熔体快淬法制备非晶、纳米晶

熔体快淬法制备非晶、纳米晶

一、实验目的

1. 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；

2. 了解不同快淬速度对材料的组织的影响；

3. 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。

二、实验原理

熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。

金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。

应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。

熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼→浇注成锭→铸锭在带喷嘴的试管中再熔化→熔化喷射→高速旋转的冷却辊→固化→薄带和辊分离→收集带子→晶化退火（可省略）→破碎制粉→SPS烧结。

熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.3～0.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。图2为快淬的薄带。如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。

图1 单辊快淬法制备NdFeB薄带图2 NdFeB薄带

图3 26m/s辊速快淬NdFeB薄带的TEM

快淬工艺的制定包括：

1 熔液温度

熔液温度升高，要得到同样厚度的快冷条带，冷却辊就必须吸收更多的热量，但是当冷却辊的结构一定时它的吸热能力也就是一定的，熔液温度是受到工艺操作的限制的，实际操作中要求熔融合金具有较好的流动性，也就是要求有一定的过热度，一般要求高于熔点100℃左右，熔液温度过低会因为流动性降低而改变熔潭形状使带变薄。总的看，首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，不至于因为温度的稍微下降而破坏正常的喷制过程。

2 冷却速度及冷却辊

作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。其冷却速度表如表1：

要求制造冷却辊的材料具有高的热传导系数、有尽可能高的硬度、与合金熔液有好的润湿性、容易加工和保持辊面较高的表面光洁度等性能。常用材料有纯铜、铜合金和钢。随着喷制次数的增加或一次喷制量的加大，冷却辊的温度不断升高，为了保证工艺参数的稳定，必须控制冷却辊的温度，这就需要采取对冷却辊强迫冷却的措施，实际应用中大多采用水内冷的冷却方式。冷却辊表面在喷制带的过程中会不断被站污、损伤，造成成品条带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷，影响带的质量，甚至成为废品。因此经常清理、修整使冷却辊表面光滑是非常必要的。

3 坩埚和喷嘴

试验研究和小量制备样品时采用坩埚和喷嘴—体的结构，常用熔融石英管制成。石英透明因而便于直接观察合金熔化情况，它有良好的耐急冷急热性能，与大多数合金无作用或无明显作用，尺寸小的加工制作较为灵活方便。

4 试管的管嘴形状

要得到一定几何尺寸的快冷条带，一个基本条件是喷嘴有合理的形状、精确的尺寸和至少要保证在一次喷制过程中不变形。合金细丝和小于3mm的窄带应采用圆孔形喷嘴喷制，

3mm以上的带一般使用矩形狭缝喷嘴。本实验采用圆孔形。喷嘴应该表面平整光滑，尺寸精确。喷嘴直径不能过小，否则会因为不易控制熔液流的连续稳定，造成熔潭的不稳定，从而使得到的快冷条带在几何形状和尺寸出现缺陷。如果直径过大，则往往由于熔液的重力而发生“自流”现象，导致喷制失败。

本次实验对铜锌合金进行快淬工艺制定，并进行实际操作，通过两组快淬速度的对比（6 m/s和40 m/s）系统地观察不同淬速下其晶粒的大小（纳米晶或非晶）。

三、实验设备

1、熔体快淬炉

2、石英管

3、铜锌合金

4、真空泵（机械泵、罗茨泵、扩散泵）

四、实验描述

1、将铜锌合金放入底部开口的石英管中，孔的大小要与所熔化的合金相匹配，若孔隙太小，则熔融金属在喷出的过程中容易堵住；若空隙过大，由于重力的作用会形成液滴，自动下落，导致成品的组织结构发生变化。

2、密闭熔体快淬炉，依次开启机械泵、罗茨泵、扩散泵，进行抽真空处理。注意在此过程中各个阀门的开启顺序。

3、向炉中冲入高纯氩气，并保持喷嘴部分与炉腔内有一定的压强差。本次实验中，喷嘴部分的压强要比炉中高约0.7个大气压，其目的是利用压强差使熔融金属从空隙中喷出。

4、利用电磁感应原理加热石英管中的金属，属于二次熔化的过程，要注意对加热温度的控制，温度低使液态金属的流动性差；温度过高会导致挥发，并容易产生偏析。

5、当加热到适当温度时，选定好喷铸速度后，开始喷铸。

6、喷铸完成后，打开炉盖，取出薄带。

7、选定另一个转速，重复上述操作。

四、实验体会

本次实验通过快淬处理制备非晶、纳米晶材料，通过对快淬速度的控制，制备出不同的铜锌合金薄带。纳米晶或非晶态具有与普通合金不同的微观组织，也具有普通合金不同的物理、化学性质。下图为本次实验所制得的两种薄带的样品形貌，在低转速下，薄带比高转速下要宽大，其微观组织也有所不同。

图1 6m/s（低转速）样品形貌图2 40m/s（高转速）样品形貌