利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法，其特征为材料基体为Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｇ，冶炼时加入一些在材料凝固过程中存在偏析的合金元素，然后通过双辊薄带连铸工艺制造。利用双辊薄带连铸过程中凝固壳沿铸辊生长时伴随着这些合金元素在固－液界面两侧的反偏析特征，从而使元素在带厚方向上呈梯度连续分布，正偏析元素在带表面处平均含量高，并沿带厚方向梯度减小，负偏析元素在带表面处平均含量低，并沿带厚方向梯度增加。利用合金元素在材料凝固过程中的交互作用，影响元素的梯度分布曲线，以满足材料在实际应用时不同部位的独特性能需要。该材料生产成本低，使用范围广，可以实现工业大规模连续制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及梯度功能材料的制造方法，特别涉及利用双辊薄带连铸制 备自生梯度功能材料的方法。
技术介绍
梯度功能材料(Functionally gradient materials, FGM)是成分或结构 呈连续梯度变化的一种新型材料。其主要特征有材料的组分和结构呈连 续梯度分布；材料内部没有明显的界面；材料的性能相应呈连续梯度分布。 FGM设计的目的在于获得最优化的材料成分与成分分布曲线，从而具有许 多特殊的、设计性较强的机械、耐腐蚀、电磁及其它性能，其应用领域已 扩大至宇航、核能、电磁、化工、生物、医学乃至日常生活(王正品等， 金属功能材料，北京化学工业出版社，2004， 37)。梯度功能材料(FGM)制备方法主要包括化学气相沉积、物理蒸镀、 离子喷涂、等离子溅射、分子束外延、电沉积、等离子溅射、共晶反应、 自蔓延高温合成、喷涂、烧结扩散、激光熔覆、离心铸造、电磁分离等， 但以上制备技术复杂，产品体积有限，成本高，难以付之于工业大规模实 施。德国专利DE4108203A1首次提出以连续铸造方法生产合金成分呈梯 度变化材料的设想。其特征在于采用初级、次级两级结晶器，首先让不同 的金属液在各自初级结晶器里部分凝固，随后在次级结晶器内金属相互挤 压而熔合，从而获得成分连续分布的宏观组织。中国专利97103553.9提出以连续及半连续铸造方式制备FGM的方 法，其特征在于将多种金属液以分离水口方式连续注入同一结晶器，分层 顺序凝固，形成连续光滑的成分梯度分布。以上方法虽然可设计性较强，但很难精确控制，在大规模连续生产中 存在较大困难。双辊薄带连铸技术作为冶金与材料领域的一项前沿技术，改变了传统薄型材的生产理念与过程，有利于获得超细的凝固组织，给冶金业带来革命性的飞跃，如中国专利CN02136304.8。目前，该技术已成功应用于铝 合金、低碳钢、中碳钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、高速钢、镁合金 等材料的制备上。双辊薄带连铸过程中，金属液接触到铸辊后开始凝固，在两铸辊外表 面上形成凝固壳，随后固-液界面逐渐向液相推进，凝固壳增厚，并在辊隙 附近(Kiss point)相互结合，从而直接制备出毫米级的金属带材("双辊 薄带连铸过程与凝固组织多场耦合数学模型"，梁高飞等，《铸造技术》， 2006， 27 (1):卯)。因此，双辊薄带连铸工艺为直接制备自生梯度功能材料提供了一条新 思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术在实际工业生产梯度功能材料中的 局限性，提供一种，实现 合金元素按性能需求沿材料厚度方向连续分布，有效解决材料不同部位有 其独特性能要求的问题。研究发现，凝固壳沿铸辊生长中伴随着合金元素在固-液界面两侧的反 偏析，从而导致元素在带厚方向上呈梯度连续分布。对于正偏析元素在带 表面处含量大于平均含量，并沿带厚方向梯度减小；反之，负偏析元素在 带表面处含量小于平均含量，并沿带厚方向梯度增加。元素偏析的程度受 到双辊薄带连铸工艺参数(带厚、铸辊冷却能力、出带速率等)以及在凝 固过程中元素之间的相互作用影响。因此，通过对工艺参数以及元素种类 的控制，可以实现合金元素沿带厚方向上不同的梯度分布，以满足材料不 同部位的独特性能需求。梯度功能材料基体材料可以为Fe、 Al、 Ti、 Ni、 Mg等，合金元素为 在双辊薄带连铸过程存在偏析的元素，即这类元素在凝固壳-液相附近的分 配系数(Cs/Cl，式中，Cs:固相浓度；Cl:液相浓度)大于1 (负偏析) 或小于1 (正偏析)。正偏析元素在带表面处含量最低，并沿带厚方向增 加，负偏析元素在带表面处含量最高，并沿带厚方向减小。通过调整双辊薄带连铸工艺参数(浇铸温度、出带速率、铸辊冷却能力等)，以及合金 元素在材料凝固过程中的交互作用，控制元素的梯度分布曲线。本专利技术的技术方案是， 一种利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法，其包括如下步骤，材料基体为Fe、 Ti、 Ni或Mg中的一种，冶炼时加入在材料凝固过程中存在正、负偏析的合金元素，然后通过双辊薄带连铸工艺制造；利用双辊薄带连铸过程中凝固壳沿铸辊生长时伴随着这些合金元素在固-液界面两侧的反偏析特征，从而使元素在带厚方向上呈梯度 连续分布，正偏析元素在带表面处含量大于平均含量，并沿带厚方向梯度减小，负偏析元素在带表面处含量小于平均含量，并沿带厚方向梯度增加； 双辊薄带连铸过程中，浇铸过热度10 100°C，出带速率在10 120m/min 之间，铸辊采用水冷钢辊或铜辊。进一步，在双辊薄带连铸过程存在偏析的合金元素，在钢液凝固过程 中偏析合金元素为C、 Mn、 Si、 Cu、 Al、 P、 Cr、 Ni、 Mo、 Ti、 V或W。在双辊薄带连铸过程存在偏析的合金元素，在钛液凝固过程中偏析合 金元素为V、 Cr、 Sn、 Al、 Fe或C。在双辊薄带连铸过程存在偏析的合金元素，在镍液凝固过程中偏析合 金元素为Cu、 Si、 Mn、 C、 Mg或Fe。在双辊薄带连铸过程存在偏析的合金元素，在镁液凝固过程中偏析合 金元素为Al、 Zn、 Mn、 Zr、 RE、 Sc、 Li、 Th或Ca。以上各种偏析合金元素在上述凝固过程中要么正偏析、或者为负偏析。以上各种合金元素在液态金属中存在相互作用，并影响最终元素沿带 厚方向的偏析规律。本专利技术的原理在于利用双辊薄带连铸过程中，凝固壳沿铸辊生长中伴 随着合金元素在固-液界面处的反偏析特征，从而直接获得成分(或结构) 在带厚方向上呈梯度分布的金属材料。薄带连铸过程中，三角熔池底部出 现"W"型凝固壳，形成"三明治"结构。其中，"W"谷底为最终凝固 部位，从而形成一层反偏析带。材料基体可以为Fe、 Ti、 Ni、 Mg等，冶炼时加入一些在材料凝固过 程中存在偏析的合金元素，然后通过双辊薄带连铸工艺制造。利用双辊薄带连铸过程中凝固壳沿铸辊生长时伴随着这些合金元素在固-液界面两侧 的反偏析特征，从而使元素在带厚方向上呈梯度连续分布，正偏析元素在 带表面处平均含量最高，并沿带厚方向梯度减小，负偏析元素在带表面处 平均含量最高，并沿带厚方向梯度增加。通过调整双辊薄带连铸工艺参数 (浇铸温度、出带速率、铸辊冷却能力等)，浇铸过热度10 100°C，出带速率在10 120m/min之间，铸辊采用水冷钢辊或铜辊，利用合金元素在材 料凝固过程中的交互作用，影响元素的梯度分布曲线，以满足材料在实际 应用时不同部位的独特性能需要。 本专利技术的有益效果本专利技术利用双辊薄带连铸过程中，凝固壳沿铸辊生长中伴随着合金元 素在固-液界面处的反偏析特征，直接获得成分在带厚方向上呈梯度分布的 金属材料，满足材料服役过程中不同部位的独特性能需求。本专利技术丰富了 梯度功能材料(FGM)的种类，生产成本低，使用范围广，可以实现工业 大规模连续生产。附图说明图1为双辊薄带连铸示意图2为双辊薄带连铸过程中凝固壳生长示意图3为凝固壳生长过程中合金元素在固-液界面处偏析示意图4为本专利技术实施例1样品(用于耐腐蚀领域)薄带连铸过程中铸轧 薄带在线照片；图5为本专利技术实施例1样品的金相组织示意图6为本专利技术实施例1样品P元素在带厚方向上的分布情况示意图。 具体实施例方式参见图1、图2，中间包3中的钢液4通过钢液分配器2和钢液布流 器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用双辊薄带连铸制备自生梯度功能材料的方法，其包括如下步骤，材料基体为Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ或Ｍｇ中的一种，冶炼时加入在材料凝固过程中存在正、负偏析的合金元素，然后通过双辊薄带连铸工艺制造；利用双辊薄带连铸过程中凝固壳沿铸辊生长时伴随着这些合金元素在固－液界面两侧的反偏析特征，从而使元素在带厚方向上呈梯度连续分布，正偏析元素在带表面处含量大于平均含量，并沿带厚方向梯度减小，负偏析元素在带表面处含量小于平均含量，并沿带厚方向梯度增加；双辊薄带连铸过程中，浇铸过热度１０～１００℃，出带速率在１０～１２０ｍ／ｍｉｎ之间，铸辊采用水冷钢辊或铜辊。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方园，梁高飞，吴建春，叶长宏，于艳，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]