阅读说明：本技术 高通量块体合金制备装置、方法及应用 (High-throughput block alloy preparation device, method and application ) 是由 李明星 闻平 孟磊 汪卫华 柳延辉 于 2019-02-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种有效的高通量块体合金的制备装置和方法。在现有先进的感应熔炼技术基础上,调控和设计变频电源、电容器、感应线圈和加热坩埚的技术参量,研制出可单批次熔炼合金块材100个以上的实验室用高真空感应炉。该设备最高熔炼温度可达1800-2000℃,能实现监控温度和多个样品形貌的实时记录。从而为高通量实验手段的发展奠定材料基础,加快了合金的开发速度。(The invention relates to an effective high-flux bulk alloy preparation device and method. On the basis of the existing advanced induction melting technology, the technical parameters of a variable frequency power supply, a capacitor, an induction coil and a heating crucible are regulated and designed, and the laboratory high-vacuum induction furnace capable of melting more than 100 alloy blocks in a single batch is developed. The maximum melting temperature of the device can reach 1800-2000 ℃, and the real-time recording of the monitoring temperature and the shapes of a plurality of samples can be realized. Thereby laying a material foundation for the development of high-flux experimental means and accelerating the development speed of the alloy.)

高通量块体合金制备装置、方法及应用

技术领域

本发明属于凝聚态物理和材料科学领域，具体涉及一种高通量块体合金制备装置、方法及应用。

背景技术

合金是由两种或两种以上的金属或非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质，广泛应用于基础设施建设、交通运输、航空航天、加工制造、先进武器、海洋探测、能源、医疗卫生等众多领域。近几十年来，随着科学技术的发展，对合金的特殊要求越来越突出。比如高温合金，耐蚀合金，储氢合金，形状记忆合金等等。那么加快合金材料的开发效率，实现合金块材的高通量制备具有重要意义。

“材料基因组”方法是目前实现合金材料高效开发的一个重要手段。该方法涵盖高通量制备和表征两个主要部分，其中高通量制备是指一次性制备出多个不同成分或不同结构的材料，大大节省材料制备所需的时间和人力；高通量表征是在高通量制备的基础上，快速准确地对多个不同成分或不同结构的材料进行物理，化学性质的测量从而得出统一标准化的材料大数据。所以高通量材料制备是前提和基础。因为只有实现了高通量材料制备，才有可能通过快速表征筛选出满足特定需求的新材料。目前，主要的合金高通量制备方法是气相沉积法，通过制备出具有成分梯度的薄膜材料，实现单批次多样品制备。但是通过组合薄膜难以真正筛选出具有实际应用意义的新材料。对合金材料而言，绝大多数的应用场合需要使用块材。除了化学成分，材料的微观组织对材料的性能也有同样至关重要的影响。薄膜材料和块材因为尺寸存在巨大差异，同样组份的材料在微观组织上明显不同，因此组合薄膜材料很多情况下无法直接显示块体材料的特征和性能，导致降低实验效率，错过很多性能优异的合金材料。

高通量材料制备方法是实现高通量实验手段的重要基础，但是目前仅停留在制备高通量薄膜材料的阶段。块材，特别是块体合金的高通量制备还没有行之有效的方法。对于单个块体合金而言，主要有电阻炉熔炼，电弧熔炼以及感应熔炼。对于一次性熔炼多个不同成分的块体合金(即高通量制备)而言，若用电阻炉熔炼，样品的温度及升温速率难以既快又精确的调节，不利于高通量块体合金微结构的形成和调整。而电弧熔炼的电弧大小难以覆盖住盛放整个高通量块体合金的坩埚，对样品温度的调节也达不到很精确的程度，同时对坩埚的耐热和导热要求也很高。感应熔炼是金属材料加热效率最高、速度最快，低耗节能环保型的感应加热设备。线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物体放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物体，在被加热物体的内部与加热电流相反的方向，便会产生相对应的很大涡电流。由于被加热物体内存在电阻，所以会产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升，达到对所有金属材料加热的目的。通过调节线圈内的电流，可以快速有效的控制金属的温度，从而有效的可控的制备块体合金。

然而高通量块体合金感应熔炼的设备和方法还面临很多问题。首先，高通量制备起步晚，相应的配套设备和设计都很匮乏；其次，高通量制备需要对样品温度精确控制，样品温度和感应线圈的电流控制的自反馈系统较难解决；同时，符合高通量制备的坩埚需要重新匹配。所以，目前还没有高通量块体合金的制备手段和装置。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种有效的高通量块体合金的制备装置和方法。从而为高通量实验手段的发展，加快合金的开发速度奠定基础。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种高通量块体合金的制备装置，所述装置包括：

真空腔室，所述真空腔室包括上端进气口和下端抽气口；

坩埚，用于盛放合金原材料；

石墨套，置于坩埚外保护坩埚；

高频感应加热线圈，置于所述坩埚石墨套的外部；

冷却体，置于坩埚底部，用于加热完冷却坩埚和样品；

测温仪，置于真空腔室顶部，实时测量样品温度，并把温度数据传到控制器上；

反馈控制器，一端接受来自红外测温仪的温度信号，一端向电源输出电流控制信号；

电源，下端与加热线圈相连提供电流，上端与反馈控制器相连；

相机，置于真空腔室顶部，观察记录样品加热冷却的过程；和

真空泵。

根据本发明第一方面的装置，其中，所述坩埚为多孔坩埚；

所述坩埚材料选自以下一种或多种：石墨，氧化铝，氧化铝，氧化锆，氧化钙；优选为石墨；

所述坩埚孔的数量为50～500个，优选为50～200个，更优选为50～100个；

所述坩埚孔的直径为…3～8…mm，优选为…4～7…mm，更优选为…5～6…mm；和/或

所述坩埚孔的深度为3～8mm，优选为4～7mm最优选为5mm。

根据本发明第一方面的装置，其中，所述冷却体带有升降装置；优选地，所述升降装置通过导线连接在外置电机上。

根据本发明第一方面的装置，其中，所述真空泵包括前级机械泵和分子泵组，所述前级机械泵和分子泵组通过蝶阀与所述真空腔室下端抽气口相连，所述前级机械泵为分子泵提供低真空环境，所述分子泵为真空腔室提供高真空环境；

优选地，所述真空泵还包括旁抽机械泵，所述旁抽机械泵通过抽气阀门与所述真空腔室下端抽气口相连，用于抽取所述真空腔室中的废气。

本发明的第二方面提供了一种合金制备方法，所述制备方法采用第一方面所述装置；

优选地，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将不同成分的原料按百分比配好，依次装填入坩埚的小孔内；

(2)将装填好的坩埚放入不锈钢真空腔室，加上石墨套；

(3)通过真空泵对真空腔室进行抽真空，通过进气口充入保护气体；打开相机、测温仪以及反馈控制器，用高频感应加热线圈进行加热；同时相机进行拍摄记录，测温仪把温度数据实时传输至反馈控制器；反馈控制器通过改变高频感应线圈的电流，实现对样品温度的控制；

(4)待所有样品融化完毕，停止加热，使冷却体与坩埚底部相连，使样品降温，同时相机记录冷却过程。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中，所述保护气体选自以下一种或多种：氩气、氮气；优选为氩气。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中，所述高频感应线圈的加热电流为0～70A。

本发明的第三方面提供了第一方面所述的合金制备装置在制备合金块材产品中的应用。

本发明提供一种高通量块体合金的制备装置，包括：

-一不锈钢真空腔室；

-一特制带孔坩埚，用于盛放成分梯度的合金块体原材料；

-一石墨套，置于坩埚外保护坩埚；

-一高频感应加热线圈，置于所述坩埚石墨套的外部；

-一带升降装置的冷却体，置于坩埚底部，用于加热完冷却坩埚和样品的目的，升降装置通过导线连接在外置电机上。

-一高频电源，下端与加热线圈相连提供电流，上端与反馈控制器相连；

-一红外测温仪，置于不锈钢真空腔顶部，实时测量样品温度，并把温度数据传到控制器上；

-一记录反馈控制器，一端接受来自红外测温仪的温度信号，一端向高频电源输出电流控制信号；

-一相机，置于不锈钢真空室顶部，观察记录样品加热冷却的过程；

-一前级机械泵和分子泵组，通过蝶阀与所述不锈钢真空室下端抽气口相连，所述前级机械泵为分子泵提供低真空环境，所述分子泵为不锈钢真空室提供高真空环境；

-一高纯氩气瓶，通过充气阀门与所述不锈钢真空室上端进气口相连；

-一旁抽机械泵，通过抽气阀门与所述不锈钢真空室下端抽气口相连，用于抽取所述不锈钢真空室中的废气。

本发明提供的高通量制备块体合金的方法，是在上述高通量制备块体合金装置上进行的感应熔炼方法，具体包括如下的步骤：

1)准备高通量合金原料：将不同成分的原料按百分比配好，依次装进坩埚的小孔内。每一个小孔对应一种设计的成分，包含了所有这种成分的原料。各原料的尺寸能大于3mm，通常可用棒状或粉状的原料；

2)将步骤1)的坩埚放入不锈钢真空腔室，加上石墨套；

3)通过旁抽机械泵将不锈钢真空室抽真空至10Pa，关闭旁抽机械泵与不锈钢真空室相连的阀门；通过前级机械泵和分子泵组继续将不锈钢真空室抽真空至真空度等于或高于10^-3Pa，关闭该前级机械泵和分子泵组与不锈钢真空室相连的蝶阀；再充入高纯(99.999％)氩气0.02MPa；打开相机、红外测温仪以及反馈系统；用高频感应线圈在设置好的的电流(0-70A)下进行加热；同时相机进行拍摄记录，红外测温仪把温度数据实时传输至反馈系统；反馈系统实时改变高频感应线圈的电流，实现对样品温度的控制；

4)待所有样品融化完毕，高频感应线圈电流归零；同时，启动升降装置，使冷却体与坩埚底部相连，使样品快速降温。同时相机记录冷却的全过程，便于后续各样品微结构的分析。

本发明的高通量块体合金制备和方法是在现有先进的感应熔炼技术基础上，调控和设计变频电源、电容器、感应线圈和加热坩埚的技术参量，研制出可单批次熔炼合金块材100个以上的实验室用高真空感应炉。该设备最高熔炼温度可达1800-2000℃，能实现监控温度和多个样品形貌的实时记录。

本发明可以具有但不限于以下有益效果：

1.可单批次熔炼100个以上不同成分的合金块材，而传统感应熔炼一次只能熔炼一种成分的合金块材，大大加快了材料的制备效率和速度；

2.熔炼温度可以达到1800-2000℃，能达到大部分金属的熔点且加热速率快，温度实时监控且可控；一定程度防止样品氧化；

3.高效成批量调控合金组织结构，实现合金块材的性能优化；

4.获得大量微观组织随成分和工艺参数的变化，建立系统的成分-工艺-结构-性能数据库；

5.促进技术通用化，广泛地用于高温合金、稀土合金材料，高熵合金、形状记忆合金等多种合金研究领域，研发出综合性能优异的新型合金材料。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了根据本发明实施方式的高通量块体合金加热部分装置的示意图。

图2示出了根据本发明实施方式的高通量块体合金装置的特制坩埚实物图。

图3示出了块体合金的相形成与微结构的示意图。

图4示出了根据本发明实施方式的高通量块体合金主体装置的主视图。

图5示出了根据本发明实施方式的高通量块体合金主体装置的左视图。

附图标记说明：

1、不锈钢真空腔室；2、特制坩埚；3、石墨套；4、高频感应线圈；5、冷却体；6、升降装置；7、高频电源；8、红外测温仪；9、记录反馈系统；10、相机；11、进气阀；12、抽气阀；13、合金原料；14、冷却升降杆；15、压力表；16、上观察窗；17、前观察窗；18、加热电极；19、插板阀；20、分子泵；21、升降杆；22、加热电极接口；23、测温电极接口。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的试剂和仪器如下：试剂：

Zr，Cu，Al，Fe，Co，Ni，Ti，Au，Co，V，Y，购自北京佳铭铂业有色金属有限公司。

仪器：

红外测温仪，购自北京物科光电有限公司。

实施例1

本实施例用于说明本发明高通量块体合金装置的结构。

本发明高通量块体合金装置的结构示意图如图1所示，图4和图5分别示出了本发明高通量块体合金装置的主视图和左视图。

本发明的高通量块体合金的制备装置，包括不锈钢真空腔室1、特制坩埚2、石墨套3、高频感应线圈4、冷却体5、升降装置6、高频电源7、红外测温仪8、记录反馈系统9、相机10、进气阀11、抽气阀12、冷却升降杆14、压力表15、加热电极18、插板阀19、分子泵20、升降杆21、加热电极接口22、测温电极接口23。

其中特制带孔坩埚，用于盛放成分梯度的合金块体原材料，所述坩埚材料为石墨；

石墨套，置于坩埚外保护坩埚；

高频感应加热线圈，置于所述坩埚石墨套的外部；

带升降装置的冷却体，置于坩埚底部，用于加热完冷却坩埚和样品的目的，升降装置通过导线连接在外置电机上。

高频电源，下端与加热线圈相连提供电流，上端与反馈控制器相连；

红外测温仪，置于不锈钢真空腔顶部，实时测量样品温度，并把温度数据传到控制器上；

记录反馈控制器，一端接受来自红外测温仪的温度信号，一端向高频电源输出电流控制信号；

相机，置于不锈钢真空室顶部，观察记录样品加热冷却的过程。

本发明的高通量块体合金的制备体系还包括：

前级机械泵和分子泵组，通过蝶阀与所述不锈钢真空室下端抽气口相连，所述前级机械泵为分子泵提供低真空环境，所述分子泵为不锈钢真空室提供高真空环境；

高纯氩气瓶，通过充气阀门与所述不锈钢真空室上端进气口相连；

旁抽机械泵，通过抽气阀门与所述不锈钢真空室下端抽气口相连，用于抽取所述不锈钢真空室中的废气。

表1示出了本发明高通量块体合金装置与传统感应加热装置的对比。

表1本发明高通量块体合金装置与传统感应加热装置对比表

试验例1

本试验例用于说明本发明ZrCuAl高通量块体合金制备。

(1)选取高纯度(>99.9％)的Zr，Cu和Al基片，厚度为0.2mm，用圆形打孔机对材料基片打孔，得到直径为2mm的若干小圆片。每个石墨孔可容纳50个不同成分的金属圆片。针对不同成分配比的ZrCuAl，首先，Al固定为10片，每一个孔Zr从0片到40片，以1片为单位变化依次放入石墨孔内，相应的Cu从40片到0片。从而，在40个石墨孔内每一个孔内的成分依次变化。然后，Al固定为20片，每一个孔Zr从0片到30片，重复上述步骤得到30个不同成分。接着Al固定为30片，Zr,Cu变化0-20片。最后，Al固定为40片，Zr，Cu变化0-10片。总计100种不同成分的样品。分别算出对应需要多少小圆片。将100个不同组分的样品依次装入如图2所示的特制坩埚中。为了防止熔点低的金属先熔化后，包裹住高熔点的金属，按照熔点的高低依次装入，先装入Zr，再放入Cu和Al。坩埚由石墨制成，一共有100个直径为3mm、深度为5mm的圆孔供放入样品，边长为70mm。

(2)将特制坩埚放入图1所示的石墨套3内，便于融化后的冷却放热。

(3)通过旁抽机械泵将不锈钢真空室抽真空至10Pa，关闭旁抽机械泵与不锈钢真空室相连的阀门；通过前级机械泵和分子泵组继续将不锈钢真空室抽真空至真空度等于或高于10^-3Pa，关闭该前级机械泵和分子泵组与不锈钢真空室相连的蝶阀；再充入高纯(99.999％)氩气至0.02MPa；

(4)打开相机，红外测温仪以及反馈系统；用高频感应线圈设置60A电流下进行加热；同时相机进行拍摄记录，红外测温仪把温度数据实时传输至反馈系统；反馈系统实时改变高频感应线圈的电流，使样品升温至1800℃，升温速率约30K/s，保证所有样品融化形成块体合金。

(5)待所有样品融化完毕，高频感应线圈电流归零；同时，启动升降装置，使冷却体与坩埚底部相连，使样品快速降温。同时相机记录冷却的全过程，便于后续各样品微结构的分析。图2为冷却后各块体合金的实物图，可见尽管组成的元素相同，配比不同带来的颜色也大相径庭。

试验例2

本试验例用于说明本发明不同成分高通量块体合金制备。根据试验例1的方法，可以采用不同的合金原料进行合金制备。对于不同的合金原料熔炼条件如表2所示。

表2本发明高通量块体合金装置对不同合金原料的熔炼条件

序号	合金原料	原料配比	熔炼温度	设置电流
					1	Fe,Co,Ni	同试验例1	1600℃	53A
2	Zr,Ti,Al	同试验例1	1800℃	60A
					3	Au,Cu,Zr	同试验例1	1800℃	60A
4	Co,Cu,V	同试验例1	1500℃	50A
					5	Al,Y,Cu	同试验例1	1500℃	50A
6	Zr,Cu	Zr,0-100片，Cu 100-0片	1800℃	60A

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。