一种铸造具有纳米和微米混合晶粒结构材料的装置，由舱体系统、加热系统、铸型及浇注系统、多轴复合运动系统组成，其工艺特征为：合金熔炼，合金熔体保温后浇入铸型中，铸型放入六轴运动系统中的离心桶中，铸型进行复合运动，合金熔体凝固，即制备出纳米级和微米级尺寸混合晶粒的多尺度纳米结构块体铸造铝硅合金。本实用新型专利技术的优点为在合金熔体中产生大的复合剪切流流场，从而获得具有纳米级和微米级尺寸混合晶粒的多尺度铸造纳米结构。本实用新型专利技术铸造工期短，成本低廉，对产品复杂程度限制少，大大地提高了金属材料强度和塑性，同时在高分子材料和无机非金属材料中有潜在应用。用本法制备的具有块体铸造铝硅合金，抗拉强度提升70％以上，延伸率提升3倍以上。
【技术实现步骤摘要】
：本技术涉及金属纳米结构铸造材料及其制备方法与装置。具体地说，是将液态金属凝固后直接得到纳米级和微米级混合晶粒的大尺寸纳米结构材料的制备方法和装置，以及由此制备的具有纳米级和微米级混合晶粒的大尺寸纳米结构铸造铝硅合金等。
技术介绍
Al-Si由于其优异的铸造性，耐磨及耐腐蚀性能使其成为应用最广泛的合金之一，但是由于Al-Si合金本身的原因，如亚共晶Al-Si合金，其铸态组织中往往存在片层状Si及α-Al的柱状晶组织，这严重影响着亚共晶Al-Si合金的性能，因此获得细化的等轴状的α-Al及细化的共晶Si显得尤为重要[文献一：J.E.Gruzleski,B.M.Closset,TheTreatmentofLiquidAluminum,AmericanFoundrymen'sSociety,SiliconAlloysUSA,1990.]。为了提高亚共晶Al-Si合金的性能，人们采取了多种方式来细化α-Al及共晶Si，通过加入Al-Ti-B或者Nb-B来细化α-Al[文献二TongminWang,HongwangFu,ZongningChen,JunXu,JingZhu,FeiCao,TingjuLi,JournalofAlloysandCompounds.511(2012)45–49；文献三M.Nowak,L.Bolzoni,N.HariBabu,MaterialsandDesign.66(2015)366–375；文献四L.Bolzoni,M.Nowak,N.HariBabu,MaterialsandDesign.66(2015)376–383]。通过加入Na或者Sr来细化共晶Si[文献五L.Lu,K.Nogita,A.K.Dahle,Mater.Sci.Eng.A.399(2005)244–253；文献六NSTiedje,JHattel,JATaylorandMAEaston,The3rdInternationalConferenceonAdvancesinSolidificationProcesses.27(2011)012033]，二者同时加入也可以得到很好的效果[文献七L.Lu,A.K.Dahle,Mater.Sci.Eng.A.435–436(2006)288–296.文献八S.A.Kori,B.S.Murty,M.Chakraborty,Mater.Sci.Eng.A.283(2000)94–104.]，然而变质剂孕育剂的加入在合金中引入了其他元素，可能生成不必要的金属间化合物化合物[文献九D.Qiu,J.A.Taylor,M-X.Zhang,P.M.Kelly,ActaMaterialia.55(2007)1447–1456]，同时有证据显示Al-Ti-B及Sr之间存在细化之间的相互干扰[文献十L.Lu,A.K.Dahle,Mater.Sci.Eng.A.435–436(2006)288–296]。对凝固过程中的金属液施加扰动也是一种有效的细化晶粒的方法，如对亚共晶成分的Al-Si合金进行超声震动处理[文献十一H.R.Kotadia,A.Das,JournalofAlloysandCompounds.620(2015)1–4；文献十二H.Puga,S.Costa,J.Barbosa,S.Ribeiro,M.Prokic,JournalofMaterialsProcessingTechnology.211(2011)1729–1735]，这样处理过后的亚共晶Al-Si合金有着等轴的及球化的初晶α-Al组织，显著细化初晶α-Al的尺寸几十至几百微米不等，同时共晶Si也得到了一定程度的细化，但是这种方法的一个局限是处理效果好的区域仅在距离振动源很近的范围约几厘米附近，这就导致该方法不能应用于很大的铸件处理。电磁搅拌也是一种对凝固中的金属液施加扰动的有效方法，它可以细化α-Al的同时得到等轴状的α-Al组织，但是这种方法不能有效的细化共晶Si的尺寸[文献十三E.J.Zoqui,M.Paes,E.Es-Sadiqi,JournalofMaterialsProcessingTechnology120(2002)365–373；文献十四S.Nafisi,D.Emadi,M.T.Shehata,R.Ghomashchi,Mater.Sci.Eng.A.432(2006)71–83]，限制了强度提高的效果。对液态Al-Si合金的处理方式虽然多样，但是以上方法最多将晶粒尺寸细化到数十微米，得不到纳米级的晶粒。目前较普遍的获得Al-Si合金获得纳米级或者亚微米级晶粒尺寸的方法是在固态下进行大变形的等通道转角挤压方法(ECAP)处理[文献十五K.Venkateswarlu,GautamDas,A.K.Pramanik,ChengXu,TerenceG.Langdon,Mater.Sci.Eng.A.427(2006)188–194；文献十六K.ReginaCardoso,M.A.K.ValdésLeón,D.G.Morris,Mater.Sci.Eng.A.587(2013)387–396.；文献十七I.Gutierrez-Urrutia,M.A.D.G.Morris,ActaMaterialia.55(2007)1319–1330]。Venkateswarlu用这种方法另Al-2Si通过一个直径10mm长60mm的通道得到的α-Al尺寸可以达到0.7um而Si尺寸可以达到1.08um[文献十五]。Cardoso用这种方法将Al-10Si在200℃下通过一个直径20mm长70mm的通道得到的α-Al尺寸可以达到653nm[文献十六]。Gutierrez-Urrutia用这种方法将Al-7wt％Si通过一个直径20mm长60mm的通道得到的α-Al尺寸可以达到420nm而Si尺寸可以达到1.4um[文献十七]。ECAP方法需要铸件通过一个尺寸不大的等通道的转角，这个通道通常只有几十毫米直径的圆形截面通道，这就大大限制材料的尺寸和形状，得到的纳米级晶粒尺寸的结构件尺寸和形状受限。对于亚共晶Al-Si合金来说，需要一种能够大幅细化α-Al及共晶Si，同时又能应用于大尺寸及复杂形状铸件且易于实施的方法。对于细化铸件晶粒尺寸的一个传统思路：追求大的冷却速度或者引入大量的形核核心，通过这种方法来在金属液中形成较多的核心，核心的增多增加了晶粒的数量，从而限制了每个晶粒生长的空间，达到细化晶粒的效果。这种传统思路很难获得基体具有几百个纳米级晶粒尺度的大尺寸铸件。根据Wang关于液态金属中晶粒由晶核开始生长过程中界面演变的基本模型[文献十八MingwenChen,ZidongWang,Jian-JunXu,JournalofCrystalGrowth.385(2014)115–120]，晶粒在生长过程中，由于剪切流和各向异性参数的综合作用会在晶粒中部形成凹陷部位，在剪切流作用下，凹陷部位容易熔断破碎，形成两个更小的晶粒，从而可以细化晶粒尺寸。
技术实现思路
本技术的第一个目的在于提出一种低成本将液态金属凝固后直接得到α-Al基体由纳米级和微米级混合晶粒的纳米结构材料的铸造设备和方法。为达到上述目的，本技术采用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铸造具有纳米和微米混合晶粒结构材料的装置，其特征是装置由舱体系统、熔炼系统、浇注系统、铸型、转动盘，联接轴I，联接轴II，中间联接座，联接轴III，联接轴IV，底部支撑座，六轴运动系统I，六轴运动系统II，离心桶组成；铸型设在离心桶之内，离心桶通过转动盘和联接轴I与六轴运动系统I相连；六轴运动系统I通过联接轴II、中间联接座、联接轴III与六轴运动系统II相连；六轴运动系统II通过联接轴IV固定在底部支撑座上；单个六轴运动系统的六轴运动基元分别对应六个电机，在电机控制下转动台进行六轴运动，即三种沿x、y、z方向的直线运动，转动台的旋转运动R,沿着垂直于转动盘方向的直线运动M以及转动盘的倾斜运动T，转动盘的倾斜角度用θ表示；实际中可根据需要选用六轴运动系统套数。
【技术特征摘要】
1.一种铸造具有纳米和微米混合晶粒结构材料的装置，其特征是装置由舱体系统、熔炼系统、浇注系统、铸型、转动盘，联接轴I，联接轴II，中间联接座，联接轴III，联接轴IV，底部支撑座，六轴运动系统I，六轴运动系统II，离心桶组成；铸型设在离心桶之内，离心桶通过转动盘和联接轴I与六轴运动系统I相连；六轴运动系统I通过联接轴II、中间联接座、联接轴III与六轴运动系统II相连；六轴运动系统II通过联接轴IV固定在底部支撑座上；单个六轴运动系统的六轴运动基元分别对应六个电机，在电机控制下转动台进行六轴运动，即三种沿x、y、z方向的直线运动，转动台的旋转运动R,...
【专利技术属性】
技术研发人员：王自东，王涛，陈晓华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：新型
国别省市：北京;11
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