基本信息
- 項目名稱：
- 金屬快速凝固簡易裝置的制作和新型金屬材料制備
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 現(xiàn)有的常見制備快冷合金的方法概括起來大致可以分為三類：霧化法、快冷制片法和金屬自基底快冷法。但其實驗裝置比較復雜，實驗條件苛刻，不易操作。 因此本項目的內容是：設計制作出一套簡易、方便的金屬快冷凝固裝置，達到一定的制冷效果；并以此為基礎，利用這套實驗裝置制備新型的金屬材料，以及進一步探索非晶合金的制備方法。測定新型金屬材料的組織、結構以及性能。
- 詳細介紹：
- 液態(tài)金屬在一般條件下凝固時，其晶粒組織一般較為粗大。結晶組織對金屬鑄件的性能和質量有很大的影響。通常晶粒越細，其綜合性能越好，且抗疲勞性能也越高。所以，大多數(shù)情況下希望獲得細密的結晶組織。通常對于一定組成成分的合金，加熱到液態(tài)經(jīng)過快速凝固過程后，會形成組織結構細膩的新型金屬材料，在特定條件下還會形成非晶合金。 快速凝固可以擴大多數(shù)合金的固溶范圍，大幅度地減小偏析，以及顯著地細化晶粒尺寸，具有顯著提高合金的強度和韌性的特點。此外，快冷過程還能使合金中產(chǎn)生出異常的亞穩(wěn)相和特異結構，它們的存在對合金材料熱處理性能有著極為重要的影響。尤其是通過快冷工藝，形成的非晶合金，這種獨特的結構，具有金屬和玻璃的雙重特性，不存在晶界和錯位等缺陷。因此表現(xiàn)出較高的強度、硬度、耐磨、耐腐蝕以及良好的硬磁和軟磁等性能。 現(xiàn)有的常見制備快冷合金的方法概括起來大致可以分為三類：霧化法、快冷制片法和金屬自基底快冷法。但其實驗裝置比較復雜，實驗條件苛刻，不易操作。 鑒于以上情況，在導師的啟發(fā)指導下，提出本項目，內容是：設計制作出一套簡易、方便的金屬快冷凝固裝置，達到一定的制冷效果；并以此為基礎，利用這套實驗裝置制備新型的金屬材料，以及進一步探索非晶合金的制備方法。測定新型金屬材料的組織、結構以及性能。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 實驗思路： 本實驗的基本思路：動力急冷法--模冷技術 1、實驗室現(xiàn)有的金屬吸鑄系統(tǒng)是采用銅模制冷，銅模在吸收金屬液體熱量之后散熱比較困難，導致制冷效果比較差?，F(xiàn)我們要在現(xiàn)有的設備的基礎上研制一套金屬快速凝固簡易裝置（見附圖），并且其性能可以達到一定的制冷效果，滿足實驗室制備快冷合金的基本要求。并設計一個新型水冷裝置，提高熱傳遞速度，最終使裝置獲得一定的冷卻速度，加速熔融的合金快冷、凝固。 2、測試制作完成的金屬快速凝固裝置，測量該裝置快速冷卻熔融金屬的能力。并與理論期望值作比較，分析產(chǎn)生誤差的原因，進一步改進裝置。 3、利用制作完成的裝置，制備新型金屬材料。實驗過程中，通過調配金屬的組分，合成具有不同組織、結構的新合金。在反復實驗的基礎上，探索利用這套簡易裝置制備非晶合金的方法。并測試合金的組織、結構和性能。 4、將理論期望值和實驗結果相比較，總結出金屬快冷工藝中，不同的冷卻速度和不同的金屬組分，對制備的新型金屬結構、組織和性能的影響，為探索和開發(fā)新型金屬材料提供一種便捷的實驗條件。
科學性、先進性
- 通常對于一定組成成分的合金，加熱到液態(tài)經(jīng)過快速凝固過程后，會形成組織結構細膩的新型金屬材料，在特定條件下還會形成非晶合金。非晶合金的傳統(tǒng)的制作裝備復雜且不適用于實驗室使用，而我們設計的快速冷卻裝備，簡單有效且方便實驗室使用。 通過對現(xiàn)有金屬冷卻裝置的改良，設計并制造出可以生產(chǎn)非晶合金的冷卻設備。進一步探索非晶合金的用途和性質，測定新型金屬材料的組織、結構以及性能。為實驗創(chuàng)造便捷的實驗條件。 在上述實驗研究，掌握基本科學研究技能，培養(yǎng)執(zhí)著的科研精神，開拓科學創(chuàng)新的視野。
獲獎情況及鑒定結果
- 暫無
作品所處階段
- 設計初期的任務已完成，裝置的樣品已經(jīng)完成。下一步的目標是：在實驗室，測試實驗裝置并且做進一步改進。
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 1、冷卻裝置設備。 2、裝置在實驗室實際工作的過程。 3、實驗所制備的合金樣品。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1、 完成金屬快速凝固簡易裝置的制作，其性能可達到與通常水冷銅模裝置相當?shù)睦鋮s速度。為實驗創(chuàng)造便捷的實驗條件。 利用裝置成功制備出新型合金，我們爭取申報一項專利或在新型金屬合金研究方面發(fā)表1~2篇學術論文。 2、 通過上述實驗研究，掌握基本科學研究技能，培養(yǎng)執(zhí)著的科研精神，開拓科學創(chuàng)新的視野。
同類課題研究水平概述
- 1960年美國加州理工學院的Duwez教授將熔融態(tài)金屬通過急冷凝固得到玻璃態(tài)Au-Si非晶合金，從此開啟了非晶合金發(fā)展的新紀元。 由于非晶合金獨特的結構，兼有金屬和玻璃的特點，如高的綜合力學性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及良好的軟磁和硬磁性能，從而備受人們的關注，成為材料領域又一非?；钴S的研究領域。經(jīng)過數(shù)十年的努力，人們在大量的合體體系中獲得了非晶，并逐漸建立了非晶形成理論。但是，由于傳統(tǒng)非晶合金得玻璃態(tài)形成能力很弱，臨界冷卻速度通常大于106K/s，只能通過熔體急冷的方法來制備，得到的材料是低維的非晶薄帶、細絲或粉末，這在很大程度上限制了非晶合金作為結構材料的應用。對能夠直接利用傳統(tǒng)的緩冷凝固方法制備出塊體非晶合金的渴望，促使科學家們不斷優(yōu)化非晶合金的成分設計理論，由此可開發(fā)出了一系列塊體非晶合金。 Chen首先于70年代初，通過水淬法在石英坩堝中獲得了直徑1~3mm的Pd-Cu-Si、Pd-Ni—P和Pt-Ni-P合金的非晶棒，這些合金形成非晶的臨界冷卻速度Rc為100K/s左右。但直到二十世紀八十年代末，對塊體非晶合金的研究工作僅局限于Pd基和Pt基等貴重金屬體系，使用價值不大，處于探索階段，從液態(tài)金屬通過傳統(tǒng)的緩冷工藝直接制備出塊體非晶的突破性進展是在1989年，日本東北大學Inoue等用研究制備了三元斕基非晶合金。就是年代在Inoue研究的基礎上，美國加州理工學院的peke和Johnson獲得玻璃形成能力極強的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金，其玻璃形成能力接近傳統(tǒng)的氧化物玻璃。 由于非晶合金與晶態(tài)合金在結構上存在較大的差別，即長程無序和短程有序。不存在晶界和位錯等缺陷，因此表現(xiàn)出高的強度、硬度、耐磨、耐腐蝕積極良好的硬磁和軟磁等特性，所以制作金屬快冷裝置就顯示出其的必要性。現(xiàn)有的常見制備快冷合金的方法概括起來大致可以分為三類：霧化法、快冷制片法和金屬自基底快冷法。其實驗裝置比較復雜，實驗條件苛刻，不易操作。一般實驗室現(xiàn)有的金屬吸鑄系統(tǒng)是采用銅模制冷，銅模在吸收金屬液體熱量之后散熱比較困難，導致制冷效果比較差。我們通過這個設備實用簡單，適合實驗室的使用，獲得需要的材料性能，同時能然我們深刻認識非晶合金的形成演化規(guī)律，用實踐來證明理論。
