專利名稱：強磁場下制備鋁基復(fù)合材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料，特別是涉及一種高性能鋁基復(fù)合材料的制備方法及裝置。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料兼?zhèn)浣饘俸驮鰪姴牧系男阅芴攸c，具有良好的綜合性能，是外層空間結(jié)構(gòu)及汽車制造領(lǐng)域等一些工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用前景的材料。由于金屬基復(fù)合材料研究較晚，總的來說，金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)水平大部分還處于實驗室研究階段，只有一小部分實現(xiàn)了工業(yè)化。目前，在晶須(短纖維)、顆粒增強的金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)中，已開發(fā)出粉末冶金、攪拌熔鑄、壓力浸漬、共噴沉積和原位生成等生產(chǎn)工藝。其中，粉末冶金法雖然工藝相對成熟，但材料成本較高，制造尺寸大的坯料有一定的困難。液態(tài)金屬鑄造法適合于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，工藝過程簡單，制造成本低廉。但在利用液態(tài)金屬鑄造法制備金屬基復(fù)合材料的過程中，由于增強顆粒的沉積、漂浮和團聚造成增強顆粒在金屬基體中分布不均勻；由于晶須或者短纖維等增強材料在金屬基體中往往成無序雜亂分布狀態(tài)，造成增強材料排列取向系數(shù)不高。這些問題恰恰是提高金屬基復(fù)合材料綜合性能的關(guān)鍵所在，它們嚴重阻礙著金屬基復(fù)合材料的進一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述金屬基復(fù)合材料所存在的問題，研制出一種鋁基復(fù)合材料的制備方法及其裝置，達到增強顆粒在金屬基體中均勻分布，增強短纖維定向排列，提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是首先取金屬鋁作為金屬基體，加入金屬包中，加熱至850℃，保溫30分鐘，以10～30％(體積)的比例加入經(jīng)過表面處理的Al2O3顆粒(短纖維)，攪拌15分鐘，放入固定鑄模中，在強磁場控制系統(tǒng)中凝固20分鐘至640℃后空冷至室溫，最終制取鋁基復(fù)合材料。
上述鋁基復(fù)合材料的制備裝置是由一個金屬包(1)，加熱系統(tǒng)(2)，熱電偶(3)，增強體輸送管(4)，攪拌線圈(5)，固定鑄模(9)，支座(10)，及真空室或保護氣氛室(13)構(gòu)成，其特征是采用了一個能使金屬熔體凝固的、由強磁場發(fā)生器(6)，冷卻水管(7)，報警及溫控裝置(8)組成的強磁場控制系統(tǒng)。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，最大的優(yōu)點是，在制備鋁基復(fù)合材料過程中，利用了強磁場的微(超)重力效果，晶體擇優(yōu)取向效果和對流抑制效果以及交流磁場引起的電磁攪拌效果來改善材料的凝固組織，其顯著的效果是提高了增強顆粒分布均勻度，促進晶須或短纖維等增強材料的結(jié)晶取向效果，使增強晶須或短纖維按要求的方向擇優(yōu)排列，從而達到提高復(fù)合材料的綜合性能效果。本發(fā)明制備裝置同時還適用于其它金屬基復(fù)合材料和難混溶合金的生產(chǎn)，不僅可以生產(chǎn)出如上述鋁基復(fù)合材料同樣優(yōu)良效果的金屬基復(fù)合材料，同時對難混溶合金可以達到改善密度偏析現(xiàn)象，并促進第二相的彌散分布。此外，還可以通過大小和方向可控的磁力，促使金屬基復(fù)合材料中的增強顆粒和合金中的某一組元在所要求的金屬或合金表面富集或貧化。


圖1是本發(fā)明的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是報警及溫控裝置示意圖。
圖1中所示，1金屬包，2加熱系統(tǒng)，3熱電偶，4增強體輸送管，5攪拌線圈，6強磁場發(fā)生器，7冷卻水管，8報警及溫控裝置，9固定鑄模，10支座，11保溫層，12滑動水口，13真空室或保護氣氛室，14金屬溶體，15報警及控制裝置探頭。
圖2中所示8a、8b、8e、8f、8g均為數(shù)控溫度儀的接線柱具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細闡述圖1中，其裝置的構(gòu)成分上下兩部分，上部分由金屬包(1)，電阻加熱或者感應(yīng)加熱系統(tǒng)(2)，熱電偶(3)(市場購置)通過密封圈固定在真空室(13)的外壁上，在其加熱系統(tǒng)(2)外圍繞有銅制的攪拌線圈(5)或者在金屬包(1)內(nèi)裝配機械攪拌器，增強體輸送管(4)通過密封圈固定在真空室(13)的外壁上；下部分的固定鑄模(9)，固定在支座(10)上，固定鑄模(9)內(nèi)裝有一個熱電偶(3)，其外壁上包有保溫材料(11)，選用硅酸鋁纖維，保溫層厚度為25mm。在固定鑄模(9)與強磁場發(fā)生器(6)(市場購買，可用強磁場空間為φ10cm～1m，磁場感應(yīng)強度0～20T)之間，裝有進、出冷卻水管(7)，通過法蘭、螺絲固定在真空室(13)的外壁上，在冷卻水管(7)外壁上裝有報警與溫控裝置(8)的探頭(15)，探頭(15)通過導(dǎo)線與真空室(13)外的報警與溫控裝置(8)上的(8a)、(8b)接線柱連接。上、下兩部分之間通過滑動水口(12)使金屬包(1)下面出口與固定鑄模(9)進口連接；其上、下兩部分全部封閉在真空室(13)內(nèi)。上述整個制備裝置的各種部件均選用非磁性材料，如不銹鋼304，銅及耐火材料等。
制備本發(fā)明鋁基復(fù)合材料，首先取金屬鋁作為金屬基體，加入到金屬包中，加熱至850℃，保溫30分鐘，以10～30％(體積)的比例加入經(jīng)過表面超聲波洗凈處理的Al2O3顆粒(短纖維)，電磁攪拌15分鐘，攪拌頻率30Hz，攪拌電流強度1500A，在金屬熔體(14)充分熔化后，打開滑動水口(12)，將金屬熔體(14)放入固定鑄模(9)中，使金屬熔體(14)置于強磁場控制系統(tǒng)中凝固，強磁場發(fā)生器的磁場感應(yīng)強度最佳選用10T，凝固速度10.5℃/min，凝固20分鐘至640℃后空冷至室溫，最終制取鋁基復(fù)合材料。
上述鋁基復(fù)合材料的制備過程的報警及溫度控制是通過報警及溫控裝置(8)來實施。如圖2所示，當報警及控制裝置探頭(15)測到的溫度傳至數(shù)控溫度儀接線柱(8a)、(8b)后，若溫度低于或高于設(shè)定的控制溫度，通過接線柱(8e)傳至蜂鳴器，蜂鳴器報警，通過繼電器自動控制水冷卻系統(tǒng)(7)的開關(guān)閉合，調(diào)整溫度達到控制溫度范圍，以保證正常的生產(chǎn)過程，獲得最終合格的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種鋁基復(fù)合材料的制備方法，以金屬鋁作為金屬基體，Al2O3顆粒(短纖維)為增強體，首先將金屬鋁加熱至850℃，保溫30分鐘，其特征是以10～30％的體積比例加入經(jīng)過表面處理的Al2O3顆粒(短纖維)，攪拌15分鐘后，將金屬鋁基熔體放入固定鑄模，在強磁場控制系統(tǒng)中凝固20分鐘至640℃后空冷至室溫，獲取金屬鋁基復(fù)合材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是Al2O3顆粒(短纖維)經(jīng)過表面超聲波洗凈處理后加入金屬鋁基熔體中。
3.按照權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是攪拌采用電磁攪拌，攪拌頻率為0～50赫茲，攪拌電流強度為1000～2500A。
4.按照權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是金屬鋁基熔體在強磁場控制系統(tǒng)中的凝固速度最佳為10.5℃/min。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是強磁場控制系統(tǒng)中的強磁場發(fā)生器的磁感應(yīng)強度最佳選用10T。
6.一種鋁基復(fù)合材料的制備裝置，分上下兩部分，上部有一個金屬包(1)，外面裝有加熱系統(tǒng)(2)和攪拌線圈(5)，金屬包(1)上裝有熱電偶(3)和增強體輸送管(4)，其下部有一個固定鑄模(9)，裝在支座(10)上，通過滑動水口(12)，使金屬包(1)下面出口與固定鑄模(9)進口連接，上、下兩部均置于真空室或保護氣氛室(13)中，其特征是采用了一個能使金屬鋁熔體(14)凝固的，由強磁場發(fā)生器(6)、冷卻水管(7)、報警及溫控裝置(8)、保溫層(11)組成的強磁場控制系統(tǒng)。
7.按照權(quán)利要求6所述的鋁基復(fù)合材料的制備裝置，其特征是強磁場發(fā)生器(6)可用強磁場空間為φ10cm～1m，磁場感應(yīng)強度0～20T。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的鋁基復(fù)合材料的制備裝置，其特征是強磁場發(fā)生器(6)的磁感應(yīng)強度最佳是10T。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料的制備方法及其裝置，其制備方法是先將金屬基體鋁加熱至850℃，保溫30分鐘，再加入增強體Al
文檔編號C22C49/06GK1490428SQ03134180
公開日2004年4月21日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者王強, 赫冀成, 王恩剛, 王 強 申請人:東北大學(xué)