本发明涉及合金的组织控制领域，具体是一种反应浸渗用si-y合金的带状组织、过渡组织、岛状组织的调控。
背景技术
反应浸渗法是制备sic纤维增强sic复合材料最具产业化潜力的方法。但是由于传统的浸渗用si合金的熔点较高，如si-zr共晶成分合金熔点为1370℃，si-ti共晶成分合金熔点为1330℃、si-mo共晶成分合金熔点为1400℃，高于sic纤维的耐烧蚀温度(1300℃)，会导致在浸渗过程中sic纤维被严重烧蚀而失效。相比于以上传统的浸渗用合金，si-y合金在共晶成分si-18at％y处具有更低的熔点1215℃，可以大大降低反应浸渗的温度，从而有效保护sic纤维不被烧蚀。针对传统si基合金国内外研究人员已开展了研究工作。
文献“imayer,eyanir,ishidlovskydimorphisminrareearthdisilicides[j]inorgchem6(1967)842-844”利用粉末冶金技术，在真空管中加热用hg混合的si、y粉体，制得了α-ysi2。但是，粉末冶金法法无法做到合金完全致密，合金孔洞缺陷多，限制了合金的应用。
文献“tsverkhoglyadova,ladvorinahightemperatureoxidationofsilicidesofrareearthmetals[j]zhfizkhim,40(1966)2250”通过电弧熔炼工艺制备了si-y合金。文献“王洪磊反应浸渗制备连续纤维增强sic基复合材料及其性能研究[d]长沙:国防科学技术大学,2012”也采用高真空电弧熔炼工艺，通过电弧放电使合金中的各组元充分熔化，并经过反复翻转熔炼得到si-22wt％ti、si-24wt％zr和si-226wt％zr-01wt％b三种共晶si合金。然而电弧熔炼法温度梯度较低和冷却速率较慢，致使合金组织粗大。
文献“谢锐硅基合金负极材料的制备与电化学性能的研究[d]武汉：武汉科技大学，2011”中通过高频电磁感应炉熔炼和高能球磨相结合的两步法制备了si-25at％ni、si-30at％ni、si-50at％ni三种si合金，并研究了合金的电化学性能。然而感应熔炼热流方向性不明显，合金组织取向性差，成分偏析较为严重。
上述研究仅仅涉及该合金的制备，并未涉及其组织均匀化调控方法的研究。因为，虽然si-y合金在降低反应温度方面颇具优势，但是作为反应浸渗用的基体合金，si-y合金组织中初生si残留严重会导致反应浸渗不均匀，同时显著增加复合材料高温脆断的风险。因此实现si-y合金组织均匀化的调控成为制备出满足sic纤维增强sic复合材料反应浸渗要求的浸渗合金的关键技术。目前，si-y合金组织均匀性差的问题仍未得到有效解决，国内外对si-y合金组织均匀化调控方法鲜有报道。鉴于si-y合金的凝固组织与凝固过程中的凝固速率和温度梯度直接相关，因此，有必要明确出si-y合金的凝固速率和温度梯度精准调控区间，使si-y合金的组织均匀，不存在初生si相，以实现工程应用。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的si-y合金组织均匀性差的不足，本发明提出了一种反应浸渗用si-y合金的制备与组织调控方法。
本发明的具体过程是：
步骤1：母材制备。
以纯度为si粉和y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，对母锭原料进行反复熔炼四次，得到si-y共晶合金母锭。所述熔炼电流为100a，熔料时间为2min。
所述si粉的纯度为99999％，所述y粉的纯度为99999％。
步骤2：装夹装配。
步骤3：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，逐步加大熔炼电流以阶梯升温的方式加热到1300～1570℃，保温40min。保温结束后启动拉杆装置，试样以0.1～3.0mm/min的速率凝固，抽拉过程中温度梯度保持在150～240k/cm，实现材料的连续凝固。定向凝固过程直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
装夹装配时，将si-y共晶合金母锭破碎成小块并置于刚玉管中。对装有si-y共晶合金母锭的刚玉管向下抽拉，使刚玉管下端10mm浸没于装有ga-in-sn合金液的冷却池中。所述刚玉管上有保温套，以实现大于140k/cm的温度梯度。
所述熔融时阶梯升温的具体过程是，保持20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min。保温结束后以50a的熔炼电流使炉内继续升至900℃，并保温15min；继续以100～140a熔炼电流，使炉内升至1300～1570℃。
本发明的凝固过程中，凝固速率针对不同的显微组织的需求而改变，温度梯度保持在150～240k/cm，随着凝固速率从0.1mm/min到3.0mm/min变化，可以分别获得均匀全带状组织，带状向岛状演变的过渡组织，均匀全岛状组织。
由于si-y合金的流动性差，且属于小平面-小平面合金体系，凝固过程中各相生长机制复杂，调控难度大，凝固组织均匀性差，初生相粗化严重。因此有必要明确出合理的凝固速率和温度梯度区间，使si-y合金的组织均匀，不存在初生si相，以实现工程应用。经理论计算和定向凝固实验相结合的研究方法，最终确定了si-y合金的熔炼工艺参数范围：凝固速率在0.1～3.0mm/min，温度梯度在150～240k/cm，可以得到均匀的带状组织，过渡组织，岛状组织等。
本发明的优点在于：
1.熔融及凝固过程中耐火砖保温套的安装可以保证si-y合金凝固过程中具有较高的温度梯度，从而使合金形成稳定的连续凝固组织。
2.附图1、2分别是定向凝固合金铸锭的纵截面、横截面，可以看到合金内部均匀，致密，光亮，没有明显的裂纹。通过显微组织观察(附图3)可以看出合金的组织均匀，共晶中的si相和ysi2相整齐的排列共生生长，完全消除了粗大的初生si相，达到了浸渗合金的标准。
3.可以通过控制凝固速率和温度梯度，精确调控获得不同的si-y合金的显微组织。经过理论研究并结合大量重复性实验，发现：凝固速率0.1～0.5mm/min，温度梯度150～180k/cm条件下，可以获得均匀带状组织，观察组织纤维形貌可以发现合金中si相和ysi2相生长优势差别很小，生长相互制约，以稳定带状的方式耦合生长，形成均匀的共晶组织；凝固速率0.5～1.6mm/min，温度梯度180～210k/cm条件下，可以获得带状向岛状演变的过渡组织，si相和ysi2相之间的生长优势差距开始显现，si相因为较大的生长优势开始在部分区域使ysi2相的生长受到阻碍，形成不连续的岛状组织，但是此时组织仍然保持良好的均匀性，初生si相并没有出现；凝固速率1.6～3.0mm/min，温度梯度210～240k/cm条件下，可以获得均匀的全岛状组织，si相具有较大的生长优势，完全打断了ysi2相的纵向生长，使ysi2相由带状变为岛状，但是在该凝固速率范围内，合金全组织仍为共晶组织，并未发现粗大的初生si相。三种组织的显微形貌图分别见附图3～5。
4.本发明所得到的熔炼参数区间并不局限于定向凝固的熔炼方法，电阻熔炼，感应熔炼，激光熔炼等方法均适用，各种工艺可以结合自身的凝固速率调节现状在本发明所提出的凝固速率区间内进行调节，获得不同形貌的均匀的没有初生si相的全共晶组织。
附图说明
图1是本发明制备的si-y合金显微组织形貌图。
图2是本发明制备的si-y合金带状组织显微形貌图。
图3是本发明制备的si-y合金过渡组织显微形貌图。
图4是本发明制备的si-y合金岛状组织显微形貌图。
图5是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种反应浸渗用si-y合金的制备与组织调控方法。制备过程中，将凝固速率控制在0.1～0.5mm/min的范围内，温度梯度为150k/cm，获得均匀的全带状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，对母锭原料进行第一次熔炼。第一次熔炼结束后，在此设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，对母锭原料进行第二次熔炼。重复所述熔炼过程四次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内温度升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内温度继续升至900℃，并保温15min；保温结束后继续以100a熔炼电流，使炉内温度升至1300℃，保温40min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以0.1mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在150k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的带状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例二
本实施例是一种将凝固速率控制在0.1～0.5mm/min的范围内，温度梯度为160k/cm，获得均匀的全带状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以105a熔炼电流，使炉内升至1350℃，保温45min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以0.3mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在160k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的带状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例三
本实施例是一种将凝固速率控制在0.1～0.5mm/min的范围内，温度梯度为170k/cm，获得均匀的全带状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以110a熔炼电流，使炉内升至1380℃，保温45min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以0.4mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在170k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的带状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例四
本实施例是一种将凝固速率控制在0.5～1.6mm/min的范围内，温度梯度为190k/cm，获得均匀的过渡组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以115a熔炼电流，使炉内升至1400℃，保温50min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以0.6mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在190k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，组织呈现出带状共晶组织与岛状共晶组织共存的形貌，即带状组织向岛状组织演变的过渡组织。组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例五
本实施例是一种将凝固速率控制在0.5～1.6mm/min的范围内，温度梯度为200k/cm，获得均匀的过渡组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以120a熔炼电流，使炉内升至1450℃，保温50min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以1.0mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在200k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，组织呈现出带状共晶组织与岛状共晶组织共存的形貌，即带状组织向岛状组织演变的过渡组织。组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例六
本实施例是一种将凝固速率控制在0.5～1.6mm/min的范围内，温度梯度为210k/cm，获得均匀的过渡组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以122a熔炼电流，使炉内升至1470℃，保温50min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以1.5mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在210k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，组织呈现出带状共晶组织与岛状共晶组织共存的形貌，即带状组织向岛状组织演变的过渡组织。组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例七
本实施例是一种将凝固速率控制在1.6～3.0mm/min的范围内，温度梯度为210k/cm，获得均匀的全岛状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以125a熔炼电流，使炉内升至1490℃，保温55min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以1.9mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在210k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的岛状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例八
本实施例是一种将凝固速率控制在1.6～3.0mm/min的范围内，温度梯度为225k/cm，获得均匀的全岛状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以130a熔炼电流，使炉内升至1520℃，保温55min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以2.5mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在225k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的岛状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
实施例九
本实施例是一种将凝固速率控制在1.6～3.0mm/min的范围内，温度梯度为240k/cm，获得均匀的全岛状组织的浸渗用si-y共晶合金，其具体过程包括以下步骤：
步骤一：母材制备。以纯度为99999％的si粉和纯度为99999％的y粉为原材料，按照共晶成分配制出si-18at％y的母锭原料。混料压块后置于真空非自耗电弧熔炼炉内，并使炉内真空度始终小于1×10-3pa。设定熔炼电流为100a，熔料时间为2min，反复熔炼4次，得到si-y共晶合金母锭。
步骤二：装夹装配。将si-y共晶合金母锭破碎为当量直径小于3mm的小块并置于刚玉管中。刚玉管尺寸为
步骤三：熔融与凝固。将定向凝固炉内的真空度抽至1×10-3pa并保持，充入ar气。打开加热电源加热试样，具体过程是：以20a的熔炼电流，使炉内升至500℃，并保温15min；保温结束后以50a的熔炼电流使炉内升至900℃，并保温15min；继续以140a熔炼电流，使炉内升至1570℃，保温55min。保温结束后启动拉杆装置，使试样以3.0mm/min的速率从上往下移动，将温度梯度保持在240k/cm，实现材料的连续凝固。所述的连续凝固过程持续直至全部刚玉管没入冷却池中结束。
凝固结束后，对组织进行显微观察，全部组织为均匀的岛状共晶组织，且组织中没有任何粗大的初生si相存在，符合浸渗合金要求。
根据实施例结果可以总结出，获得符合浸渗要求的si-y共晶合金均匀组织的熔炼工艺参数为：凝固速率0.1～3.0mm/min，温度梯度为150～240k/cm。其中带状组织的凝固速率范围是0.1～0.5mm/min，温度梯度150～180k/cm；获得带状向岛状演变的过渡组织的凝固速率范围是0.5～1.6mm/min，温度梯度180～210k/cm；获得均匀岛状组织的凝固速率是1.6～3.0mm/min，温度梯度210～240k/cm。