专利名称：一种研究合金快速凝固的简易实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种研究合金快速凝固的简易实验装置，属于实验研究设备。
背景技术：
金属或合金快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，以50°C /s 以上的速度从液态转变为固态的过程。由于凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及 合金组织有着直接而重要的影响。因此，通过快速凝固得到的金属或合金，可能会出现一系 列特殊的组织结构和性能。 非晶合金是一种在快速凝固实验中被发现并发展起来的新型合金，它是指一种 原子排列是长程无序的合金，其不像晶体材料那样拥有晶界和位错等缺陷。同时，由于 非晶合金中原子的结合是金属键，这使得其同时具备了金属相关的特性。非晶合金所 具有独特的长程无序，短程有序结构，这使得其具有比常规晶态合金更加优异的力学、物 理和化学性能。例如Co43Fe20Ta5. 5B31. 5非晶合金的压縮断裂强度达到了 5185MPa。 Mg54Cu26. 5Ag8. 5Gdl1非晶合金的压縮断裂强度达到了 1000MPa，是普通晶体合金的3 4 倍。非晶合金优异了性能使之成为了材料研究的热点。 快速凝固不仅能够得到非晶合金，而且还可以改变晶态合金的组织结构。例如 Y. Kawamura等人通过快速凝固的方法得到了具有长周期堆砌结构的准晶相的Mg-Zn-Y合 金其拉伸屈服强度达到610MPa，随研究的进一步深入，发现在不同的冷却速度下，应用快速 凝固技术可使Mg-Zn-Y合金中形成18R， 14H， 10H，24R四种不同堆砌结构的长周期准晶相。 同时通过运用不同的工艺，可控制准晶相的体积分数及分布情况，从而达到提高合金的力 学性能的目的。 现有技术中，实现快速凝固的方法主要包括水淬法、铜模浇铸法和差压成型法等。 但是，目前根据文献报道可用于快速凝固的实验装置存在价格昂贵和普及率低的问题，且 仅仅只能以单一的方法来获得较高冷却速度。因而，不利于研究不同冷却方式及冷却速度 对合金性能及组织的影响，也不利于关于合金快速凝固研究工作的开展。
实用新型内容针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本较 低，易于普及推广使用的，并且集空冷法、水淬法、铜模喷铸法和水冷铜模喷铸法于一体的 研究合金快速凝固的简易实验装置。 本实用新型的目的是这样实现的一种研究合金快速凝固的简易实验装置，其特 征在于，包括实验平台、真空泵、氩气瓶、气体控制装置以及感应熔炼装置；气体控制装置和 感应熔炼装置设于实验平台上，真空泵和氩气瓶分别通过各自的通气管和气体控制装置与 第三通气管相连通，第三通气管与设于感应熔炼装置内的熔炼接头相连；熔炼接头活动密 封连接熔炼冷却装置的熔炼管上端。 进一步，所述熔炼冷却装置由连为一体并且相通的石英玻璃熔炼管和冷却管构
3成，使之成为空冷实验装置；冷却管设于熔炼管的底部且端部封口，熔炼管的直径为25 35mm，冷却管的直径为3 8mm。 另外，在熔炼冷却装置的冷却管外设有水槽，可构成水淬实验装置。 再进一步，所述熔炼冷却装置由石英玻璃熔炼管和冷却铜模构成，使之成为铜模 喷铸实验装置；冷却铜模设于石英玻璃熔炼管的底部且端部封口 ；冷却铜模包括模座、铜 模芯和密封圈；石英玻璃熔炼管的底部设有与铜模芯相配合的密封环盖；熔炼管的直径为 25 35mm，冷却管的直径为3 8mm。 同样，所述熔炼冷却装置的冷却铜模外设有水槽，可构成水冷铜模实验装置。 相比现有技术，本实用新型具有如下优点 1、本实用新型结构简单，容易装配和更换。采用常规通用的高频感应加热装置和 真空泵等，所用石英玻璃管、真空接头价格低廉，制作方便；有效的降低了快速凝固装置的 制作成本。 2、本实用新型可实现不同冷却速度的快速凝固实验。通过与石英管或铜模凝固装 置连接可实现空冷法、水淬法、铜模喷铸法或水冷铜模喷铸法等方法的快速凝固，方便于对 合金的快速凝固进行系统的研究。 3、本实用新型可适用于各种合金的快速凝固实验，具有适用面广的特点。能够制 备不同体系非晶合金以及非晶复合材料的制备(如Mg基、Zr基等)。 4、本实用新型操作简便。通过控制抽气阀门可进行抽真空，同时通过控制通气阀， 可进行氩气的通入，并可实现加压喷铸。该实用新型中真空系统体积小，容易实现真空，并 可通过真空表进行直接读数。
图1为本实用新型研究合金快速凝固的简易实验装置的结构示意图； 图2为石英玻璃管熔炼冷却装置示意图； 图3为铜模熔炼冷却装置示意图； 图4为水槽示意图 图5为普通铸态、水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Mg71 (Cu。.66Y。.34) 24Zn5合金 的XRD实验结果； 图6为普通铸态、水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Mg71 (Cu。.66Y。.34) 24Zn5合金 的力学性能测试结果； 图7为普通铸态，挤压态和水冷铜模喷铸法制备得到的ZK60样品的力学性能测试 结果； 图8为水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Zr65Cu17.5A17.5Ni1Q合金的XRD实验结 果；
具体实施方式下面参照附图并结合具体实施例，进一步阐述本实用新型，应理解的是，这些实施 例是用于说明本实用新型，而不是对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围不限于以 下的实施例。[0026] 本实用新型可进行不同冷却速度的快速凝固实验。通过与石英管或铜模凝固装置 连接可实现空冷法、水淬法、铜模喷铸法或水冷铜模喷铸法等方法的快速凝固，方便于对合 金的快速凝固进行系统的研究。具体实施例如下 如图1所示，实施例1 :一种研究合金快速凝固的简易实验装置，包括实验平台1、 真空泵2、氩气瓶3、气体控制装置4以及感应熔炼装置5 ;气体控制装置4和感应熔炼装置 5设于实验平台1上；真空泵2和氩气瓶3分别通过各自的通气管6、7和气体控制装置4相 连，通气管6、7通过气体控制装置4的控制开关与第三通气管8相连，第三通气管8与设于 感应熔炼装置5内的熔炼接头9相连；熔炼接头9用于连接熔炼冷却装置IO，熔炼冷却装 置10的熔炼管上端通过活动密封接头与所述熔炼接头9相连。 如图2所示，所述熔炼冷却装置10由连为一体并且相通的石英玻璃熔炼管11和 冷却管12构成；冷却管12设于熔炼管11的底部且端部封口，熔炼管的直径为25 35mm， 冷却管的直径为3 8mm。该熔炼冷却装置10的熔炼管11上端连接于熔炼接头9上，使之 构成空冷实验装置，该空冷实验装置的冷却速度为< 50K/S。 实施例2 :与实施例1不同的是所述熔炼冷却装置10由石英玻璃熔炼管13和冷 却铜模14构成，参见图3 ;冷却铜模14设于石英玻璃熔炼管13的底部且端部封口 ；冷却 铜模14包括模座15、铜模芯16和密封圈17 ;石英玻璃熔炼管13的底部设有与铜模芯16 相配合的密封环盖18 ;熔炼管的直径为25 35mm，冷却管的直径为3 8mm。该熔炼冷却 装置10的熔炼管13的上端连接于熔炼接头9上，构成铜模冷却实验装置，其冷却速度为 100-200K/S。 实施例3 :在实施例1的基础上，在熔炼冷却装置10的冷却管11外设有水槽19， 参见图4 ;使之构成水淬实验装置。该水淬实验装置的冷却速度为50-100K/S。 实施例4 :在实施例2的基础上，在冷却铜模14外设有水槽19，参见图4 ;使之构 成水冷铜模冷却实验装置，其冷却速度为200-500K/S。 实验1 :通过本实用新型简易实验装置进行Mgn(Cu。.eeY。j)MZn5合金的快速凝固 实验。
实验步骤 1、选择Cu(99.9X )， Y(99.9% )纯金属，并利用电弧熔炼制备得到Cu_Y中间合 金，并将该中间合金与Mg(99. 5% )， Zn(99. 5% )按比例混合，最后通过感应熔炼制备的母 体合金。 2、利用酒精清洗实施例1的熔炼冷却装置(石英玻璃管)以及试验样品，然后烘 干。将样品母体合金装入石英玻璃管中，将熔炼管11的上端连接于熔炼接头9上，使之构 成空冷实验装置。 3、检查装置连接是否正常，并关闭各个阀门。 4、打开熔炼装置的冷循环水开关，并接通电源。 5、打开气体控制装置4的抽气阀，进行抽真空；然后关闭抽气阀，打开通气阀，通
入氩气，充满后关闭通气阀，反复以上步骤三次。确保系统内的氩气纯度。 6、打开通气阀门，慢慢冲入氩气，并保证有一定负压，此即试验气氛。 7、打开全固态感应加热装置，将石英玻璃管放在线圈内进行加热。 8、待到样品全部熔融后，分别以水淬以和水冷铜模喷铸方法进行冷却。具体方法如下 a)水淬法将石英玻璃管提到水淬装置上方，打开通气阀，利用高压氩气将非晶 熔融液喷注入石英管的细头，同时将石英玻璃管放置在水中。并关闭通气阀，冷却形成细棒 条状样品即试验完成。b)水冷铜模喷铸法将铜模放入水中并打开通气阀，利用高压氩气 将非晶熔融液喷注入铜模。并关闭通气阀，冷却形成细棒条状样品即试验完成。 参见图5为普通铸态、水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Mg71 (Cu。.66Y。.34) 24Zn5 合金的XRD实验结果，可以看到水冷铜模喷铸法得到的样品表现为单一的漫反射峰，表现 为完全的非晶结构；水淬样品除了拥有非晶合金特有的漫反射峰，还有Mg^u， Mg， Mg-Zn-Y 相的存在，形成了非晶复合材料；普通铸态的仅仅存在晶体峰。 图6为普通铸态、水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Mg71(Cu。.66Y。.34) 24Zn5合 金的力学性能测试结果；可以看到普通铸态Mg71 (Cu。. 66Y。. 34) 24Zn5合金的压縮强度不到 200MPa，水淬法制得的非晶复合材料的压縮强度超过了 lOOOMPa，而水冷铜模喷铸法制备得 到的1%71(0!。.66\ 34) 242!15单一非晶合金的压縮断裂强度超过800MPa，但塑性较差。 实验2 :通过该简易实验装置进行ZK60镁合金快速凝固实验。 该实验通过水冷铜模喷铸法进行ZK60镁合金的快速凝固，实验步骤同上。 图7为普通铸态，挤压态和水冷铜模喷铸法制备得到的ZK60样品的力学性能测试 结果。铸态ZK60断裂时的压縮强度约为200MPa。挤压态的ZK60样品其最大压縮强度为 337MPa，断裂时的应变量为10% 。快速凝固的ZK60样品最大压縮强度达到了 444MPa，断裂 时的应变量达到了 20%。 实验3 :通过该简易实验装置进行Zr65Cu17.5Al7.5Ni1Q非晶合金的快速凝固实验。 该实验通过水淬法和水冷铜模喷铸法进行Zr65Cu17.5Al7.5Ni1Q非晶合金的快速凝 固，步骤同实施例1。 图8为水淬法和水冷铜模喷铸法制备得到的Zr65Cu17.5A17.5Ni1Q非晶合金的XRD实
验结果，可以看到水冷铜模喷铸法得到的样品表现为单一的漫反射峰，表现为完全的非晶
结构。水淬样品除了拥有非晶合金特有的漫反射峰，还具有Z^Cu晶体峰。 综上，本实用新型从简易且价格低廉的装置入手，通过合理的工艺设计，制作一种
研究合金快速凝固的简易实验装置，经本实用新型所述的快速凝固简易实验装置可进行不
同冷却速度下的快速凝固实验，并能满足不同成分的非晶合金及非晶复合材料的制备。利
用高频感应加热装置进行实验合金的熔化，最后，通过控制通气阀施加压力，利用差压成型
的方式并结合不同的冷却装置实现不同冷却速度的快速凝固实验。本实用新型通过应用不
同的组件实现空冷法、水淬法、铜模喷铸法或水冷铜模喷铸法等方法研究合金的快速凝固；
利用高频感应加热装置，结合机械泵等常规装置可进行快速凝固实验，从而获得不同冷却速度。 本实用新型具有成本低廉、操作简单，便于推广，能通过连接不同的冷却装置实现 不同冷却速度，并能满足不同非晶合金以及非晶复合材料的制备要求。特别适用于实验室 进行合金快速凝固的研究。
权利要求一种研究合金快速凝固的简易实验装置，其特征在于，包括实验平台(1)、真空泵(2)、氩气瓶(3)、气体控制装置(4)以及感应熔炼装置(5)；气体控制装置(4)和感应熔炼装置(5)设于实验平台(1)上，真空泵(2)和氩气瓶(3)分别通过各自的通气管(6、7)和气体控制装置(4)与第三通气管(8)相连通，第三通气管(8)与设于感应熔炼装置(5)内的熔炼接头(9)相连；熔炼接头(9)用于连接熔炼冷却装置(10)，熔炼冷却装置(10)的熔炼管上端通过活动密封接头与所述熔炼接头(9)相连。
2. 根据权利要求1所述的研究合金快速凝固的简易实验装置，其特征在于，所述熔炼 冷却装置(10)由连为一体并且相通的石英玻璃熔炼管(11)和冷却管(12)构成；冷却管 (12)设于熔炼管(11)的底部且端部封口，熔炼管的直径为25 35mm，冷却管的直径为3 8mm。
3. 根据权利要求1所述的研究合金快速凝固的简易实验装置，其特征在于，所述熔炼 冷却装置(10)由石英玻璃熔炼管(13)和冷却铜模(14)构成，冷却铜模(14)设于石英玻 璃熔炼管(13)的底部且端部封口 ；冷却铜模(14)包括模座(15)、铜模芯(16)和密封圈 (17);石英玻璃熔炼管(13)的底部设有与铜模芯(16)相配合的密封环盖(18);熔炼管的 直径为25 35mm，铜模芯的直径为3 8mm。
4. 根据权利要求2或3所述的研究合金快速凝固的简易实验装置，其特征在于，所述熔 炼冷却装置(11)的冷却管(13)或冷却铜模(14)外设有水槽(19)。
专利摘要本实用新型提供一种研究合金快速凝固的简易实验装置，包括实验平台、真空泵、氩气瓶、气体控制装置以及感应熔炼装置；气体控制装置和感应熔炼装置设于实验平台上，真空泵和氩气瓶分别通过各自的通气管和气体控制装置与第三通气管相连通，第三通气管与设于感应熔炼装置内的熔炼接头相连；熔炼接头活动密封连接熔炼冷却装置的熔炼管上端。它利用高频感应加热装置进行实验合金的熔化，最后，通过控制通气阀施加压力，利用差压成型的方式并结合不同的冷却装置实现不同冷却速度的快速凝固实验。具有成本低廉、操作简单，便于推广，能通过连接不同的冷却装置实现不同冷却速度，并能满足不同非晶合金以及非晶复合材料的制备要求。特别适用于实验室进行合金快速凝固的研究。
文档编号B22D27/04GK201464394SQ20092012725
公开日2010年5月12日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者吴夏, 张丁非, 潘复生, 王敬丰, 陈先华 申请人:重庆大学