【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，属于材料制备。
技术介绍
1、在合金材料的制备过程中，共晶反应现象普遍存在且至关重要，它构成了众多先进合金的基础；共晶自生复合材料作为一类关键的合金体系，在工业应用中尤为突出，其核心特征在于通常由两种固相成分相互作用而形成；在多样化的工艺条件调控下，这类共晶自生复合材料能够展现出丰富多样的微观组织形态，如层状、螺旋状、球状及海草状等；这些特定的组织结构不仅赋予了共晶自生复合材料区别于传统材料的独特性，而且通过不同的组织形态对声学、光学和力学性能产生显著影响。具体表现为，不同形态的共晶材料会在声波传播、光波散射以及机械强度等方面展示出各异的性能表现，这进一步决定了它们在各自的应用领域具有高度特异性和针对性，从而拓宽了共晶材料在不同工业应用场景下的潜力与价值。
2、尽管自生复合材料因其诸多显著优势而备受瞩目，但其实际应用仍受限于一些关键的科学和技术难题；目前，在常规定向凝固工艺中，抽拉速率通常维持在10μm/s至100μm/s范围内，这一条件下，共晶生长仅能有效发生在接近平衡凝固状态下的狭窄成分区间，紧邻共晶点；一旦合金成分偏离共晶点较大程度，容易导致初生相组织粗大化的问题；此外，为了确保在凝固过程中保持理想的平直界面，需要将温度梯度与抽拉速率之间的比例维持在较高阈值之上，这无疑加剧了工艺上的局限性：不仅导致合金抽拉速率被迫降低，而且伴随着凝固时间延长和生产效率低下等显著问题。基于上述问题，本专利技术旨在针对现有技术中的这些挑战提出创新解决方案，以期突破自生复合材
技术实现思路
1、针对现有定向凝固技术在制备al-al2cu共晶合金时所面临的初生相组织粗大且丰度较高的问题，本专利技术的目的在于提供一种减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，以实现对铝铜合金凝固过程中初生相数量的有效调控；其核心目标在于借助该技术手段，优化制备工艺流程，从而成功获得具有均匀且初生相al含量较少的高质量al-al2cu共晶组织复合材料，以此克服先前存在的组织缺陷，提升材料整体性能与应用潜力。
2、具体方案为：采用布里奇曼定向凝固技术，通过改变al-cu二元合金凝固过程中的抽拉速率，即抽拉速率从前段的低速跃迁到后段的高速，从而改变凝固组织的特征，减少al-al2cu共晶组织中的al初生相。
3、本专利技术中定向凝固速率可在1～500μm/s范围内调节，优选的，前段的抽拉距离为0～40mm区间内，抽拉速度为50μm/s；后段的的抽拉距离为41～120mm，抽拉速度为500μm/s。
4、优选的，本专利技术所述布里奇曼定向凝固的工艺参数为：熔炼温度750～850℃，温度梯度为150～230k/cm，淬火速度为50mm/s，最高真空度为5.0×10-3pa，试样的升降数据精度为±1μm/m。
5、具体步骤为：将所述al-cu二元合金加工成毛坯棒，作为试样放入连接在布里奇曼定向凝固设备抽拉杆上的高纯氧化铝刚玉管坩埚中，在真空环境下加热使试棒熔化，设定抽拉杆的抽拉速率和行程进行抽拉，使刚玉管从加热区向加热区外的液态金属冷却液单向运动，从而改变试样的抽拉速率，实现定向凝固，当抽拉到指定行程后进行快淬，停止加热，冷却至室温即得al-al2cu共晶材料。
6、在本专利技术中，通过精密调控冷却速率和温度梯度等关键参数，使得试棒材料在定向凝固过程中实现微观组织的有序排列，并有效地消除了晶体内的横向晶界结构；这一技术手段能够显著抑制初生相al处裂纹的形成与扩展过程，从而大幅度提升材料的抗热疲劳性能；其中，冷却速度定义为单位质量物体在单位时间内温度的降低量，通常情况下，随着冷却速率的增大，材料内部的微观组织尺寸会相应减小；而结晶方向则直接决定了定向凝固工艺的实施路径；温度梯度则是指沿等温线或面法线方向上单位长度内温度的变化率，在本专利技术所采用的布里奇曼定向凝固技术中，采用了正温度梯度策略，其方向由低温区域指向高温区域。此外，本专利技术所述方法还能有效消除金属内部存在的气孔和成分偏析现象，从而对材料的机械性能进行优化升级，特别是在强度和塑性方面表现出显著改善效果。
7、本专利技术所述方法在定向凝固实验中，通过调整抽拉速率，将初始50μm/s的速度逐步跃迁至更高的水平，可以有效地调控al-al2cu共晶组织中的初生相al的数量，进而提升材料的整体力学性能；当采用更快的抽拉速率时，al-al2cu共晶的凝固组织会趋向于细化，这一过程称为细晶强化，即通过增加单位体积内的晶粒数目以及减小晶粒尺寸来提高材料强度。实验证据表明，在常温条件下，细晶粒金属材料相较于粗晶粒金属材料具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
8、细晶粒内部受到外力作用后发生的塑性变形能在更多数量的晶粒内分散进行，从而导致更为均匀的塑性变形和较小的应力集中；此外，晶粒越细，晶界总面积越大且形状更为曲折，这显著阻碍裂纹的扩展；最后，晶界作为位错运动的天然障碍，晶粒细化意味着晶界的增多，增加了位错运动所遭遇的阻力，进一步提升了屈服应力和材料强度。运用此定向凝固技术所制备的共晶复合材料，其最大特点体现在以下几个方面：强化相具有良好的取向度及均匀分布，晶粒得到充分细化；同时，初生相与基体相之间的界面结合牢固，展现出优异的物理化学兼容性，并拥有出色的热稳定性和机械稳定性。
9、所述al-cu二元合金是根据al-cu相图亚共晶点成分配制的亚共晶合金，将所述亚共晶合金在高纯ar气氛的真空感应熔炼炉中750-850℃熔炼制备共晶合金铸锭，将共晶合金铸锭进行布里奇曼定向凝固，获得al-al2cu共晶复合材料，在液固相变过程中发生共晶反应；该共晶复合材料中al作为初生相，al-al2cu作为共晶相，al-al2cu共晶组织中初生相al数量显著减少，其力学性能被大幅提高，特别是高温强度和高温抗蠕变性能得到明显改善。
10、初生相的体积分数直接影响规则的共晶组织形貌，研究分析表明，当初生相体积分数小于1/π时，共晶组织一般为棒状组织，当初生相体积分数大于1/π时，共晶组织为层片状组织；本专利技术中，根据al-cu相图亚共晶点成分，所述al-cu二元合金中al:cu原子百分比为79：21；由此计算各质量百分数为al:70.42wt.％、cu:29.58wt.％。
11、采用较高的凝固速率，可以细化al-al2cu共晶的凝固组织，提高材料强度；组织细化、均匀分布的初生相，提高了al-al2cu共晶的强度，其主要是对于给定成分的共晶合金其析出的初生相的体积分数减少，且组织的细化增多了晶粒与晶粒的界面，材料变形时，大量的晶界阻碍了位错的移动。
12、与现有技术相比，本专利技术通过改变定向凝固过程中的抽拉速率，从前段50μm/s跃迁加速至更高的抽拉速率，从而改变材料的微观组织结构，使al-al2cu共晶组织中初生相al数量显著减少，从而提升材料的力学性能；该材料在工业生产中有望大规模本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：采用布里奇曼定向凝固技术，通过改变Al-Cu二元合金凝固过程中的抽拉速率，即抽拉速率从前段的低速跃迁到后段的高速，从而改变凝固组织的特征，减少Al-Al2Cu共晶组织中的Al初生相。
2.根据权利要求1所述减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：前段的抽拉距离为0～40mm区间内，抽拉速度为50μm/s；后段的的抽拉距离为41～120mm，抽拉速度为500μm/s。
3.根据权利要求1所述减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：布里奇曼定向凝固的工艺参数为：熔炼温度750～850℃，温度梯度为150～230K/cm，淬火速度为50mm/s，最高真空度为5.0×10-3Pa，试样的升降数据精度为±1μm/m。
4.根据权利要求1所述减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：所述铝铜合金中Al:Cu原子百分比为79:21；由此计算各质量百分数为Al:70.42wt.％、Cu:29.58wt.％。
5.根据权利要求3所述减少铝铜合金凝固组织中初生
...【技术特征摘要】
1.一种减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：采用布里奇曼定向凝固技术，通过改变al-cu二元合金凝固过程中的抽拉速率，即抽拉速率从前段的低速跃迁到后段的高速，从而改变凝固组织的特征，减少al-al2cu共晶组织中的al初生相。
2.根据权利要求1所述减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：前段的抽拉距离为0～40mm区间内，抽拉速度为50μm/s；后段的的抽拉距离为41～120mm，抽拉速度为500μm/s。
3.根据权利要求1所述减少铝铜合金凝固组织中初生相数量的方法，其特征在于：布里奇曼定向凝固的工艺参数为：熔炼温度750～850℃，温度梯度为150～230k/cm，淬火速度为50mm/s，最高真空度为5.0×10-3pa，试样的...
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