一种利用强磁场调控难混溶合金组织的方法与流程

1.本发明属于难混溶合金处理技术领域，尤其涉及一种利用强磁场调控难混溶合金组织的方法。


背景技术：

2.难混溶合金，亦称偏晶合金，凝固时存在液相难混溶区，被过冷到这个区域时发生液相分离，由单一液相分解成为两个共同存在的液相。但是该类合金中两相密度差通常较大,往往造成严重的重力偏析,限制了该类合金的开发和应用,如果通过适当的方法使少数相弥散分布,或将其制备成具有壳/核结构的复合材料，那么难混溶合金所表现出来的特殊的物理和力学性能使其在各方面都能够有良好的应用前景。因此难混溶合金不仅在理论研究方面具有重大价值，在工业应用方面也有巨大的发展潜力，目前已经成为金属材料领域研究的前沿热点。
3.cu
‑
x(x＝fe、co、cr、ta、nb等)为亚稳态难混溶合金，当合金熔体过冷度较小时，熔体将发生液
‑
固相变，富x以固相首析。相反，当合金熔体的过冷度较大时，单相合金熔体过冷进入亚稳组元液态不混溶区域，发生液
‑
液相分离，生成互不混溶的两液相：富cu液相(l1)和富x液相(l2)。冷却过程中重力场、浓度梯度、熔体内温度梯度、相间界面能以及熔体对流等均会对相分离合金凝固组织的形成造成影响。检索文献中，采用雾化粉末技术在cu
‑
fe基合金中得到了“蛋”型的壳
‑
核结构。(c.p.wang.formation of immiscible alloy powders with egg
‑
type microstructure.science.2002,297:990
‑
993)。利用相场法对深过冷快速凝固条件下的fe
‑
sn
‑
si、fe
‑
sn等液相分离型合金的凝固组织演化过程进行了模拟，研究表明，marangoni对流是导致合金形成三层核壳结构的主要因素。(w.l.wang,z.q.li,b.wei.macrosegregation pattern and microstructure feature of ternary fe
‑
sn
‑
si immiscible alloy solidified under free fall condition.acta mater.2011,59:5482
‑
5493.w.l.wang,y.h.wu,l.h.li,n.yan,b.wei.homogeneous granular microstructures developed by phase separation and rapid solidification of liquid fe
‑
sn immiscible alloy.j.alloys compd.2017,693:650
‑
657)。现阶段限制难混溶合金应用的主要问题是微观组织偏析严重，核
‑
壳结构的形成机理已有大量研究工作，然而对于微观结构的控制手段仍比较单一，微观形貌的调控还主要依赖于合金设计，而凝固后的合金的形貌千差万别，现有的研究多是通过控制冷速、过冷度等手段，但是难以实现在同一合金体系内不同类型形貌的调控。已有技术在难混溶合金弥散组织形貌的控制上已经出现了不可逾越的瓶颈。因此，亟需探寻一种能够对难混溶合金偏析组织进行有效控制的新方法。


技术实现要素：

4.为了解决难混溶合金在传统制备过程中产生的组织偏析问题，本发明提出了一种利用强磁场调控难混溶合金组织的方法。
5.将强磁场技术应用于材料冶金过程，获得高品质金属材料，成为重点研究领域。磁场的作用为非接触，具有无接触、稳定、大能量等特点，其作用横跨宏观到微观的各个层次，可直接影响材料中原子的排列、迁移和匹配等行为，从而对材料的微观组织产生影响，因而将磁场技术应用于材料冶金过程，会突破现有的技术瓶颈，成为一种新型的材料加工方式。
6.本技术团队选择cu
50
co
50
难混溶合金作为研究对象，发现该合金能够通过强磁场处理快速有效地弥散化其偏析的第二相。对cu
‑
50at.％co难混溶合金的研究表明，不施加强磁场时，合金组织中的少数相粒子尺寸分布呈双峰分布。当磁场强度达到2t时，第二相液滴的尺寸分布呈单峰分布，分析认为是由于施加的强磁场削弱了电磁悬浮条件下所引起的熔体对流。之后，在4t磁场强度下对cu
‑
25at.％co合金液相分离过程中产生的富co液滴的尺寸分布情况进行了研究，发现适当的磁场强度能够对熔体对流进行有效抑制，使其组织偏析减弱。对于cu
50
co
50
难混溶合金，将强磁场作用于其凝固过程，利用其特殊优势：1)避免了引入其他掺杂元素污染合金体系，2)整个实验流程在室温的环境中进行，不需要真空保护，成本较低，操作简单，3)效果明显，通过强磁场处理后，cu
50
co
50
难混溶合金由核壳偏析结构转变为均质的组织结构，从而具有较强的工业应用前景。
7.本发明具体是通过以下技术方案来实现的：
8.提供一种利用强磁场调控难混溶合金组织的方法，包括：
9.将切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭放入石英管中，表面覆盖b2o3；
10.将装入所述切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭的石英管放入到强磁场材料处理装置内部的匀强磁场中，施加磁场0t；进行加热
‑
保温
‑
冷却处理，多次循环所述加热
‑
保温
‑
冷却处理过程以得到180k
‑
300k的过冷度，然后冷却到950
‑
1000℃进行快速淬火，完成所述cu
50
co
50
难混溶合金的非平衡凝固处理过程，得到大过冷度下具有核壳结构的cu
50
co
50
难混溶合金样品；
11.将所述非平衡凝固处理得到的cu
50
co
50
难混溶合金样品放入所述强磁场材料处理装置内部的匀强磁场中，施加磁场至所述匀强磁场的强度达到5
‑
10t；进行加热
‑
保温处理，然后迅速取出所述样品快速淬火，完成所述cu
50
co
50
难混溶合金的磁场热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
12.作为本发明的进一步说明，所述cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭的熔炼制备过程如下：
13.以cu、co为原料，采用真空非自耗电弧熔炼炉熔炼进行熔炼，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼多次以保证合金的成分均匀，从而得到cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭。
14.作为本发明的进一步说明，所述cu：co的原子比为1：1，且co、cu纯元素单质的纯度为99.99wt.％。
15.作为本发明的进一步说明，所述非平衡凝固处理的保温温度设置在1410℃
‑
1440℃。
16.作为本发明的进一步说明，所述非平衡凝固处理的保温时间至少为5min。
17.作为本发明的进一步说明，所述磁场热处理的保温温度为1280℃
‑
1370℃。
18.作为本发明的进一步说明，所述磁场热处理的保温时间为6h
‑
12h。
19.作为本发明的进一步说明，所述样品放入所述强磁场材料处理装置内部的匀强磁场之前均需进行切割、打磨和超声清洗处理。
20.作为本发明的进一步说明，所述样品具体放入所述强磁场材料处理装置内部励磁
线圈的匀强磁场中，并通过励磁电源对励磁线圈进行通电以施加磁场。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
22.本发明对已有的cu
50
co
50
难混溶合金进行强磁场处理，磁场处理并不改变原有合金的相组成，处理后的cu
50
co
50
难混溶合金微观组织发生了明显改变：直接进行凝固处理后的合金呈偏析的核壳结构，而在磁场热处理后，可转变为均质结构。
附图说明
23.图1是本发明提供的方法获得的难混溶合金的微观结构示意图；
24.图2是无磁场处理下获得的240k过冷度下cu
50
co
50
难混溶合金的显微组织；
25.图3是无磁场处理下获得的290k过冷度下cu
50
co
50
难混溶合金的显微组织；
26.图4是10t磁场下，1300℃热处理后cu
50
co
50
难混溶合金的显微组织；
27.图5是本发明一实施例提供的利用强磁场调控难混溶合金组织的方法流程简图。
具体实施方式
28.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
30.图5为本发明一实施例中提供的利用强磁场调控难混溶合金组织的方法流程简图，如图5所示，本发明提供了一种利用强磁场调控难混溶合金组织的方法，包括：
31.步骤1：将切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭放入石英管中，表面覆盖b2o3；
32.步骤2：将装入所述切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭的石英管放入到强磁场材料处理装置内部的匀强磁场中，施加磁场0t；进行加热
‑
保温
‑
冷却处理，多次循环所述加热
‑
保温
‑
冷却处理过程以得到180k
‑
300k的过冷度，然后冷却到950
‑
1000℃进行快速淬火，完成所述cu
50
co
50
难混溶合金的非平衡凝固处理过程，得到大过冷度下具有核壳结构的cu
50
co
50
难混溶合金样品；
33.步骤3：将所述非平衡凝固处理得到的cu
50
co
50
难混溶合金样品放入所述强磁场材料处理装置内部的匀强磁场中，施加磁场至所述匀强磁场的强度达到5
‑
10t；进行加热
‑
保温处理，然后迅速取出所述样品快速淬火，完成所述cu
50
co
50
难混溶合金的磁场热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
34.步骤1中，所述cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭的熔炼制备过程如下：
35.以cu、co为原料，其中，cu：co的原子比为1：1，转换成质量分数进行配料；co、cu纯元素单质的纯度为99.99wt.％。
36.采用真空非自耗电弧熔炼炉熔炼进行熔炼，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼多次(例如可以熔炼4次)以保证合金的成分均匀，从而得到cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭。
37.步骤1中，在将切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭装入石英管之前，还需进行如下的清洁处理过程：
38.将纽扣锭切割、打磨和超声清洗，每个实验样品质量大约在2g左右为宜。将完成表面处理的样品放入内径7mm外径12mm长600mm的石英管中，表面覆盖少量b2o3防止氧化。
39.步骤2的非平衡凝固处理过程具体如下：
40.将装入所述切割的cu
50
co
50
难混溶合金纽扣锭的石英管放入到强磁场材料处理装置的内部，并使该样品处于装置的励磁线圈的匀强磁场中；施加磁场0t。
41.通过加热电源，按照程序设定速率进行加热
‑
保温
‑
冷却处理过程,保温温度设置在1410℃
‑
1440℃，保温时间至少5min，多次循环上述加热
‑
保温
‑
冷却处理过程以得到180k
‑
300k的大过冷度，然后冷却到950
‑
1000℃在水中进行快速淬火，以完成cu
50
co
50
难混溶合金的非平衡凝固处理过程，得到大过冷度下具有核壳结构的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
42.步骤3的磁场热处理过程具体如下：
43.将步骤2非平衡凝固处理得到的cu
50
co
50
难混溶合金样品放入强磁场材料处理装置的内部，通过励磁电源对励磁线圈进行通电，使该励磁线圈的匀强磁场的强度达到5
‑
10t；通过加热电源升温，保温温度设置为1280℃
‑
1370℃，保温时间均为6h
‑
12h，到达保温时间后快速取出样品迅速进行淬火处理，以完成磁场下cu
50
co
50
难混溶合金的磁场热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
44.优选的，将非平衡凝固处理得到的cu
50
co
50
难混溶合金样品对半切开，进行打磨以及清洗，然后再将切开的样品分别放入强磁场材料处理装置的内部。将样品对半切开，能够更清楚的观察非平衡凝固处理得到的cu
50
co
50
难混溶合金的核壳结构。
45.以下以优选的几个实施例进行具体说明。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种利用强磁场处理难混溶合金，调控其组织的方法。
48.本实施例所述的难混溶合金为cu
50
co
50
，所采用的磁场强度为0、5t。
49.本实施例所述强磁场处理调控cu
50
co
50
难混溶合金微观组织的方法的具体过程如下：
50.第一步，合金制备：配料，选取纯度不低于99.99％的co和cu；所述的co和cu均为固态纯原料。所述的co：cu＝1：1配料。该比例为原子比。首先在砂轮机上将两种纯金属的表层氧化皮进行打磨，清洗后放入真空非自耗电弧炉的铜坩埚中，采用真空非自耗电弧熔炼方法，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼4次以保证合金的成分均匀，从而得到最终的纽扣锭。
51.第二步，样品处理：将纽扣锭切割、打磨和超声清洗，每个实验样品质量大概在2g左右。将清洗干净的样品放到内径7mm外径12mm长600mm的石英管中,样品表面放置少量三氧化二硼玻璃防止氧化。
52.第三步，非平衡凝固处理：将装好样品的石英管用铜模夹具固定，放置到强磁场处理装置内，并使该样品处在加热体的最高温区，对放置在磁场处理装置内的样品进行凝固处理。具体过程是，打开加热电源，按照程序设定的加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率进行反复循环实验完成cu
50
co
50
难混溶合金的凝固过程。所述励磁线圈匀强磁场的磁场强度为0t，加热至保温温度1425℃，保温时间5min，冷却,然后进行反复循环以得到大过冷度，根据冷却曲线判断过冷度为190k，冷却到950℃在水中进行淬火，得到cu
50
co
50
难混溶合金在0t磁场下凝固后的样品。其微观组织为核壳结构。
53.第四步，磁场热处理：将非平衡凝固处理的合金样品对半切开进行打磨以及清洗，将切开的样品放入强磁场材料处理装置的内部。通过励磁电源对励磁线圈进行通电，使该励磁线圈的匀强磁场的强度达到5t；样品保温温度设置液固两相区，通过加热电源，设置程序加热，保温温度为1370℃，保温时间为8h，到达保温时间后快速取出样品进行淬火处理，以完成磁场下cu
50
co
50
难混溶合金的热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
54.实施例2
55.本实施例提供了一种利用强磁场处理难混溶合金，调控其组织的方法。
56.本实施实例所述的难混溶合金为cu
50
co
50
，所采用的磁场强度为0、5t。
57.本实施例所述强磁场处理调控cu
50
co
50
难混溶合金微观组织的方法的具体过程如下：
58.第一步，合金制备：配料，选取纯度不低于99.99％的co和cu；所述的co和cu均为固态纯原料。所述的co：cu＝1：1配料。该比例为原子比。首先在砂轮机上将两种纯金属的表层氧化皮进行打磨，清洗后放入真空非自耗电弧炉的铜坩埚中，采用真空非自耗电弧熔炼方法，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼4次以保证合金的成分均匀，从而得到最终的纽扣锭。
59.第二步，样品处理：将纽扣锭切割、打磨和超声清洗，每个实验样品质量大概在2g左右。将清洗干净的样品放到内径7mm外径12mm长600mm的石英管中,样品表面放置少量三氧化二硼玻璃防止氧化。
60.第三步，非平衡凝固处理：将装好样品的石英管用铜模夹具固定，放置到强磁场处理装置内，并使该样品处在加热体的最高温区，对放置在磁场处理装置内的样品进行凝固处理。具体过程是，打开加热电源，按照程序设定的加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率进行反复循环实验完成cu
50
co
50
难混溶合金的凝固过程。所述励磁线圈匀强磁场的磁场强度为0t，加热至保温温度1425℃，保温时间5min，冷却,然后进行反复循环以得到大过冷度，根据冷却曲线判断过冷度为240k，冷却到950℃在水中进行淬火，得到cu
50
co
50
难混溶合金在0t磁场下凝固后的样品。其微观组织为如图2所示的核壳结构。
61.第四步，磁场热处理：将非平衡凝固处理的合金样品对半切开进行打磨以及清洗，将切开的样品放入强磁场材料处理装置的内部。通过励磁电源对励磁线圈进行通电，使该励磁线圈的匀强磁场的强度达到5t；样品保温温度设置在液固两相区，通过加热电源，设置程序加热，保温温度为1350℃，保温时间为6h，到达保温时间后快速取出样品进行淬火处理，以完成磁场下cu
50
co
50
难混溶合金的热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
62.实施例3
63.本实施例提供了一种利用强磁场处理难混溶合金，调控其组织的方法。
64.本实施实例所述的难混溶合金为cu
50
co
50
，所采用的磁场强度为0、10t。
65.本实施例所述强磁场处理调控cu
50
co
50
难混溶合金微观组织的方法的具体过程如下：
66.第一步，合金制备：配料，选取纯度不低于99.99％的co和cu；所述的co和cu均为固态纯原料。所述的co：cu＝1：1配料。该比例为原子比。首先在砂轮机上将两种纯金属的表层
氧化皮进行打磨，清洗后放入真空非自耗电弧炉的铜坩埚中，采用真空非自耗电弧熔炼方法，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼4次以保证合金的成分均匀，从而得到最终的纽扣锭。
67.第二步，样品处理：将纽扣锭切割、打磨和超声清洗，每个实验样品质量大概在2g左右。将清洗干净的样品放到内径7mm外径12mm长600mm的石英管中，样品表面放置少量三氧化二硼玻璃防止氧化。
68.第三步，非平衡凝固处理：将装好样品的石英管用铜模夹具固定，放置到强磁场处理装置内，并使该样品处在加热体的最高温区，对放置在磁场处理装置内的样品进行凝固处理。具体过程是，打开加热电源，按照程序设定的加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率进行反复循环实验完成cu
50
co
50
难混溶合金的凝固过程。所述励磁线圈匀强磁场的磁场强度为0t，加热至保温温度1425℃，保温时间5min，冷却,然后进行反复循环以得到大过冷度，根据冷却曲线判断过冷度为180k，冷却到950℃在水中进行淬火，得到cu
50
co
50
难混溶合金在0t磁场下凝固后的样品。
69.第四步，磁场热处理：将非平衡凝固处理的合金样品对半切开进行打磨以及清洗，将切开的样品放入强磁场材料处理装置的内部。通过励磁电源对励磁线圈进行通电，使该励磁线圈的匀强磁场的强度达到10t；样品保温温度设置在液固两相区，通过加热电源，设置程序加热，保温温度为1320℃，保温时间为8h，到达保温时间后快速取出样品进行淬火处理，以完成磁场下cu
50
co
50
难混溶合金的热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品。
70.实施例4
71.本实施例提供了一种利用强磁场处理难混溶合金，调控其组织的方法。
72.本实施实例所述的难混溶合金为cu
50
co
50
，所采用的磁场强度为0、10t。
73.本实施例所述强磁场处理调控cu
50
co
50
难混溶合金微观组织的方法的具体过程如下：
74.第一步，合金制备：配料，选取纯度不低于99.99％的co和cu；所述的co和cu均为固态纯原料。所述的co：cu＝1：1配料。该比例为原子比。首先在砂轮机上将两种纯金属的表层氧化皮进行打磨，清洗后放入真空非自耗电弧炉的铜坩埚中，采用真空非自耗电弧熔炼方法，熔炼过程中进行反复翻转每个样品熔炼4次以保证合金的成分均匀，从而得到最终的纽扣锭。
75.第二步，样品处理：将纽扣锭切割、打磨和超声清洗，每个实验样品质量大概在2g左右。将清洗干净的样品放到内径7mm外径12mm长600mm的石英管中,样品表面放置少量三氧化二硼玻璃防止氧化。
76.第三步，非平衡凝固处理：将装好样品的石英管用铜模夹具固定，放置到强磁场处理装置内，并使该样品处在加热体的最高温区，对放置在磁场处理装置内的样品进行凝固处理。具体过程是，打开加热电源，按照程序设定的加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率进行反复循环实验完成cu
50
co
50
难混溶合金的凝固过程。所述励磁线圈匀强磁场的磁场强度为0t，加热至保温温度1425℃，保温时间5min，冷却,然后进行反复循环以得到大过冷度，根据冷却曲线判断过冷度为290k，冷却到950℃在水中进行淬火，得到cu
50
co
50
难混溶合金在0t磁场下凝固后的样品。其微观组织为如图3所示的核壳结构。
77.第四步，磁场热处理：将非平衡凝固处理的合金样品对半切开进行打磨以及清洗，将切开的样品放入强磁场材料处理装置的内部。通过励磁电源对励磁线圈进行通电，使该励磁线圈的匀强磁场的强度达到10t；样品保温温度设置在液固两相区，通过加热电源，设置程序加热，保温温度为1300℃，保温时间为6h，到达保温时间后快速取出样品进行淬火处理，以完成磁场下cu
50
co
50
难混溶合金的热处理过程，得到磁场热处理后的cu
50
co
50
难混溶合金样品，其组织结构如图4所示。
78.实验测试分析：
79.将实施例1、实施例1、实施例3和实施例4中不同磁场热处理后得到的cu
50
co
50
难混溶合金沿着平行于磁场方向进行冷镶，逐级打磨至2000#砂纸，随后采用1.5号金刚石研磨膏在抛光机上以合适的速度进行抛光，直到表面没有划痕出现。腐蚀时采用三氯化铁(5g) 盐酸(10ml) 乙醇(100ml)配方进行腐蚀，采用gx71型号的olympus光学显微镜对样品的组织形态进行观察，如图2、图3、图4所示。通过磁场热处理，cu
50
co
50
难混溶合金的组织结构发生了显著的变化，无磁场下凝固组织为典型的核壳结构，施加磁场后随着热处理温度设置在该合金的液固两相区，组织转变为第二相弥散分布的均质结构。
80.最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。