專利名稱：利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及梯度功能材料的制造方法，特別涉及利用雙輥薄帶連鑄制 備自生梯度功能材料的方法。
背景技術(shù)：
梯度功能材料(Functionally gradient materials, FGM)是成分或結(jié)構(gòu) 呈連續(xù)梯度變化的一種新型材料。其主要特征有材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連 續(xù)梯度分布；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性能相應(yīng)呈連續(xù)梯度分布。 FGM設(shè)計的目的在于獲得最優(yōu)化的材料成分與成分分布曲線，從而具有許 多特殊的、設(shè)計性較強的機械、耐腐蝕、電磁及其它性能，其應(yīng)用領(lǐng)域已 擴大至宇航、核能、電磁、化工、生物、醫(yī)學乃至日常生活(王正品等， 金屬功能材料，北京化學工業(yè)出版社，2004， 37)。
梯度功能材料(FGM)制備方法主要包括化學氣相沉積、物理蒸鍍、 離子噴涂、等離子濺射、分子束外延、電沉積、等離子濺射、共晶反應(yīng)、 自蔓延高溫合成、噴涂、燒結(jié)擴散、激光熔覆、離心鑄造、電磁分離等， 但以上制備技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品體積有限，成本高，難以付之于工業(yè)大規(guī)模實 施。
德國專利DE4108203A1首次提出以連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)合金成分呈梯 度變化材料的設(shè)想。其特征在于采用初級、次級兩級結(jié)晶器，首先讓不同 的金屬液在各自初級結(jié)晶器里部分凝固，隨后在次級結(jié)晶器內(nèi)金屬相互擠 壓而熔合，從而獲得成分連續(xù)分布的宏觀組織。
中國專利97103553.9提出以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備FGM的方 法，其特征在于將多種金屬液以分離水口方式連續(xù)注入同一結(jié)晶器，分層 順序凝固，形成連續(xù)光滑的成分梯度分布。
以上方法雖然可設(shè)計性較強，但很難精確控制，在大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)中 存在較大困難。
雙輥薄帶連鑄技術(shù)作為冶金與材料領(lǐng)域的一項前沿技術(shù)，改變了傳統(tǒng)薄型材的生產(chǎn)理念與過程，有利于獲得超細的凝固組織，給冶金業(yè)帶來革
命性的飛躍，如中國專利CN02136304.8。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于鋁 合金、低碳鋼、中碳鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、高速鋼、鎂合金 等材料的制備上。
雙輥薄帶連鑄過程中，金屬液接觸到鑄輥后開始凝固，在兩鑄輥外表 面上形成凝固殼，隨后固-液界面逐漸向液相推進，凝固殼增厚，并在輥隙 附近(Kiss point)相互結(jié)合，從而直接制備出毫米級的金屬帶材("雙輥 薄帶連鑄過程與凝固組織多場耦合數(shù)學模型"，梁高飛等，《鑄造技術(shù)》， 2006， 27 (1):卯)。
因此，雙輥薄帶連鑄工藝為直接制備自生梯度功能材料提供了一條新 思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)在實際工業(yè)生產(chǎn)梯度功能材料中的 局限性，提供一種利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方法，實現(xiàn) 合金元素按性能需求沿材料厚度方向連續(xù)分布，有效解決材料不同部位有 其獨特性能要求的問題。
研究發(fā)現(xiàn)，凝固殼沿鑄輥生長中伴隨著合金元素在固-液界面兩側(cè)的反 偏析，從而導致元素在帶厚方向上呈梯度連續(xù)分布。對于正偏析元素在帶 表面處含量大于平均含量，并沿帶厚方向梯度減小；反之，負偏析元素在 帶表面處含量小于平均含量，并沿帶厚方向梯度增加。元素偏析的程度受 到雙輥薄帶連鑄工藝參數(shù)(帶厚、鑄輥冷卻能力、出帶速率等)以及在凝 固過程中元素之間的相互作用影響。因此，通過對工藝參數(shù)以及元素種類 的控制，可以實現(xiàn)合金元素沿帶厚方向上不同的梯度分布，以滿足材料不 同部位的獨特性能需求。
梯度功能材料基體材料可以為Fe、 Al、 Ti、 Ni、 Mg等，合金元素為 在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的元素，即這類元素在凝固殼-液相附近的分 配系數(shù)(Cs/Cl，式中，Cs:固相濃度；Cl:液相濃度)大于1 (負偏析) 或小于1 (正偏析)。正偏析元素在帶表面處含量最低，并沿帶厚方向增 加，負偏析元素在帶表面處含量最高，并沿帶厚方向減小。通過調(diào)整雙輥薄帶連鑄工藝參數(shù)(澆鑄溫度、出帶速率、鑄輥冷卻能力等)，以及合金 元素在材料凝固過程中的交互作用，控制元素的梯度分布曲線。
本發(fā)明的技術(shù)方案是， 一種利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料
的方法，其包括如下步驟，材料基體為Fe、 Ti、 Ni或Mg中的一種，冶煉
時加入在材料凝固過程中存在正、負偏析的合金元素，然后通過雙輥薄帶
連鑄工藝制造；利用雙輥薄帶連鑄過程中凝固殼沿鑄輥生長時伴隨著這些
合金元素在固-液界面兩側(cè)的反偏析特征，從而使元素在帶厚方向上呈梯度 連續(xù)分布，正偏析元素在帶表面處含量大于平均含量，并沿帶厚方向梯度
減小，負偏析元素在帶表面處含量小于平均含量，并沿帶厚方向梯度增加； 雙輥薄帶連鑄過程中，澆鑄過熱度10 100°C，出帶速率在10 120m/min 之間，鑄輥采用水冷鋼輥或銅輥。
進一步，在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鋼液凝固過程 中偏析合金元素為C、 Mn、 Si、 Cu、 Al、 P、 Cr、 Ni、 Mo、 Ti、 V或W。
在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鈦液凝固過程中偏析合 金元素為V、 Cr、 Sn、 Al、 Fe或C。
在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鎳液凝固過程中偏析合 金元素為Cu、 Si、 Mn、 C、 Mg或Fe。
在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鎂液凝固過程中偏析合 金元素為Al、 Zn、 Mn、 Zr、 RE、 Sc、 Li、 Th或Ca。
以上各種偏析合金元素在上述凝固過程中要么正偏析、或者為負偏析。
以上各種合金元素在液態(tài)金屬中存在相互作用，并影響最終元素沿帶 厚方向的偏析規(guī)律。
本發(fā)明的原理在于利用雙輥薄帶連鑄過程中，凝固殼沿鑄輥生長中伴 隨著合金元素在固-液界面處的反偏析特征，從而直接獲得成分(或結(jié)構(gòu)) 在帶厚方向上呈梯度分布的金屬材料。薄帶連鑄過程中，三角熔池底部出 現(xiàn)"W"型凝固殼，形成"三明治"結(jié)構(gòu)。其中，"W"谷底為最終凝固 部位，從而形成一層反偏析帶。
材料基體可以為Fe、 Ti、 Ni、 Mg等，冶煉時加入一些在材料凝固過 程中存在偏析的合金元素，然后通過雙輥薄帶連鑄工藝制造。利用雙輥薄帶連鑄過程中凝固殼沿鑄輥生長時伴隨著這些合金元素在固-液界面兩側(cè) 的反偏析特征，從而使元素在帶厚方向上呈梯度連續(xù)分布，正偏析元素在 帶表面處平均含量最高，并沿帶厚方向梯度減小，負偏析元素在帶表面處 平均含量最高，并沿帶厚方向梯度增加。通過調(diào)整雙輥薄帶連鑄工藝參數(shù) (澆鑄溫度、出帶速率、鑄輥冷卻能力等)，澆鑄過熱度10 100°C，出帶
速率在10 120m/min之間，鑄輥采用水冷鋼輥或銅輥，利用合金元素在材 料凝固過程中的交互作用，影響元素的梯度分布曲線，以滿足材料在實際 應(yīng)用時不同部位的獨特性能需要。 本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明利用雙輥薄帶連鑄過程中，凝固殼沿鑄輥生長中伴隨著合金元 素在固-液界面處的反偏析特征，直接獲得成分在帶厚方向上呈梯度分布的 金屬材料，滿足材料服役過程中不同部位的獨特性能需求。本發(fā)明豐富了 梯度功能材料(FGM)的種類，生產(chǎn)成本低，使用范圍廣，可以實現(xiàn)工業(yè) 大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。


圖1為雙輥薄帶連鑄示意圖2為雙輥薄帶連鑄過程中凝固殼生長示意圖3為凝固殼生長過程中合金元素在固-液界面處偏析示意圖4為本發(fā)明實施例1樣品(用于耐腐蝕領(lǐng)域)薄帶連鑄過程中鑄軋 薄帶在線照片；
圖5為本發(fā)明實施例1樣品的金相組織示意圖6為本發(fā)明實施例1樣品P元素在帶厚方向上的分布情況示意圖。
具體實施例方式
參見圖1、圖2，中間包3中的鋼液4通過鋼液分配器2和鋼液布流 器1進入雙結(jié)晶輥5、 6組成的熔池中，熱量通過水冷結(jié)晶輥傳遞并帶走， 薄帶坯在兩結(jié)晶輥5、 6之間鑄軋成帶。圖2中，兩水冷結(jié)晶輥5、 6繞其 水平軸相向旋轉(zhuǎn)，液態(tài)金屬在鑄輥中間凝固，形成兩凝固殼，并在輥隙附 近8 (Kiss point/nip point)相互結(jié)合禱車L成帶7。圖3為凝固殼生長過程中合金元素在固-液界面處偏析示意圖；圖3 中，S為固相(凝固殼)，L為液相，K為元素/的平衡分配系數(shù)，C,為 元素/的含量。
實施例1 '
合金化學成分(wt.%) : 0.10 C、 0.30 Si、 0.50 Mn、 0.07 P、 0.008 S、 0.060 Ni、 0.15 Cr、 0.083 Cu， Fe余量。雙輥薄帶連鑄(原理見圖1)，出 帶速率在10 120m/min之間，從而獲得P等元素在帶表面處含量(平均) 高，并沿帶厚方向遞減的自生梯度功能材料，鑄軋薄帶在線照片如圖4所 示，顯微組織見圖5所示，P分布見圖6所示。
從圖4中可以看出，薄帶邊部質(zhì)量良好，沿厚度方向溫度較為均勻。 圖5中實施例1樣品的金相組織為魏氏組織。圖6為實施例1樣品P元素 在帶厚方向上的分布情況。在圖6中，P元素在帶表面處含量(平均)高， 并沿帶厚方向遞減。從而形成梯度分布的非晶態(tài)羥基氧化鐵致密保護膜， 使材料的耐腐蝕性能呈連續(xù)梯度分布，并有利于避免材料在加熱及其熱加 工過程中開裂。
實施例2
合金化學成分(wt.%) : 0.10 C、 0.30 Si、 0.50 Mn、 0.12 P、 0.008 S、 3.0 Ni、 0.15Cr、 0.10Cu2， Fe余量。雙輥薄帶連鑄(原理見圖1)，出帶 速率在10 120m/min之間，從而獲得P等元素在帶表面處含量(平均)高， 并沿帶厚方向遞減的自生梯度功能材料。
實施例3
合金化學成分(wt.%) : 0.06C， 17.08 Cr， 8.36 Ni， 0.63 Si， 0.70 Mn， 0.024 P， 0.012 S， Fe余量。雙輥薄帶連鑄(原理見圖1)，出帶速率在 40 110m/min之間，從而獲得Ni元素在帶表面處含量(平均)低，并沿 帶厚方向連續(xù)增加，而Cr元素在帶表面處含量(平均)高，并沿帶厚方 向連續(xù)減小的自生梯度功能材料。
本發(fā)明通過成分設(shè)計與雙輥薄帶連鑄工藝參數(shù)控制，獲得所需要的合金元素梯度分布曲線，以滿足材料服役過程中不同部位的獨特性能需求。 本發(fā)明豐富了梯度功能材料(FGM)的種類，生產(chǎn)成本低，使用范圍廣， 可以實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方法，其包括如下步驟，材料基體為Fe、Ti、Ni或Mg中的一種，冶煉時加入在材料凝固過程中存在正、負偏析的合金元素，然后通過雙輥薄帶連鑄工藝制造；利用雙輥薄帶連鑄過程中凝固殼沿鑄輥生長時伴隨著這些合金元素在固-液界面兩側(cè)的反偏析特征，從而使元素在帶厚方向上呈梯度連續(xù)分布，正偏析元素在帶表面處含量大于平均含量，并沿帶厚方向梯度減小，負偏析元素在帶表面處含量小于平均含量，并沿帶厚方向梯度增加；雙輥薄帶連鑄過程中，澆鑄過熱度10～100℃，出帶速率在10～120m/min之間，鑄輥采用水冷鋼輥或銅輥。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方 法，其特征是，在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鋼液凝 固過程中偏析合金元素為C、 Mn、 Si、 Cu、 Al、 P、 Cr、 Ni、 Mo、 Ti、 V或W。
3. 如權(quán)利要求1所述的利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方 法，其特征是，在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鈦液凝 固過程中偏析合金元素為V、 Cr、 Sn、 Al、 Fe或C。
4. 如權(quán)利要求1所述的利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方 法，其特征是，在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鎳液凝 固過程中偏析合金元素為Cu、 Si、 Mn、 C、 Mg或Fe。
5. 如權(quán)利要求1所述的利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方 法，其特征是，在雙輥薄帶連鑄過程存在偏析的合金元素，在鎂液凝 固過程中偏析合金元素為Al、 Zn、 Mn、 Zr、 RE、 Sc、 Li、 Th或Ca。
6. 如權(quán)利要求1所述的利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方 法，其特征是，自生功能梯度材料中正偏析元素在帶表面處含量大于 平均含量，并沿帶厚方向梯度減小，負偏析元素在帶表面處含量小于 平均含量，并沿帶厚方向梯度增加。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用雙輥薄帶連鑄制備自生梯度功能材料的方法，其特征為材料基體為Fe、Ti、Ni、Mg，冶煉時加入一些在材料凝固過程中存在偏析的合金元素，然后通過雙輥薄帶連鑄工藝制造。利用雙輥薄帶連鑄過程中凝固殼沿鑄輥生長時伴隨著這些合金元素在固-液界面兩側(cè)的反偏析特征，從而使元素在帶厚方向上呈梯度連續(xù)分布，正偏析元素在帶表面處平均含量高，并沿帶厚方向梯度減小，負偏析元素在帶表面處平均含量低，并沿帶厚方向梯度增加。利用合金元素在材料凝固過程中的交互作用，影響元素的梯度分布曲線，以滿足材料在實際應(yīng)用時不同部位的獨特性能需要。該材料生產(chǎn)成本低，使用范圍廣，可以實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模連續(xù)制造。
文檔編號B22D11/16GK101314178SQ20071004133
公開日2008年12月3日 申請日期2007年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月28日
發(fā)明者艷 于, 葉長宏, 吳建春, 園 方, 梁高飛 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司