基本信息
- 项目名称：
- 金属快速凝固简易装置的制作和新型金属材料制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 现有的常见制备快冷合金的方法概括起来大致可以分为三类：雾化法、快冷制片法和金属自基底快冷法。但其实验装置比较复杂，实验条件苛刻，不易操作。 因此本项目的内容是：设计制作出一套简易、方便的金属快冷凝固装置，达到一定的制冷效果；并以此为基础，利用这套实验装置制备新型的金属材料，以及进一步探索非晶合金的制备方法。测定新型金属材料的组织、结构以及性能。
- 详细介绍：
- 液态金属在一般条件下凝固时，其晶粒组织一般较为粗大。结晶组织对金属铸件的性能和质量有很大的影响。通常晶粒越细，其综合性能越好，且抗疲劳性能也越高。所以，大多数情况下希望获得细密的结晶组织。通常对于一定组成成分的合金，加热到液态经过快速凝固过程后，会形成组织结构细腻的新型金属材料，在特定条件下还会形成非晶合金。 快速凝固可以扩大多数合金的固溶范围，大幅度地减小偏析，以及显著地细化晶粒尺寸，具有显著提高合金的强度和韧性的特点。此外，快冷过程还能使合金中产生出异常的亚稳相和特异结构，它们的存在对合金材料热处理性能有着极为重要的影响。尤其是通过快冷工艺，形成的非晶合金，这种独特的结构，具有金属和玻璃的双重特性，不存在晶界和错位等缺陷。因此表现出较高的强度、硬度、耐磨、耐腐蚀以及良好的硬磁和软磁等性能。 现有的常见制备快冷合金的方法概括起来大致可以分为三类：雾化法、快冷制片法和金属自基底快冷法。但其实验装置比较复杂，实验条件苛刻，不易操作。 鉴于以上情况，在导师的启发指导下，提出本项目，内容是：设计制作出一套简易、方便的金属快冷凝固装置，达到一定的制冷效果；并以此为基础，利用这套实验装置制备新型的金属材料，以及进一步探索非晶合金的制备方法。测定新型金属材料的组织、结构以及性能。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 实验思路： 本实验的基本思路：动力急冷法--模冷技术 1、实验室现有的金属吸铸系统是采用铜模制冷，铜模在吸收金属液体热量之后散热比较困难，导致制冷效果比较差。现我们要在现有的设备的基础上研制一套金属快速凝固简易装置（见附图），并且其性能可以达到一定的制冷效果，满足实验室制备快冷合金的基本要求。并设计一个新型水冷装置，提高热传递速度，最终使装置获得一定的冷却速度，加速熔融的合金快冷、凝固。 2、测试制作完成的金属快速凝固装置，测量该装置快速冷却熔融金属的能力。并与理论期望值作比较，分析产生误差的原因，进一步改进装置。 3、利用制作完成的装置，制备新型金属材料。实验过程中，通过调配金属的组分，合成具有不同组织、结构的新合金。在反复实验的基础上，探索利用这套简易装置制备非晶合金的方法。并测试合金的组织、结构和性能。 4、将理论期望值和实验结果相比较，总结出金属快冷工艺中，不同的冷却速度和不同的金属组分，对制备的新型金属结构、组织和性能的影响，为探索和开发新型金属材料提供一种便捷的实验条件。
科学性、先进性
- 通常对于一定组成成分的合金，加热到液态经过快速凝固过程后，会形成组织结构细腻的新型金属材料，在特定条件下还会形成非晶合金。非晶合金的传统的制作装备复杂且不适用于实验室使用，而我们设计的快速冷却装备，简单有效且方便实验室使用。 通过对现有金属冷却装置的改良，设计并制造出可以生产非晶合金的冷却设备。进一步探索非晶合金的用途和性质，测定新型金属材料的组织、结构以及性能。为实验创造便捷的实验条件。 在上述实验研究，掌握基本科学研究技能，培养执着的科研精神，开拓科学创新的视野。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 设计初期的任务已完成，装置的样品已经完成。下一步的目标是：在实验室，测试实验装置并且做进一步改进。
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 1、冷却装置设备。 2、装置在实验室实际工作的过程。 3、实验所制备的合金样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、 完成金属快速凝固简易装置的制作，其性能可达到与通常水冷铜模装置相当的冷却速度。为实验创造便捷的实验条件。 利用装置成功制备出新型合金，我们争取申报一项专利或在新型金属合金研究方面发表1~2篇学术论文。 2、 通过上述实验研究，掌握基本科学研究技能，培养执着的科研精神，开拓科学创新的视野。
同类课题研究水平概述
- 1960年美国加州理工学院的Duwez教授将熔融态金属通过急冷凝固得到玻璃态Au-Si非晶合金，从此开启了非晶合金发展的新纪元。 由于非晶合金独特的结构，兼有金属和玻璃的特点，如高的综合力学性能、优异的耐腐蚀性能以及良好的软磁和硬磁性能，从而备受人们的关注，成为材料领域又一非常活跃的研究领域。经过数十年的努力，人们在大量的合体体系中获得了非晶，并逐渐建立了非晶形成理论。但是，由于传统非晶合金得玻璃态形成能力很弱，临界冷却速度通常大于106K/s，只能通过熔体急冷的方法来制备，得到的材料是低维的非晶薄带、细丝或粉末，这在很大程度上限制了非晶合金作为结构材料的应用。对能够直接利用传统的缓冷凝固方法制备出块体非晶合金的渴望，促使科学家们不断优化非晶合金的成分设计理论，由此可开发出了一系列块体非晶合金。 Chen首先于70年代初，通过水淬法在石英坩埚中获得了直径1~3mm的Pd-Cu-Si、Pd-Ni—P和Pt-Ni-P合金的非晶棒，这些合金形成非晶的临界冷却速度Rc为100K/s左右。但直到二十世纪八十年代末，对块体非晶合金的研究工作仅局限于Pd基和Pt基等贵重金属体系，使用价值不大，处于探索阶段，从液态金属通过传统的缓冷工艺直接制备出块体非晶的突破性进展是在1989年，日本东北大学Inoue等用研究制备了三元斓基非晶合金。就是年代在Inoue研究的基础上，美国加州理工学院的peke和Johnson获得玻璃形成能力极强的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金，其玻璃形成能力接近传统的氧化物玻璃。 由于非晶合金与晶态合金在结构上存在较大的差别，即长程无序和短程有序。不存在晶界和位错等缺陷，因此表现出高的强度、硬度、耐磨、耐腐蚀积极良好的硬磁和软磁等特性，所以制作金属快冷装置就显示出其的必要性。现有的常见制备快冷合金的方法概括起来大致可以分为三类：雾化法、快冷制片法和金属自基底快冷法。其实验装置比较复杂，实验条件苛刻，不易操作。一般实验室现有的金属吸铸系统是采用铜模制冷，铜模在吸收金属液体热量之后散热比较困难，导致制冷效果比较差。我们通过这个设备实用简单，适合实验室的使用，获得需要的材料性能，同时能然我们深刻认识非晶合金的形成演化规律，用实践来证明理论。
