粉末冶金-熔體快淬法制非晶,納米晶

熔體快淬法制備非晶，納米晶一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．實(shí)踐粗晶材料如何制備成非晶、納米晶材料；2．了解不同快淬速度對(duì)材料的組織的影響；3．了解材料從粗晶變成非晶或納米晶對(duì)其性能的影響。二、概述熔體快淬就是在真空狀態(tài)下，將熔融的金屬或合金在一定的壓力下，注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，使其在極大的過泠度下凝固，獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織，由于這種方法具有極高的冷速，可使金屬及合金的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)或得到非晶組織。使制備的金屬或合金具有與一般非平衡冷卻完全不同的力學(xué)和物理性能。金屬或合金的晶粒尺寸隨過冷度的增加而減小。熔體快淬的冷速極高，可以使多種金屬及合金形成納米晶或非晶態(tài)。而且，由于冷卻銅輥的轉(zhuǎn)速及液態(tài)金屬及合金的噴射壓力是可調(diào)的，所以冷卻速度可以嚴(yán)格控制，從而達(dá)到控制金屬或合金的晶粒度的目的。應(yīng)用熔體快淬制備納米晶、非晶態(tài)金屬及合金的工藝易于控制，而且可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化。目前，熔體快淬已經(jīng)在稀土永磁材料、貯氫合金、Ni2MnGa磁性形狀記憶合金、耐高溫非晶鈦基及鈦鋯基釬焊料、高強(qiáng)度非晶態(tài)結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。熔體快淬方法的典型工藝如下所示，母合金冶煉一澆注成錠一鑄錠在帶噴嘴的試管中再熔化一熔化噴射一高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥一固化一薄帶和輥分離一收集帶子一晶化退火（可省略）一破碎制粉一SPS燒結(jié)。熔體快淬分為單輥快淬法和雙輥快淬法。本實(shí)驗(yàn)室用的是單輥快淬法，其原理如圖1所示。鑄錠在試管內(nèi)被感應(yīng)線圈加熱熔化，然后通入氬氣，使試管內(nèi)外產(chǎn)生0.3?0.7個(gè)大氣壓的壓力差，使熔化合金從漏嘴噴出，到達(dá)快速旋轉(zhuǎn)的輥面，迅速凝固，形成連續(xù)薄帶，再借助離心力拋離輥面。如此完成一次噴鑄過程需要數(shù)秒到數(shù)十秒的時(shí)間。圖2為快淬的薄帶。如果淬速更高，得到的薄帶將更碎且細(xì)小，其晶粒為納米級(jí)（如圖3）。實(shí)驗(yàn)中，水冷銅輥的轉(zhuǎn)速、液態(tài)金屬的壓力、液態(tài)金屬的溫度、石英管噴口的尺寸、形狀以及噴口與銅輥的距離都是快淬工藝的關(guān)鍵因素。圖1單輥快淬法制備NdFeB薄帶圖圖1單輥快淬法制備NdFeB薄帶圖2NdFeB薄帶圖326m/s輥速快淬NdFeB薄帶的TEM快淬工藝的制定包括：熔液溫度熔液溫度升高，要得到同樣厚度的快冷條帶，冷卻輥就必須吸收更多的熱量，但是當(dāng)冷卻輥的結(jié)構(gòu)一定時(shí)它的吸熱能力也就是一定的，熔液溫度是受到工藝操作的限制的，實(shí)際操作中要求熔融合金具有較好的流動(dòng)性，也就是要求有一定的過熱度，一般要求高于熔點(diǎn)100°C左右，熔液溫度過低會(huì)因?yàn)榱鲃?dòng)性降低而改變?nèi)厶缎螤钍箮ё儽??？偟目?，首先要考慮的是熔液的溫度要能夠保證噴制工藝的順利進(jìn)行，不至于因?yàn)闇囟鹊纳晕⑾陆刀茐恼５膰娭七^程。冷卻速度及冷卻輥?zhàn)鳛槔鋮s體的旋轉(zhuǎn)輥是獲得高冷卻速度的主要條件。其冷卻速度表如表1：表1輥轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的線速度輥面線速度V(m/s)6101520253035404550輥轉(zhuǎn)速co(r/min)3696169241232154018492157246527733082要求制造冷卻輥的材料具有高的熱傳導(dǎo)系數(shù)、有盡可能高的硬度、與合金熔液有好的潤(rùn)濕性、容易加工和保持輥面較高的表面光潔度等性能。常用材料有純銅、銅合金和鋼。隨著噴制次數(shù)的增加或一次噴制量的加大，冷卻輥的溫度不斷升高，為了保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定，必須控制冷卻輥的溫度，這就需要采取對(duì)冷卻輥強(qiáng)迫冷卻的措施，實(shí)際應(yīng)用中大多采用水內(nèi)冷的冷卻方式。冷卻輥表面在噴制帶的過程中會(huì)不斷被站污、損傷，造成成品條帶上無規(guī)則的或周期性的孔洞等缺陷，影響帶的質(zhì)量，甚至成為廢品。因此經(jīng)常清理、修整使冷卻輥表面光滑是非常必要的。坩堝和噴嘴試驗(yàn)研究和小量制備樣品時(shí)采用坩堝和噴嘴—體的結(jié)構(gòu)，常用熔融石英管制成。石英透明因而便于直接觀察合金熔化情況，它有良好的耐急冷急熱性能，與大多數(shù)合金無作用或無明顯作用，尺寸小的加工制作較為靈活方便。試管的管嘴形狀要得到一定幾何尺寸的快冷條帶，一個(gè)基本條件是噴嘴有合理的形狀、精確的尺寸和至少要保證在一次噴制過程中不變形。合金細(xì)絲和小于3mm的窄帶應(yīng)采用圓孔形噴嘴噴制,mm以上的帶一般使用矩形狹縫噴嘴。本實(shí)驗(yàn)采用圓孔形。噴嘴應(yīng)該表面平整光滑，尺寸精確。噴嘴直徑不能過小，否則會(huì)因?yàn)椴灰卓刂迫垡毫鞯倪B續(xù)穩(wěn)定，造成熔潭的不穩(wěn)定，從而使得到的快冷條帶在幾何形狀和尺寸出現(xiàn)缺陷。如果直徑過大，則往往由于熔液的重力而發(fā)生“自流”現(xiàn)象，導(dǎo)致噴制失敗。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)NdFeB進(jìn)行快淬工藝制定，并進(jìn)行實(shí)際操作，系統(tǒng)地觀察不同淬速下其晶粒的大?。{米晶或非晶），并測(cè)試其磁性能。三、 實(shí)驗(yàn)步驟（一） 兩次實(shí)驗(yàn)，一次采用低淬速（〈20m/s）進(jìn)行快淬實(shí)驗(yàn)，以獲得納米晶薄帶;另一次采用高淬速（〉30m/s）進(jìn)行快淬，來獲得非晶薄帶。我們兩次實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速分別為10m/s和30m/s。（二） 觀察有關(guān)薄帶的顯微組織，詳見表2。四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器件（一） 熔體快淬爐（二） 石英管。（三） 30g左右的鑄錠合金樣品。（四） 研缽及試樣帶。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集齊全，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（從加熱溫度、冷卻速度）。石英管噴口直徑2~3mm；噴射時(shí)距輥面調(diào)整為2mm左右；抽真空時(shí)，腔體內(nèi)部壓強(qiáng)數(shù)量級(jí)為10-Pa；然后通入氬氣，使腔體內(nèi)部有與石英管里保證有0.07個(gè)大氣壓差。輥面線速度6m/s時(shí)，設(shè)定電機(jī)參數(shù)為61；輥面線速度30m/s時(shí)，設(shè)定電機(jī)參數(shù)為184。其線速度越大，冷卻速度越大。NdFeB加熱溫度高于其熔點(diǎn)100°C左右。2、對(duì)納米晶、非晶的形成機(jī)理進(jìn)行描述。在真空狀態(tài)下，將熔融的金屬或合金在一定的壓力下，注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上使其在極大的過泠度下凝固，獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織，由于這種方法具有極高的冷速，可使金屬及合金的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)或得到非晶組織。金屬或合金的晶粒尺寸隨過冷度的增加而減小。熔體快淬的冷速極高，可以使多種金屬及合金形成納米晶或非晶態(tài)。而且，由于冷卻銅輥的轉(zhuǎn)速及液態(tài)金屬及合金的噴射壓力是可調(diào)的，所以冷卻速度可以嚴(yán)格控制從而達(dá)到控制金屬或合金的晶粒度的目的。當(dāng)冷速很快是可以得到納米晶；冷速更快時(shí)可能獲得非晶。非晶材料在重新加熱時(shí)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)。表2不同淬速下薄帶的顯微組織序號(hào)快淬速度(m/s)組