[发明专利]一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统及方法

说明书

本发明一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统及方法，该装置包括自动供料装置、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置和PLC控制装置。方法为：置于自动供料装置上的棒料在PLC控制下进入电极感应熔炼线圈进行预熔炼，并按照预先设定的添加量给转动到下方的原料坩埚进行供料，置于平台上的坩埚在坩埚升降机构的作用下进入电磁感应熔炼线圈进行精炼合金化及后续热处理，待坩埚完成合金配置和熔炼后，可以得到一批同实验条件下的多成分、多尺度、轻量型铸锭，从而实现金属材料试样的高通量制备。本发明装置工序便捷，结构简单，在同一设备上实现了母料定量配置、熔炼、合金化等多道工序，连续性作业，可高通量连续熔铸金属样品。

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，涉及一种高通量连续熔炼制备金属材料的新装置及技术。通过该装置及技术可以在极短的时间内快速大量地制备不同合金成分的金属合金材料；同时通过该装置及技术制备得到的金属材料无论在尺寸还是质量上都能满足后续热加工、热处理及性能检测。

背景技术

开发新型金属材料的主要方向就是成分的设计和优化。通过少量合金元素匹配大幅度提高材料性能的微合金化技术，在提高材料性能的同时又不显著提升原料和工艺成本，是开发新型金属材料的首选技术。一直以来，新材料的研发遵循着迭代循环与试错的研发模式，改变一个成分就要经全流程的工艺过程，研发投入周期长、成本高，严重制约了新材料的开发和应用。因此，革新材料的研发模式，加速材料从研究到应用的进程势在必行。材料基因工程提出了变革性的新材料研发模式。

“材料基因工程”计划是以大数据作为支撑，采用高通量设计、制备和表征技术，促使材料研究从传统的试错模式转向低成本、快速响应的新模式，从而加快新材料的研发速度，实现研发成本和周期“双减半”的目标。

“材料高通量制备”是指在短时间内完成大量样品的制备，以期待将传统材料研究的迭代试错转变为并行处理的研究模式，以量变引起效率的质变。经过近10年的探索发展，扩散多元节法、“喷印”合成法、选择性激光熔覆以及磁控溅射等技术也被广泛应用于二维金属材料(如薄膜、涂层的高通量制备。但对于块材材料的高通量制备技术却报道寥寥。

近期公开的中国发明专利CN109211655，公开了一种高通量且连续快速制备合金样品的系统及方法，该装置具有自动配料系统和取样系统、连续转动系统，加热熔炼装置，基于上述四个系统构建了一种半封闭式的连续熔炼技术，实现Al、Mg等合金材料的高效率制备，单个样品的质量≦100g。中国发明专利CN105903931，公开了一种阵列式块体非晶合金的高通量制备装置及方法，详细描述该设备和技术方法，解决了传统装置一次只能制备一个样品的问题,可同时制备出10多种非晶块体材料,大幅度的降低了非晶合金制备的成本以及提升了非晶合金制备效率。

金属材料的制备流程通常包括熔铸-锻造-轧制-热处理-性能分析，制备样品需要具备一定尺寸才能够进行加工处理。熔铸是制备金属材料的第一步，其洁净化和均匀化程度直接决定了钢的后期热机械加工、热处理和材料性能。洁净化冶炼是提高金属材料性能的前提。合金钢、高温合金、钛合金等金属材料，要求高真空气氛熔炼、严格控制氧含量。虽然真空冶炼技术已经成熟，但如何实现真空气氛下的高通量制备面临极大的计算和装备上的挑战，尚未发现有相关报道。特别是冶炼的金属铸锭需要通过锻造轧制等热加工和热处理，才能获得材料性能，因此单个样品必须具备一定大的质量和尺寸，才能实现锻造轧制。如何实现大尺寸样品的高通量制备是装置和技术面临的有一个难题。

发明内容

本发明提供了一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统和技术，通过电极感应熔化、高通量旋转坩埚的浇注、合金化精炼、感应加热热处理，实现不同微合金成分材料的高通量制备。全部熔化、浇注和热处理均可在真空腔室内完成，保证了金属材料中氧含量的控制和洁净化。

本发明技术方案如下：一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统，系统包括自动供料装置、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置、PLC控制装置。