2-9、Al-Zn-Mg-Cu合金棒材的螺旋梯度连铸与高通量表征

李静媛^*，祁明凡，徐玉召

北京科技大学材料科学与工程学院

摘要：高通量制备是高通量实验技术的核心，是材料基因工程开展实验验证、获取海量数据的重要方法和手段。为了满足合金结构材料开展拉伸、冲击等力学性能测试的要求，需要高通量制备出大尺寸的合金试样，并使之尽可能与规模化产品的组织、结构、性能相近，从而保证高通量实验数据的可靠性。

本文介绍了一种采用普通熔炼铸造方式进行合金材料高通量制备的新方法——螺旋梯度连铸高通量制备技术。通过该方法可以制备成分梯度分布的合金棒材，其制备过程是将多种原料粉末/颗粒通过自动调节的送料器逐步送入混合料斗，然后流入熔腔；熔腔内放置有紧贴内壁的螺旋杆，混合粉粒顺着螺旋杆螺棱间隙旋转流下并逐步熔化；最后经底部结晶器凝固后拉出。依据进料系统不断调节变化的进料时间流量，合金组元配比不断变化，所制得的合金棒材成分呈现梯度变化。

利用该方法，对高强高韧7000系Al-Zn-Mg-Cu四元铝合金的成分-组织-性能开展了高通量实验研究，并与7136、7056、7055等牌号的铝合金产品开展了对比分析。首先选用纯Al、纯Zn、纯Mg及Al-50.8wt.%Cu中间合金颗粒作为原料，通过作者研制开发的螺旋梯度连铸设备试制了一组不同组合方式的、直径30mm、长度500mm的Al-(0-15)Zn-(0-5)Mg-(0-5)Cu四元铝合金成分梯度分布棒材，并对梯度棒材完成了均质化及时效热处理实验。分别利用OPA-100金属原位分析仪和微束X荧光原位统计分析系统，对梯度棒材进行了化学成分分布高通量表征，利用原位连续压痕高通量硬度测试仪对梯度棒材的硬度分布进行了高通量表征。在此基础上，利用常规的显微硬度仪、电导率分析仪、剥落腐蚀试验、多通道电化学阻抗分析等试验方法，对不同成分的合金进行了相关性能的高通量检测和快速筛选。在此基础上，对梯度棒材中化学成分符合7136、7056、7055等铝合金成分范围的棒材区域，进行了显微组织观察、硬度测量，并与商用铝合金进行了对比。结果表明，高通量制备棒材的成分、组织、性能与商用铝合金基本吻合。

通过本论文的实验研究发现，螺旋梯度连铸方法可以实现合金棒材成分梯度变化，一次制备出多种成分的合金试样。未来，通过进一步改进螺旋杆、熔腔材质，优化进料结构，有望实现微合金化材料、高熵合金、钢铁材料、铜合金、钛合金等高熔点合金材料的高通量制备。利用本制备技术，结合成分、组织、性能的高通量表征技术，可用于新合金材料的快速筛选，有望为材料基因工程数据库、数据挖掘、机器学习等研究提供大量材料数据。

关键词：材料基因工程；高通量制备；螺旋梯度连铸；铝合金

通讯作者：李静媛，电话：010-82376939，email：lijy@ustb.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.209