專利名稱：一種柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼及其制備方法，特別是一種適用于航空航天等領域的高強度超高塑性合金的制備方法。
背景技術(shù)：
孿生誘發(fā)塑性合金在變形過程中持續(xù)形成孿晶，顯著推遲頸縮，從而獲得較高強度與較大塑性，與傳統(tǒng)合金鋼相比，具有高比強度、高比剛度和能量吸收率高等特點，是一種結(jié)構(gòu)與功能一體化的新型材料。作為結(jié)構(gòu)材料，它具有輕質(zhì)和高強的特點；作為功能材料，具有高效能量吸收的特性，在很多領域具有廣泛的應用前景。比如它可用于緩沖器、汽車深沖部件等。該高效吸能合金由于加入了輕質(zhì)合金元素，比如錳、鋁與硅等，其比強度較高，同時具有極佳的延伸率。所以該孿生誘發(fā)塑性合金是一種力學性能極其優(yōu)異的實用新型的合金鋼，尤其是其具有極佳的延伸率，以使材料抗破壞和吸收能量的能力最優(yōu)化，而且，可以通過合金的熱處理工藝，改變材料的微觀組織，調(diào)節(jié)合金的抗拉強度與塑性等力學性能參數(shù)，使得該合金具有廣泛的應用空間。目前研究的孿生誘發(fā)塑性合金鋼均是在真空冶煉爐中熔煉，并經(jīng)過鍛打、熱軋與冷軋等熱加工工藝成型。其微觀組織一般均由無一定結(jié)晶方向的多晶體組成，在高溫疲勞和蠕變過程中，垂直于主應力的橫向晶界往往是裂紋產(chǎn)生和擴展的主要部位，因此，這種傳統(tǒng)加工成型工藝對該合金的應用具有一定的限制。采用定向凝固技術(shù)可獲得生長方向與主應力方向一致的單向生長的柱狀晶結(jié)構(gòu)體)。定向凝固由于消除了橫向晶界，從而推遲了材料的裂紋擴展，提高了材料的綜合力學性能。但是，目前的孿生誘發(fā)合金的研究以冶煉軋制成型為主，關(guān)于采用定向凝固工藝成型的文章和專利較少，尤其是組織為柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼，鮮見報道，因而探索基于定向凝固成型的制備方法有著重要的意義。定向凝固技術(shù)是在熔模鑄造型殼中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向按照要求的結(jié)晶取向凝固的一種鑄造工藝。其利用合金凝固時晶粒沿熱流相反方向生長的原理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結(jié)晶的鑄造技術(shù)。定向凝固成形技術(shù)是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，以獲得具有特定取向柱狀晶結(jié)構(gòu)的技術(shù)。由于該技術(shù)較好地控制了凝固組織的晶粒取向，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學性能。鑄件定向凝固需要兩個條件首先，熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固-液界面；其次，晶體生長前方的熔液中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心。為此，在工藝上必須采取措施避免側(cè)向散熱，同時在靠近固-液界面的熔液中應造成較大的溫度梯度。這是保證定向柱晶和單晶生長挺直，取向正確的基本要素。目前，常用的定向凝固成型技術(shù)主要有以下幾種1發(fā)熱劑法發(fā)熱劑法是將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱劑的鑄型中，在金屬液和已凝固金屬中建立起一個自上而下的溫度梯度，使鑄件自下而上進行凝固，實現(xiàn)單向凝固。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能較差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。2功率降低法(PD法)將保溫爐的加熱器分成幾組，保溫爐是分段加熱的。當熔融的金屬液置于保溫爐內(nèi)后，在從底部對鑄件冷卻的同時，自下而上順序關(guān)閉加熱器，金屬則自下而上逐漸凝固， 從而在鑄件中實現(xiàn)定向凝固。通過選擇合適的加熱器件，可以獲得較大的冷卻速度，但是在凝固過程中溫度梯度是逐漸減小的，致使所能允許獲得的柱狀晶結(jié)構(gòu)區(qū)較短，且組織也不夠理想。加之設備相對復雜，且能耗大，限制了該方法的應用。3快速凝固法(HRS法)為了改善功率降低法在加熱器關(guān)閉后，冷卻速度慢的缺點，在Bridgman晶體生長技術(shù)的基礎上發(fā)展成了一種新的定向凝固技術(shù)，即快速凝固法。該方法的特點是鑄件以一定的速度從爐中移出或爐子移離鑄件，采用空冷的方式，而且爐子保持加熱狀態(tài)。這種方法由于避免了爐膛的影響，且利用空氣冷卻，因而獲得了較高的溫度梯度和冷卻速度，所獲得的柱狀晶結(jié)構(gòu)間距較長，組織細密挺直，且較均勻，使鑄件的性能得以提高，在生產(chǎn)中有一定的應用。4液態(tài)金屬冷卻法(LMC法)HRS法是由輻射換熱來冷卻的，所能獲得的溫度梯度和冷卻速度都很有限。為了獲得更高的溫度梯度和生長速度。在HRS法的基礎上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高導熱系數(shù)的高沸點、低熔點、熱容量大的液態(tài)金屬中，形成了一種新的定向凝固技術(shù)，即LMC法。 這種方法提高了鑄件的冷卻速度和固液界面的溫度梯度，而且在較大的生長速度范圍內(nèi)可使界面前沿的溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對穩(wěn)態(tài)下進行，能得到比較長的單向柱晶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼及其制備方法。為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼，其特征在于其中化學成分的含量為Mn: 28-32%, Al 2. 8-3. 2%, Si :2. 5-3. 4%, C < 0. 08%、其他的為 Fe。所述的柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)冶煉將一定配比的原料單質(zhì)Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感應冶煉爐中冶煉，保護氣氛為氬氣，獲得組織比較均勻的鑄件；(2)定向凝固使用冶煉后的鑄件作為原料，先在合適的鑄件部位選取一定大小的材料，放入定向凝固爐中在氬氣氣氛保護下進行熔化、制備溫度在1500-1600°C，然后使定向凝固爐中坩堝緩慢下降，通過一個溫度下降梯度為30-50°C /cm的區(qū)域，讓結(jié)晶從坩堝底部開始，逐漸向上推移，進行晶體生長；(3)熱處理根據(jù)目標合金鋼形狀將定向凝固后的鑄件切割，并置于電阻加熱爐內(nèi)，通電加熱，升溫速率6-10°C/min，升溫至1000°C，保溫1-5小時，保溫結(jié)束后斷電進行爐
冷至室溫。
所述的柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，其特征在于所述的坩堝下降速率為2-10mm/min。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的柱狀晶結(jié)構(gòu)孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，可控制合金鋼的組織為柱狀晶，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學性能，實現(xiàn)合金鋼在較高水平上調(diào)節(jié)力學性能；孿生誘發(fā)塑性合金在變形過程中持續(xù)形成孿晶，顯著推遲頸縮，從而獲得較高強度與較大塑性，與傳統(tǒng)合金鋼相比，具有高比強度、高比剛度和能量吸收率高等特點，是一種結(jié)構(gòu)與功能一體化的新型材料，作為結(jié)構(gòu)材料，它具有輕質(zhì)和高強的特點；作為功能材料，具有高效能量吸收的特性，在很多領域具有廣泛的應用前景。
具體實施例方式實施例柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼，其中化學成分的含量為Mn :30%, Al 3%, Si 2. 9%,C :0. 06%,Fe :64. 04%。柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，包括以下步驟(1)冶煉將一定配比的原料單質(zhì)Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感應冶煉爐中冶煉，保護氣氛為氬氣，獲得組織比較均勻的鑄件；(2)定向凝固使用冶煉后的鑄件作為原料，先在合適的鑄件部位選取一定大小的材料，放入定向凝固爐中在氬氣氣氛保護下進行熔化、制備溫度在1500°C，然后使定向凝固爐中坩堝緩慢下降，下降速度控制在5mm/min，通過一個溫度下降梯度為30_50°C /cm的區(qū)域，讓結(jié)晶從坩堝底部開始，逐漸向上推移，進行晶體生長；下降的距離控制在12-20cm。(3)熱處理根據(jù)目標合金鋼形狀將定向凝固后的鑄件切割，并置于電阻加熱爐內(nèi)，通電加熱，升溫速率8°C /min，升溫至1000°C，保溫3小時，保溫結(jié)束后斷電進行爐冷至室溫。
權(quán)利要求
1.一種柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼，其特征在于其中化學成分的含量為Mn: 28-32%,Al 2. 8-3. 2%, Si :2. 5-3. 4%,C < 0. 08%、其他的為 Fe。
2.一種如權(quán)利要求1所述的柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)冶煉按組成化學成分的含量將一定配比的原料單質(zhì)Mn、Al、Si、C、Fe混合，投入到真空感應冶煉爐中冶煉，保護氣氛為氬氣，獲得組織比較均勻的鑄件；(2)定向凝固使用冶煉后的鑄件作為原料，先在合適的鑄件部位選取一定大小的材料，放入定向凝固爐中在氬氣氣氛保護下進行熔化、控制溫度在1500-1600°C，然后使定向凝固爐中坩堝緩慢下降一段距離，通過一個溫度下降梯度為30-50°C /cm的區(qū)域，讓結(jié)晶從坩堝底部開始，逐漸向上推移，進行晶體生長；(3)熱處理根據(jù)目標合金鋼形狀將定向凝固后的鑄件切割，并置于電阻加熱爐內(nèi)，通電加熱，升溫速率6-10°C /min，升溫至1000°C，保溫1_5小時，保溫結(jié)束后斷電進行爐冷至室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼的制備方法，其特征在于所述的坩堝下降速率為2-lOmm/min，下降的距離控制在12-20cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柱狀晶結(jié)構(gòu)的孿生誘發(fā)塑性合金鋼及其制備方法，其主要是將一定化學配比的Mn、Al、Si、C、Fe單質(zhì)混合，然后依次通過冶煉、定向凝固、熱處理的工序得到，本發(fā)明可控制合金鋼的組織為柱狀晶，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學性能，實現(xiàn)合金鋼在較高水平上調(diào)節(jié)力學性能；而且本發(fā)明持續(xù)形成孿晶，獲得較高強度與較大塑性，與傳統(tǒng)合金鋼相比，具有高比強度、高比剛度和能量吸收率高等特點，在很多領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號C21D1/40GK102206785SQ20111010291
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月23日
發(fā)明者段先鋒, 汪聃, 王幸福, 王新福, 韓福生 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院