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金属所在金属液相分离研究方面取得进展,通项

发布时间:2019-07-11 04:23编辑:中国制造浏览(69)

    液相分离是一种常见的自然界现象,广泛存在于冶金、材料、化工、食品等领域中。一些体系的组元之间相互排斥,组元间混合焓为正,其相图存在液相不混溶区域。均一液体冷却进入液相不混溶区将分解成两个互不相溶的液相,即发生液相分离。对合金材料而言,约1/5的二元体系具有液相分离特征,这些合金通称为“液相分离合金”。它们在地面常规凝固条件下极易形成比重偏析严重、乃至两相分层的组织。近年来,人们先后在空间和地面对液相分离合金凝固过程开展了大量实验,并进行了深入的建模与模拟研究,发现液相分离过程是多种因素共同作用的结果,十分复杂。如能有效地控制液-液相分离的过程,不仅可以研制高性能相分离金属复合材料,而且可以进行诸如电子废弃物混合金属资源的富集、分离与回收处理。

    机械合金化(MechanicalAlloying,简称MA)是一种从元素粉末制取具有平衡或非平衡相组成的合金粉末或复合粉末的制粉技术。它是在高能球磨机中,通过粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨,粉末被破碎和撕裂,所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化,其过程反复进行,*终达到机械合金化的目的。 机械合金化是美国国际镍公司Benjamin等人于20世纪60年代末期开发的,当时主要用于制备同时具有沉淀硬化和氧化物弥散硬化效应的镍基和铁基超合金。20世纪80年代初,美国科学家Koch及其同事采用机械合金化手段成功地获得Ni60Nb40非晶粉末,此后,该方法得到迅速发展。W.Schlum和H.Grewe通过大量的试验研究之后,于1988年提出机械合金化方法能够制备纳米晶体。后来Fecht等用机械合金化方法成功地制备出纳米级超细晶合金,开创了机械合金化技术新领域。现在,机械合金化方法已成功地应用于制备纳米级超细晶弥散强化材料、磁性材料、超导材料、非晶材料、纳米晶材料、轻金属高比强材料和过饱和弥散固溶体等。美国、德国、日本等发达国家纷纷投入大量的人力、物力和财力,做了大量的研究工作,取得了显著的成果,并已经实现工业化生产。美国INCO公司已经建成了铁、镍、铝基氧化物弥散强化合金的机械合金化生产线,生产能力达350t/年。我国机械合金化研究工作从1988年开始,十多年来已取得了*显著的进展。 机械合金化 1 基本原理 1988年,日本的新宫秀夫提出了压延和反复折叠模型。当一次压下率为1/a时,经n次压延后,其厚度即由原来的d0变为d,且d=d0。如用机械合金法将两种元素的粉末混合压延10次且设1/a≈316296,粉末粒度则可被减薄到其原来厚度的十万分之一,形成非常微小的双层重叠,粉末经更多次的压延可达到纳米级的微细组织结构。因此,机械合金化法使粉末在固态下也可能发生合金化。1990年,Atzmon又提出了另一种机械合金化原理?机械感应自蔓延反应机理即金属间化合物不是一个形核长大的过程,而是突然爆发形成的。因为燃烧自蔓延反应的点燃温度与粉末颗粒及晶粒尺寸有关,点燃温度随粉末颗粒或晶粒尺寸减小而降低。当粉末颗粒或晶粒减小到一定程度,球磨过程中的机械碰撞产生的局部高温就可以“点燃”粉末,表现为合金的突然爆发形成。 现在,一般认为球磨中多数机械合金化过程是受扩散控制的。机械合金化的基本过程是粉末颗粒的反复混合、破碎和冷焊,几种金属元素或非金属元素粉末的混合物在球磨过程中会形成高密度位错,同时晶粒逐渐细化至纳米级,这样为原子的相互扩散提供了快速通道,在一定条件下,合金相的核得以形成。在进一步的球磨过程中,直到所有元素粉末形成合金相,并逐步长大。

    无铅环保型易切削铝合金

    中国科学院金属研究所材料特种制备与加工研究部赵九洲课题组长期从事合金液相分离研究,近来何杰、江鸿翔等人在相分离合金凝固组织与相结构调控方面取得了新进展,主要包括:

    近日,通项公司通过不断引进无铅环保型易切削铝合金产品,在无铅环保型铜合金和不锈钢的基础上,进一步扩展了无铅“Lead-Free”系列产品库存,符合RoHS指令及ELV指令的规定,各种规格满足客户的需求。

    1.基于Zr-RE (RE = Ce、La、Nd等) 液相分离合金系,利用原子间相互作用理论开展多元相分离合金设计,成功研制了Zr-RE-Al-Cu-Co块体非晶复合材料,弥散相以微纳米非晶粒子形式分布于非晶基体中,揭示了该合金液-液相分离机理、组织演变规律及其控制途径;提出了利用液-液相分离现象制备双非晶相块体合金材料的思路与合金设计方法。

    目前在库的无铅环保型易切削铝合金牌号包括2011A、6020、6020A、6020B、X6020-T8、6012A、6021、6023、STANAL-32、AlMgSiSnBi、AlMgSi1Sn1Bi、CB-56、CB-156、KE6、GT-209、KA62等。

    2.基于以往对Cu-Fe亚稳液相分离合金的研究(Acta Materialia, 54: 1749,设计了新型内生高数量密度球形纳米粒子的Cu-Fe-Al-Zr相分离块体金属玻璃材料。该材料展现出优异的压缩塑性变形能力。研究发现,该相分离金属材料在压缩变形过程中,剪切带内部的纳米非晶粒子在剧烈剪切作用下逐渐溶解,剪切带两侧相邻区域的纳米粒子发生Ostwald熟化。这些非晶粒子作为记录器(local internal recorder),清楚展现了塑性变形导致微结构的演化和剪切带附近基体原子运动的增强;提出了剪切带附近基体存在相对较厚的变形影响区域,相分离金属玻璃材料优异的力学性能不仅源于剪切带本身,而且还有其相邻基体的贡献。

    易切削铝合金在切削加工时产生的粉末细微,不会因粉末附着于切削工具而对产品造成伤害。且粉末自身排出性良好,适合高速自动切削,因此被广泛运用于各种汽车零部件、电机零部件以及精密机械零部件。

    3.提出了利用脉冲电流来控制液相分离合金凝固组织过程、制备原位自生复合材料的方法,建立了脉冲电流作用下的液相分离合金的凝固模型。模拟与实验相结合,深入研究了脉冲电流的作用下液相分离合金凝固组织形成过程,揭示了脉冲电流的影响机理。研究表明,脉冲电流主要通过改变弥散相液滴形核能垒来影响液相分离合金凝固过程和组织,当弥散相液滴电导率大于基体熔体电导率时,脉冲电流能有效地促进弥散相液滴形核和细化,有利于弥散型液相分离合金复合凝固组织的获得;当弥散相液滴电导率小于基体熔体电导率时,脉冲电流抑制弥散相液滴形核,促进弥散相液滴的粗化和两液相的分离。

    根据RoHS指令及ELV指令,铅等特定有害物质的使用受限,传统的含铅易切削铝合金如2011、6262、6012已不符合广大客户的要求,因此急需引进含铅量低于限值的铝合金。

    4.提出了利用微量表面活性元素或微量金属间化合物形成元素调控液相分离合金凝固过程与组织的方法,建立了微量元素作用下液相分离合金凝固模型。实验与模拟相结合,揭示了微量元素的作用机理和添加量的确定原则。研究表明,对于Al-Bi、Al-Pb液相分离合金,TiC颗粒可作为富Bi、富Pb相液滴的异质形核基底,添加适量的Ti和C 能大幅度提高其形核率,促进弥散型复合凝固组织的获得。

    Sn、Bi微合金化技术替代有毒Pb开发易切削铝合金的技术原理是:2xxx合金中通过添加Sn、Bi形成低熔点组织组成物Sn、Bi、SnBi来保证合金的易切削性,而弥散分布的CuAl2则保证合金的综合力学性能,6xxx合金中通过添加Sn、Bi形成低熔点组织组成物Mg2Sn、Sn、Mg2Bi2、Bi来保证合金的易切削性,而弥散分布的Mg2Si则保证合金的综合力学性能。

    上述成果发表在Scientific Reports 6: 25832 、 Acta Materialia 61: 2102 、Scientific Reports 5: 12680 和Materials and Design 91: 361 等期刊上。研究工作得到了国家自然科学基金(51271185, 51471173, 51374194, 51574216, 51501207)和中国载人空间站工程(TGJZ800-2-RW024)的资助。

    用微量Sn来取代Pb,在传统2011合金的基础上设计开发了2011A合金,经热处理工艺优化后,2011易切削铝合金固溶-冷拉后的最佳时效热处理工艺为170℃/8h,在此工艺条件下,合金棒材的抗拉强度为471MPa,屈服强度为378MPa,延伸率为10.1%;Sn、Bi微合金化的无铅易切削2011A合金固溶-冷拉后的最佳时效热处理工艺为160℃/6h,在此工艺条件下,合金棒材的抗拉强度为473Mpa,屈服强度为391Mpa,延伸率为11.2%,合金的抗拉强度与2011合金相当,而屈服强度和延伸率分别提高13Mpa和1.1%,综合力学性能优于2011合金;而晶间腐蚀实验和现场切削实验表明2011A合金的耐腐蚀性能与2011合金相当,而切削性能比2011合金好。

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    与2011合金相比,2011A合金在170℃时效时达到峰值的时间减少大约2/3,这是因为合金中Sn的加入影响了合金的时效过程,压缩GP区和θ″的形成,促进θ′相的形核,从而使得合金在相同温度下达到峰值强度的时间缩短,而且Sn能够细化CuAl2相,阻止其长大。

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