[发明专利]一种Al-40%Zn合金孪生枝晶的制备方法

说明书

本发明属于金属材料的制备领域，具体涉及一种Al‑40%Zn合金孪生枝晶的制备方法。该制备方法选择高Zn含量Al‑Zn合金（40%Zn）的成分设计，采用定向凝固技术，选取高的定向凝固抽拉速率（900~1100μm/s），利用定向凝固过程中形成熔体内的对流，成功制备了Al‑40%Zn合金孪生枝晶。本发明选取Al‑40%Zn合金作为制备孪生枝晶的合金系，不同于研究报道中低含量Zn（30%Zn以下）的Al‑Zn合金体系，这一成分选择未被报道过，克服了技术偏见。

技术领域

本发明属于金属材料的制备领域，具体涉及一种Al-40%Zn合金孪生枝晶的制备方法。

背景技术

孪生枝晶，又称为羽毛状晶（Feathery grains），也称之为双晶、孪晶、玄武岩状晶等，属于孪晶的一种（Growth twin）。最初发现于半连续铸造铝合金中，是完全不同于常见柱状晶和树枝晶的一种异常晶粒，被称为铸造中的第三类枝晶。之所以称之为羽毛状孪生枝晶，是由于这类枝晶在二维微观组织中其形貌与羽毛相似。研究表明孪生枝晶是在一定条件下得到的一种铸造组织，其最大生长的速度沿着轴向进行，与轴向平行的孪生枝晶具有最强的竞争力，所以其他方向的枝晶很容易被抑制。因而，其生长方向基本与轴向平行，具有强烈的各向异性，且在压力加工过程中不易发生变形和破碎，所以其对合金的微观组织和力学性能起到优化的作用。周尧和等人在上世纪八十年代对单束羽状晶与多束羽状晶的力学性能做过较为系统的工作，并分析了羽状晶层片间距对力学性能的影响，他们发现多束羽状晶相互交叉时形成的网状结构加强了试样在拉伸方向上的连续性，使得力学性能明显提高。因此在合金铸造过程中获得大面积孪生枝晶成为改善合金性能的关键，对它的研究在凝固理论研究和工业应用中有重要价值。

而在孪生枝晶的形成机制的研究中发现，由于孪生枝晶是在结晶前沿液体中的温度梯度十分陡峭、过冷带极为窄小的情况下生成的。因此，当熔体的过热温度很高，铸锭的冷却速度极快，热流从结晶面向单一方向进行扩散以及熔体中的有效活性质点极少时，孪生枝晶很容易产生。基于此，目前普遍研究认为高的温度梯度和强对流，是孪生枝晶产生的必要条件。如在Al-Zn合金中由于Al具有弱的各向异性，在常规凝固过程中易形成粗糙界面，不存在强的生长竞争力，不利于孪生枝晶的形成，但通过研究发现，在一定特殊条件下，如高温度梯度和强烈对流环境中，也可以形成一定的孪生枝晶。定向凝固技术作为特殊的非平衡凝固技术，其凝固过程中具有较高的温度梯度、冷却速率和对流环境，为Al-Zn合金孪生枝晶的形成提供了制备条件。然而，目前研究表明Al-Zn合金中当Zn含量达到40%时，孪生枝晶不再形成，这成为Al-Zn合金孪生枝晶制备过程的瓶颈。因此，能否在高Zn含量Al-Zn合金中制备孪生枝晶成为材料制备的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Al-40%Zn合金孪生枝晶的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种Al-40%Zn合金孪生枝晶的制备方法，该制备方法采用一定向凝固装置，该定向凝固装置包括抽拉杆、加热保温炉及位于其内腔之中的感应线圈、倒梯形石墨套、圆柱形坩埚、“凸”字形连接管、隔热套，连接管的小端与坩埚相适配、大端与抽拉杆相适配，加热保温炉的侧壁与其内腔分别连通设有Ar气管和真空管，Ar气管连接有Ar气罐，真空管依次连接有分子泵、机械泵，加热保温炉的底部与其密封连接有结晶器，结晶器内盛满Ga-In-Sn合金液，结晶器上部位于加热保温炉内腔之中、剩余部分则位于加热保温炉外部，隔热套位于结晶器之上，石墨套位于隔热套之上，感应线圈围绕设在石墨套四周，感应线圈与设置在加热保温炉之外的感应电源相连接，坩埚位于石墨套之中，坩埚和抽拉杆通过连接管的小端插设在坩埚下端、大端套在抽拉杆的上端实现连接，抽拉杆从上至下依次密封贯穿隔热套、结晶器，抽拉杆底部与抽拉装置相连接；

制备步骤如下：

（1）、制备与坩埚形状相适配的圆柱形Al-40%Zn合金样品；