一种纳米颗粒改性的均质Zn-Bi偏晶合金的制备方法及其产品与流程
一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法及其产品
技术领域
1.本发明属于偏晶合金的制备技术领域，涉及一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法及其产品。
背景技术：
2.偏晶合金，又称为难混溶合金，它作为结构材料和功能材料在工业界有着广泛的应用，例如：al-bi合金或al-pb合金是一种很好的轴承与自润滑材料，bi-ga合金或cu-pb合金是一种很好的超导材料，zn-bi合金是一种很好的电化学材料。
3.但是对于这类合金在相图上都会有一个明显的两液相不混溶区域，当温度高于难混溶区域的临界温度时，两液相组元能够很好的混合形成单一的溶液；当温度降低至难混溶区域时，单相溶液会变得不稳定，并且受到形核、扩散、凝并、ostwald熟化等影响，此时的第二相组元会迅速的长大形成很大的液滴，这些液滴也会通过碰撞继续长大最终在重力的作用下沉降并形成严重的宏观偏析，导致该类合金的应用失去价值。
4.因此研究通过适当的方法制备出第二相弥散分布的凝固组织成为工业界最重要的问题之一。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
8.(1)将锌粒和铋块组成的混合物置于坩埚中，在惰性气体的保护下，加热至锌粒和铋块全部熔化；
9.(2)在搅拌状态下，向步骤(1)中熔化后的坩埚中加入由锌箔包裹的纳米颗粒，待锌箔全部熔化后，升温至温度达到目标温度，其中目标温度为液相线点温度升高50～200℃，所述液相线点温度为锌箔熔化后锌和铋的配比形成的zn-bi合金的液相线点温度，
10.所述纳米颗粒包括碳化硅(sic)、金属氧化物纳米颗粒、金属碳化物纳米颗粒或金属硼化物纳米颗粒中的任意一种或几种；
11.(3)待步骤(2)中的目标温度稳定后，将超声波探头置于坩埚中的熔体中，超声处理使其分散均匀，即可得到纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金。
12.优选的，步骤(1)中所述混合物中铋块的质量分数为1％-50％。
13.优选的，步骤(1)中所述坩埚为石墨坩埚、氧化铝坩埚或氧化镁坩埚中的任意一种。
14.优选的，步骤(1)中所述加热采用电阻丝加热炉或电磁感应中频加热炉中的任意
一种进行。
15.优选的，步骤(2)中所述搅拌的速率不超过1000rpm。
16.优选的，步骤(2)中所述金属氧化物纳米颗粒包括三氧化二铝(al2o3)或氧化锆(zro)中的任意一种或几种；
17.所述金属碳化物纳米颗粒包括碳化钛(tic)、碳化钨(wc)或碳化钒(vc)中的任意一种或几种；
18.所述金属硼化物纳米颗粒包括硼化钛(tib2)。
19.优选的，步骤(2)中所述纳米颗粒的尺寸为1～500nm，所述纳米颗粒的质量分数不大于锌箔熔化后锌和铋的总质量的30％。
20.2、根据上述制备方法制备的纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金。
21.本发明的有益效果在于：本发明公开了一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法，主要是在zn-bi合金的高温混溶区内将纳米颗粒(添加的纳米颗粒能在zn-bi偏晶合金体系中稳定存在)均匀分散的加入到熔体中，对zn-bi合金进行改性，制备得到bi相尺寸细小且均匀、弥散的分布在基体中的均质zn-bi偏晶合金，主要原因在于：当凝固过程开始合金进入难混溶区域时bi相会从溶液中析出并且开始形核长大；与此同时，纳米颗粒由于表面能的作用会迅速的聚集到正在长大的bi相和zn基体的界面之间，并且在bi相的周围形成一层由纳米颗粒构成的膜(这层膜会限制bi相的继续长大，完全阻断bi相扩散长大的过程)；此外纳米颗粒作为异质形核点能够促进bi相的形核，从而进一步细化bi相。
22.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
23.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
24.图1为zn-bi二元偏晶合金相图；
25.图2为纳米颗粒(tic)改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)的sem图；
26.图3为纳米颗粒(tib2)改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)的sem图。
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.实施例1
29.制备一种纳米颗粒(tic)改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)，具体按照下述步骤进行：
30.(1)称取90g锌粒(zn粒)和10g铋块(bi块)放入氧化铝坩埚中，在ar气体的保护下，在电阻丝加热炉中对氧化铝坩埚进行加热，当温度上升至400℃时坩埚内的金属完全熔化；
31.(2)将一个旋转叶片为石墨的搅拌桨放入到上述坩埚的熔体中进行搅拌(搅拌速率为300rpm)，与此同时将称量好的5g碳化钛(tic)纳米颗粒用zn箔包裹后加入到熔体中，待zn箔完全熔化后，将温度上升至600℃(zn-10wt％bi合金的液相线点温度为360℃)完全进入zn-bi两相混溶区使得zn相和bi相能够很好的互溶；
32.(3)温度稳定后将超声波探头放入熔体中对熔体进行超声波处理，超声波处理20min后，将熔体浇铸于模具中即可获得纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)。
33.实施例2
34.制备一种纳米颗粒改性(tib2)的均质zn-bi偏晶合金(zn-30wt％bi偏晶合金)，具体按照下述步骤进行：
35.(1)称取790g锌粒(zn粒)和30g铋块(bi块)放入氧化铝坩埚中，在ar气体的保护下，在电阻丝加热炉中对氧化铝坩埚进行加热，当温度上升至500℃时坩埚内的金属完全熔化；
36.(2)将一个旋转叶片为石墨的搅拌桨放入到上述坩埚的熔体中进行搅拌(搅拌速率为1000rpm)，与此同时将称量好的10g碳化硼(tib2)纳米颗粒用zn箔包裹后加入到熔体中，待zn箔完全熔化后，将温度上升至650℃(zn-30wt％bi合金的液相线点温度为360℃)完全进入zn-bi两相混溶区使得zn相和bi相能够很好的互溶；
37.(3)温度稳定后将超声波探头放入熔体中对熔体进行超声波处理，超声波处理20min后，将熔体浇铸于模具中即可获得纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-30wt％bi偏晶合金)。
38.图1为不同组成的zn-bi合金的相图。从图1可以看出，实施例1和实施例2中zn-10wt％bi合金和zn-30wt％bi合金的液相线点温度分别为360℃和500℃。
39.对实施例1中制备的纳米颗粒(tic)改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)进行sem测试，其结果如图2所示。对实施例2中制备的纳米颗粒(tib2)改性的均质zn-bi偏晶合金(zn-10wt％bi偏晶合金)进行sem测试，其结果如图3所示。从图2和图3可以看出，白的bi相均匀的分布在了zn基体中，因此tic和tib2两种纳米颗粒均达到了成功对bi进行改性的目的，最终得到bi相尺寸细小且均匀、弥散的分布在基体中的均质zn-bi偏晶合金。
40.综上所述，本发明公开了一种纳米颗粒改性的均质zn-bi偏晶合金的制备方法，主要是在zn-bi合金的高温混溶区内将纳米颗粒(添加的纳米颗粒能在zn-bi偏晶合金体系中稳定存在)均匀分散的加入到熔体中，对zn-bi合金进行改性，制备得到bi相尺寸细小且均匀、弥散的分布在基体中的均质zn-bi偏晶合金，主要原因在于：当凝固过程开始合金进入难混溶区域时bi相会从溶液中析出并且开始形核长大；与此同时，纳米颗粒由于表面能的作用会迅速的聚集到正在长大的bi相和zn基体的界面之间，并且在bi相的周围形成一层由
纳米颗粒构成的膜(这层膜会限制bi相的继续长大，完全阻断bi相扩散长大的过程)；此外纳米颗粒作为异质形核点能够促进bi相的形核，从而进一步细化bi相。
41.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
