝固組織控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料構(gòu)件在使用過程中，材料成分和性能的突然改變通常會導(dǎo)致明顯的局部應(yīng)力 集中，降低材料使用壽命。如果一種材料的組成和性能是逐步變化的，這樣應(yīng)力集中就會大 大降低，為此有研究學(xué)者提出了梯度組成材料的概念。梯度組成材料是指材料在某一方向 上其組成、結(jié)構(gòu)和性能連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的一種非均質(zhì)功能復(fù)合材料。由于材料的成分和 組織結(jié)構(gòu)在幾何空間上連續(xù)變化，從而使得材料的性能在幾何空間上也是連續(xù)的變化，這 種新型梯度材料由于本身具有優(yōu)異的性能以及其體現(xiàn)出的新穎設(shè)計思路，一經(jīng)提出就吸引 了國內(nèi)外材料科學(xué)研究工作者的高度重視，目前為止已探索出一些基本的制備方法，例如， 氣相沉積法、等離子噴涂法、激光熔覆法等。制備方法不同，材料組成、樣品尺寸、厚度、組織 結(jié)構(gòu)等不同，并各有特點，但是，大尺寸的梯度組成塊體材料的制備一直是一個備受關(guān)注的 難點。
[0003] 近年來，隨著超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)和真空技術(shù)的快速發(fā)展，超導(dǎo)強磁場發(fā)生技術(shù)取 得了突破性的進展，超導(dǎo)梯度強磁場的強度和分布空間也越來越大。尤其是超導(dǎo)梯度強磁 場發(fā)生裝置的日益商品化更使得梯度強磁場的應(yīng)用更加廣泛，以梯度強磁場作為研究手段 進行的研究范圍不斷擴大。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域當(dāng)中，包括非磁性材料在內(nèi)的所有物質(zhì)在 梯度強磁場中都會受到磁力的作用，并且磁化率越高，材料所受的磁力越大。當(dāng)物質(zhì)在梯度 強磁場中所受的磁力與物質(zhì)的重力相反且大小相等的時候，物質(zhì)可以穩(wěn)定的懸浮于梯度強 磁場分布區(qū)域內(nèi)，稱為磁懸浮。同時，根據(jù)阿基米德原理，在梯度強磁場中，當(dāng)一種物質(zhì)所受 重力、浮力和磁力與周圍介質(zhì)所受磁力的反作用力平衡時，這種物質(zhì)也可以穩(wěn)定的懸浮在 熔體之中，這種現(xiàn)象稱之為磁阿基米德懸浮。因此，利用梯度強磁場的磁懸浮效應(yīng)可以開展 一系列的科學(xué)研究，并且為相關(guān)研究提供了一條新的途徑。在材料制備領(lǐng)域，無法控制不均 勻形核，而梯度強磁場下的磁懸浮效應(yīng)具有無接觸作用力的優(yōu)點，可以對晶體生長過程產(chǎn) 生影響，這樣可以制備特殊結(jié)構(gòu)的材料。但目前的制備具有非均勻組織的金屬材料制備方 法和裝置不夠理想，需要優(yōu)化制備工藝和設(shè)備，這成為亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種 利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法和裝置，利用梯度強磁場誘發(fā)的磁力作用， 使梯度強磁場和塊體材料之間無接觸，不增加二次污染，使具有不同磁化率、不同密度的物 質(zhì)可以從原始的混合物中懸浮到不同高度從而分離，形成一種組織成分連續(xù)變化的梯度組 成塊體材料，為制備梯度塊體材料提供了一種全新的技術(shù)，為利用梯度強磁場進行特殊材 料制備提供了新的工藝方向。
[0005] 為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法，包括如下步驟： a.梯度組成塊體材料的原材制備:按照待制備的梯度組成塊體材料的合金成分及其 成分含量，選取所需成分的原始合金材料作為原料，在真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)進行合金熔煉，并 在氬氣保護下澆注成設(shè)定尺寸的合金坯料，然后使合金坯料快速冷卻，獲得成分均勻的原 始合金樣品；原始合金材料優(yōu)選采用Al-Si合金、Zn-Cu合金、Al-Cu合金或Sn-Sb合金。
[0006] b.進行熔鑄設(shè)備安裝:將在步驟a中制備的原始合金樣品表面處理干凈，裝入相 應(yīng)尺寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在加熱爐中心加熱區(qū)域，對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合 金樣品施加磁場中心區(qū)域的最大磁場強度為0-14T的梯度強磁場，并控制磁場中心附近磁 場梯度在不高于600T 2/m的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，使剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品處于梯度強磁 場中受力最大的空間位置處，并使剛玉坩堝內(nèi)的合金連接應(yīng)力傳感器，對合金中應(yīng)力和應(yīng) 變大小進行實時記錄，由加熱裝置控制對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔煉的工藝過 程，由溫度控制系統(tǒng)控制制備梯度組成塊體材料的熔煉升溫和凝固降溫過程； c.進行梯度組成塊體材料熔鑄制備:在固定好在步驟b中設(shè)置的熔鑄設(shè)備后，向加熱 爐內(nèi)不斷通入氬氣作為保護氣體，然后啟動加熱裝置和磁場發(fā)生裝置，對在梯度強磁場中 的在步驟b中設(shè)置好的剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔融處理，在到達預(yù)定的原始合金 樣品的熔融溫度以后恒溫1小時后，進行熱穩(wěn)定和磁穩(wěn)定，然后對剛玉坩堝內(nèi)的金屬熔體進 行降溫，通過溫度控制系統(tǒng)以設(shè)定的降溫速度和梯度組成塊體材料的凝固時設(shè)定的降溫方 式，最后將加熱爐內(nèi)的溫度降至室溫，或最后將梯度組成塊體材料進行淬火實現(xiàn)快速降溫， 從加熱爐內(nèi)或淬火池中取出凝固的合金樣品，即得到梯度組成塊體材料。在對剛玉坩堝內(nèi) 的金屬恪體進行降溫時，優(yōu)選采用的降溫速度為18 K/min。
[0007] -種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置，主要由加熱爐、加熱爐 架、溫度控制系統(tǒng)和水冷套組成，在加熱爐內(nèi)設(shè)有坩堝，加熱爐架用于固定加熱爐及其周邊 設(shè)備，在坩堝內(nèi)裝載金屬材料，溫度控制系統(tǒng)采用熱電偶實時測量在坩堝內(nèi)的金屬材料和 加熱爐架爐腔內(nèi)溫度，并通過實時控制升溫速度和降溫速度控制坩堝內(nèi)的金屬材料的熔煉 和凝固工藝，還設(shè)有應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置、超導(dǎo)梯度強磁體和淬火水槽，應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置由 應(yīng)力傳感器、應(yīng)變儀和X-Y記錄器組成，應(yīng)力傳感器和在坩堝內(nèi)金屬材料連接，隨時測量坩 堝內(nèi)的金屬材料在梯度強磁場中的受力情況，X-Y記錄器通過應(yīng)變儀與應(yīng)力傳感器連接，應(yīng) 力傳感器采集的金屬材料的受力情況信息通過應(yīng)變儀傳導(dǎo)到X-Y記錄器進行存儲和計算分 析，得到坩堝內(nèi)的金屬材料在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變改變數(shù)據(jù)，X-Y記錄器通過 控制模塊，根據(jù)坩堝內(nèi)的金屬材料在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變的計算結(jié)果，向溫度 控制系統(tǒng)發(fā)出溫度控制指令信息，進而來控制坩堝內(nèi)的金屬材料的熔煉和凝固工藝，超導(dǎo) 梯度強磁體設(shè)置于加熱爐的外部，水冷套設(shè)置于加熱爐和超導(dǎo)梯度強磁體之間，使超導(dǎo)梯 度強磁體的工作空間處于室溫下，以保障超導(dǎo)強磁體安全、正常的工作，超導(dǎo)梯度強磁體具 有一個豎直圓柱形空洞的室溫磁場工作區(qū)間，其中心區(qū)域磁場強度在0-14 T之間連續(xù)可 調(diào)，其中心區(qū)域附近磁場梯度在不高于600T2/m的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，淬火水槽設(shè)置于加熱爐 的下方，用于坩堝內(nèi)的金屬材料的快速淬火。
[0008] 作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，上述加熱爐的內(nèi)層爐壁優(yōu)選采用無磁性 不銹鋼制作，優(yōu)選加熱爐內(nèi)腔最高溫度為1600°C。
[0009]作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，上述溫度控制系統(tǒng)優(yōu)選采用WZK-Π 型溫 度控制儀，并優(yōu)選采用雙鉑銠型熱電偶實時測量在坩堝內(nèi)的金屬材料和加熱爐架爐腔內(nèi)溫 度。
[0010]本發(fā)明方法的原理： 本發(fā)明方法的原理在于，物質(zhì)在梯度強磁場的受力，使具有不同磁化率、不同密度的物 質(zhì)可以從原始的混合物中懸浮到不同高度從而分離，快速凝固后，形成一種組織成分連續(xù) 變化的梯度組成塊體材料，其分離機制如下： 在梯度強磁場中單位體積物質(zhì)承受的磁力為：
式中，Z7?是物質(zhì)承受的磁化力，單位:N/kg; #0是真空磁導(dǎo)率從)=4πΧ10-7,單位:wb/ (m · A);//是梯度磁場強度，單位:T2/m; X是體積磁化率；·^是質(zhì)量磁化率，P是密度。
[0011] 另外，一些離子晶體可以在水溶液中進行磁懸浮生長。在懸浮溶液中，晶體的受力 為：
式中，X，P分別代表磁化率和密度，下標(biāo)"cryt"和"sol"分別表示晶體和溶液，5是磁 場強度，單位是T，g是重力加速度。
[0012] 上述2種力決定了物質(zhì)的分布形態(tài)。由于梯度強磁場的加入，在上述力作用力下最 終會形成一種組成和結(jié)構(gòu)沿梯度磁場方向分布的梯度塊體材料。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點： 1. 本發(fā)明將原始合金樣品置于梯度強磁場中進行熔融處理，并按照不同生長條件重新 凝固，為利用梯度強磁場進行特殊材料制備提供了新的工藝方向； 2. 本發(fā)明利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料，使得梯度強磁場和塊體材料之間無 接觸，不增加二次污染。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實施例一利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明實施例一和實施例二制備的梯度組成塊體材料與對比例制備的普通 凝固材料的組織結(jié)構(gòu)對比圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下： 實施例一： 在本實施例中，參見圖1，一種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置，主 要由加熱爐4、加熱爐架2、溫度控制系統(tǒng)7和水冷套3組成，加熱爐架2用于固定加熱爐4及其 周邊設(shè)備，加熱爐4的內(nèi)層爐壁采用無磁性不銹鋼制作，加熱爐4內(nèi)腔最高溫度為1600°C，在 加熱爐4內(nèi)設(shè)有坩堝，在坩堝內(nèi)裝載金屬材料6，溫度控制系統(tǒng)7采用WZK-Π 型溫度控制儀， 并采用雙鉑銠型熱電偶實時測量在坩堝內(nèi)的金屬材料6和加熱爐架2爐腔內(nèi)溫度，并通過實 時控制升溫速度和降溫速度控制坩堝內(nèi)的金屬材料6的熔煉和凝固工藝，還設(shè)有應(yīng)力應(yīng)變 檢測裝置、超導(dǎo)梯度強磁體5和淬火水槽10,應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置由應(yīng)力傳感器1、應(yīng)變儀8和 X-Y記錄器9組成，應(yīng)力傳感器1和在坩堝內(nèi)金屬材料6連接，隨時測量坩堝內(nèi)的金屬材料6在 梯度強磁場中的受力情況，X-Y記錄器9通過應(yīng)變儀8與應(yīng)力傳感器1連接，應(yīng)力傳感器1采集 的金屬材料6的受力情況信息通過應(yīng)變儀8傳導(dǎo)到X-Y記錄器9進行存儲和計算分析，得到坩 堝內(nèi)的金屬材料6在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變改變數(shù)據(jù)，X-Y記錄器9通過控制模 塊，根據(jù)坩堝內(nèi)的金屬材料6在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變的計算結(jié)果，向溫度控制 系統(tǒng)7發(fā)出溫度控制指令信息，進而來控制坩堝內(nèi)的金屬材料6的熔煉和凝固工藝，超導(dǎo)梯 度強磁體5設(shè)置于加熱爐4的外部，水冷套3設(shè)置于加熱爐4和超導(dǎo)梯度強磁體5之間，使超導(dǎo) 梯度強磁體5的工作空間處于室溫下，超導(dǎo)梯度強磁體5具有一個豎直圓柱形空洞的室溫磁 場工作區(qū)間，其中心區(qū)域磁場強度在0-14 T之間連續(xù)可調(diào)，其中心區(qū)域附近磁場梯度在0-600 T2/m之間連續(xù)可調(diào)，淬火水槽10設(shè)置于加熱爐4的下方，用于坩堝內(nèi)的金屬材料6的快 速淬火。
[0017] 在本實施例中，參見圖1，本實施例利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方 法，包括如下步驟： a. 梯度組成塊體材料的原材制備:按照待制備的含質(zhì)量分數(shù)18wt.%Si的Al-Si合金的 梯度組成塊體材料的合金成分及其成分含量，選取純度99.99wt. %的金屬A1和純度為 99.99wt. %的無機非金屬材料Si作為原料，在真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)進行合金恪煉，并在具有純 氬氣保護氣氛下，在感應(yīng)熔煉爐中熔煉出質(zhì)量分數(shù)18wt.%Si的Al-Si合金，澆注成設(shè)定尺寸 的合金還料，然后使合金還料快速冷卻，凝固形成長度為120mm、直徑為10mm成分均勾的圓 柱形成分均勻的原始Al-Si合金樣品，裝入相同尺寸的剛玉坩堝中備用； b. 進行熔鑄設(shè)備安裝:將在步驟a中制備的原始合金樣品表面處理干凈，裝入相應(yīng)尺 寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在加熱爐4的中心加熱區(qū)域，將加熱爐4置于具有水循環(huán) 保護的梯度強磁場受力最大位置，對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品施加磁場中心區(qū)域的最 大磁場強度為14T的梯度強磁場，并控制磁場中心附近磁場梯度在50T 2/m之間連續(xù)可調(diào)，使 剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品處于梯度強磁場中受力最大的空間位置處，并使剛玉坩堝內(nèi)的 合金連接應(yīng)力傳感器1，對合金中應(yīng)力和應(yīng)變大小進行實時記錄，由溫度控制系統(tǒng)7控制對 在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔煉的工藝過程，由溫度控制系統(tǒng)7控制制備梯度組成 塊體材料的熔煉升溫和凝固降溫過程； c. 進行梯度組成塊體材料熔鑄制備:在固定好在步驟b中設(shè)置的熔鑄設(shè)備后，向加熱 爐4內(nèi)不斷通入氬氣作為保護氣體，然后啟動加熱裝置和磁場發(fā)生裝置，對在梯度強磁場中 的在步驟b中設(shè)置好的剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔融處理，通過溫度控制系統(tǒng)7將加 熱爐4內(nèi)溫度升至900°C，在到達預(yù)定的原始合金樣品的熔融溫度以后恒溫1小時后，進行熱 穩(wěn)定和磁穩(wěn)定，通過溫度控制系統(tǒng)7按照以18 K/min的降溫速度將加熱爐4內(nèi)的溫度降至室 溫，然后對剛玉坩堝內(nèi)的金屬熔體進行降溫，通過溫度控制系統(tǒng)7以設(shè)定的降溫速度和梯度 組成塊體材料的凝固時設(shè)定的降溫方式，最后將加熱爐4內(nèi)的溫度降至室溫，從加熱爐內(nèi)取 出凝固的合金樣品，即得到Al-18 wt.% Si合金梯度組成塊體材料。
[0018] 本實施例將原始合金樣品表面處理干凈，置于梯度強磁場中進行熔融處理，并按 照不同生長條件重新凝固，利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料，為利用梯度強磁場進 行特殊材料制備提供了新的工藝方向。
[0019] 實施例二： 本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于： 在本實施例中，利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法，包括如下步驟： a. 本步驟與實施例一相同； b. 進行熔鑄設(shè)備安裝:將在步驟a中制備的原始合金樣品表面處理干凈，裝入相應(yīng)尺 寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在加熱爐4的中心加熱區(qū)域，將加熱爐4置于具有水循環(huán) 保護的梯度強磁場受力最大位置，對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品施加磁場中心區(qū)域的最 大磁場強度為14T的梯度強磁場，并控制磁場中心附近磁場梯度在400T 2/m之間連續(xù)可調(diào)， 使剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品處于梯度強磁場中受力最大的空間位置處，并使剛玉坩堝內(nèi) 的合金連接應(yīng)力傳感器1，對合金中應(yīng)力和應(yīng)變大小進行實時記錄，由溫度控制系統(tǒng)7控制 對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔煉的工藝過程，由溫度控制系統(tǒng)7控制制備梯度組 成塊體材料的熔煉升溫和凝固降溫過程； c. 本步驟與實施例一相同。
[0020] 對比例： 在本對比例中，制備Al-18 wt.% Si合金材料的方法，包括如下步驟： a. 重恪合金材料制備:按照待制備的含質(zhì)量分數(shù)18wt .%Si的Al-Si合金材料的成分及 其成分含量，選取純度99.99wt. %的金屬A1和純度為99.99wt. %的無機非金屬材料Si作為原 料，在真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)進行合金熔煉，并在具有純氬氣保護氣氛下，在感應(yīng)熔煉爐中熔煉 出質(zhì)量分數(shù)18wt. %Si的Al-Si合金，饒注成設(shè)定尺寸的合金還料，然后使合金還料冷卻，凝 固形成長度為120mm、直徑為10mm成分均勻的圓柱形成分均勻的原始Al-Si合金樣品，裝入 相同尺寸的剛玉坩堝中備用； b. 進行熔鑄設(shè)備安裝:將在步驟a中制備的原始合金樣品表面處理干凈，裝入相應(yīng)尺 寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在加熱爐4的中心加熱區(qū)域，并使剛玉坩堝內(nèi)的合金連接 應(yīng)力傳感器1，對合金中應(yīng)力和應(yīng)變大小進行實時記錄，由溫度控制系統(tǒng)7控制對在剛玉坩 堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔煉的工藝過程，由溫度控制系統(tǒng)7控制制備Al-18 wt.% Si合金 材料的熔煉升溫和凝固降溫過程； c. 進行Al-18 wt.% Si合金材料重熔鑄造:在固定好在步驟b中設(shè)置的熔鑄設(shè)備后，向 加熱爐4內(nèi)不斷通入氬氣作為保護氣體，然后啟動加熱裝置，對剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品 進行熔融處理，通過溫度控制系統(tǒng)7將加熱爐4內(nèi)溫度升至900°C，在到達預(yù)定的原始合金樣 品的熔融溫度以后恒溫1小時后，進行熱穩(wěn)定，通過溫度控制系統(tǒng)7按照以18 K/min的降溫 速度將加熱爐4內(nèi)的溫度降至室溫，然后對剛玉坩堝內(nèi)的金屬熔體進行降溫，通過溫度控制 系統(tǒng)7以設(shè)定的降溫速度，最后將加熱爐4內(nèi)的溫度降至室溫，從加熱爐內(nèi)取出凝固的合金 樣品，即得到Al-18 wt.% Si合金材料。
[0021] 實驗測試分析： 分別對上述實施例和對比例中制備的Al-18 wt.% Si合金材料取出，進行表面處理，然 后將樣品沿平行于磁場方向剖開觀察組織結(jié)構(gòu)，剖開試樣，再經(jīng)機械磨制、拋光后，然后使 用化學(xué)腐蝕處理后，用金相顯微鏡觀察表面組織結(jié)構(gòu)，檢測結(jié)果參見圖2,其中圖2(a)為對 比例制備的A1 -18 wt. % Si合金材料表面組織結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)和圖2(c)分別為在實施例一 和實施例二中制備的Al-18 wt.% Si合金梯度組成塊體材料表面組織結(jié)構(gòu)圖。沿著實施例 一和實施例二中制備的Al-18 wt.% Si合金梯度組成塊體材料表面組織結(jié)構(gòu)圖分別從上到 下取A、B、C三個區(qū)域進行放大觀察，可以明顯觀察到Al-18 wt.% Si合金梯度組成塊體材料 的金相組織的梯度分布。從圖2中可以看出，在實施例一和實施例二中，經(jīng)梯度強磁場處理 的凝固樣品底端為初生Si相富集區(qū)，頂端為基體A1相富集區(qū)，并且沿平行于磁場方向初生 Si相的分布逐漸減小。
[0022]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以 根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下 做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的， 只要不背離本發(fā)明利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法和裝置的技術(shù)原理和發(fā) 明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法，其特征在于，包括如下步驟： a. 梯度組成塊體材料的原材制備：按照待制備的梯度組成塊體材料的合金成分及其 成分含量，選取所需成分的原始合金材料作為原料，在真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)進行合金熔煉，并 在氬氣保護下澆注成設(shè)定尺寸的合金坯料，然后使合金坯料快速冷卻，獲得成分均勻的原 始合金樣品； b. 進行熔鑄設(shè)備安裝:將在步驟a中制備的原始合金樣品表面處理干凈，裝入相應(yīng)尺 寸的剛玉坩堝中，將剛玉坩堝固定在加熱爐中心加熱區(qū)域，對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣 品施加磁場中心區(qū)域的最大磁場強度為0 -14 T的梯度強磁場，并控制磁場中心附近磁場梯 度在不高于600T2/m的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，使剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品處于梯度強磁場中 受力最大的空間位置處，并使剛玉坩堝內(nèi)的合金連接應(yīng)力傳感器，對合金中應(yīng)力和應(yīng)變大 小進行實時記錄，由加熱裝置控制對在剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔煉的工藝過程， 由溫度控制系統(tǒng)控制制備梯度組成塊體材料的熔煉升溫和凝固降溫過程； c. 進行梯度組成塊體材料熔鑄制備:在固定好在步驟b中設(shè)置的熔鑄設(shè)備后，向加熱 爐內(nèi)不斷通入氬氣作為保護氣體，然后啟動加熱裝置和磁場發(fā)生裝置，對在梯度強磁場中 的在步驟b中設(shè)置好的剛玉坩堝內(nèi)的原始合金樣品進行熔融處理，在到達預(yù)定的原始合金 樣品的熔融溫度以后恒溫1小時后，進行熱穩(wěn)定和磁穩(wěn)定，然后對剛玉坩堝內(nèi)的金屬熔體進 行降溫，通過溫度控制系統(tǒng)以設(shè)定的降溫速度和梯度組成塊體材料的凝固時設(shè)定的降溫方 式，最后將加熱爐內(nèi)的溫度降至室溫，或最后將梯度組成塊體材料進行淬火實現(xiàn)快速降溫， 從加熱爐內(nèi)或淬火池中取出凝固的合金樣品，即得到梯度組成塊體材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法，其特征在于:在 步驟c中，在對剛玉坩堝內(nèi)的金屬熔體進行降溫時，采用的降溫速度為18 K/min。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的方法，其特征在 于:在步驟a中，原始合金材料采用Al-Si合金、Zn-Cu合金、Al-Cu合金或Sn-Sb合金。4. 一種利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置，主要由加熱爐(4)、加熱爐 架（2)、溫度控制系統(tǒng)（7)和水冷套（3)組成，在所述加熱爐(4)內(nèi)設(shè)有坩堝，所述加熱爐架 (2)用于固定所述加熱爐(4)及其周邊設(shè)備，在坩堝內(nèi)裝載金屬材料(6)，所述溫度控制系統(tǒng) (7)采用熱電偶實時測量在坩堝內(nèi)的金屬材料(6)和所述加熱爐架(2)爐腔內(nèi)溫度，并通過 實時控制升溫速度和降溫速度控制坩堝內(nèi)的金屬材料(6)的熔煉和凝固工藝，其特征在于： 還設(shè)有應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置、超導(dǎo)梯度強磁體(5)和淬火水槽(10)，所述應(yīng)力應(yīng)變檢測裝置由 應(yīng)力傳感器(1)、應(yīng)變儀(8)和X-Y記錄器(9)組成，所述應(yīng)力傳感器(1)和在坩堝內(nèi)金屬材料 (6)連接，隨時測量坩堝內(nèi)的金屬材料(6)在梯度強磁場中的受力情況，所述X-Y記錄器(9) 通過所述應(yīng)變儀(8)與所述應(yīng)力傳感器（1)連接，所述應(yīng)力傳感器(1)采集的金屬材料(6)的 受力情況信息通過所述應(yīng)變儀(8)傳導(dǎo)到所述X-Y記錄器(9)進行存儲和計算分析，得到坩 堝內(nèi)的金屬材料(6)在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變改變數(shù)據(jù)，所述X-Y記錄器(9)通過 控制模塊，根據(jù)坩堝內(nèi)的金屬材料(6)在梯度強磁場中的實時的應(yīng)力、應(yīng)變的計算結(jié)果，向 所述溫度控制系統(tǒng)(7)發(fā)出溫度控制指令信息，進而來控制坩堝內(nèi)的金屬材料(6)的熔煉和 凝固工藝，所述超導(dǎo)梯度強磁體(5)設(shè)置于所述加熱爐(4)的外部，所述水冷套(3)設(shè)置于所 述加熱爐(4)和所述超導(dǎo)梯度強磁體(5)之間，使所述超導(dǎo)梯度強磁體(5)的工作空間處于 室溫下，所述超導(dǎo)梯度強磁體(5)具有一個豎直圓柱形空洞的室溫磁場工作區(qū)間，其中心區(qū) 域磁場強度在0-14 T之間連續(xù)可調(diào)，其中心區(qū)域附近磁場梯度在不高于600T2/m的范圍內(nèi) 連續(xù)可調(diào)，所述淬火水槽（10)設(shè)置于所述加熱爐(4)的下方，用于坩堝內(nèi)的金屬材料(6)的 快速淬火。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置，其特征在 于：所述加熱爐（4)的內(nèi)層爐壁采用無磁性不銹鋼制作，所述加熱爐（4)內(nèi)腔最高溫度為 1600。。。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述利用梯度強磁場制備梯度組成塊體材料的熔鑄裝置，其特征 在于:所述溫度控制系統(tǒng)(7)采用WZK-Π 型溫度控制儀，并采用雙鉑銠型熱電偶實時測量在 坩堝內(nèi)的金屬材料(6)和所述加熱爐架(2)爐腔內(nèi)溫度。
【文檔編號】B22D27/02GK105970135SQ201610308204
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】李喜, 盧振遠, 候龍, 張義坤, 丁王新
【申請人】上海大學(xué)