專利名稱：一種金屬基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，特別涉及一種脈沖氣流法制備金屬
基復(fù)合材料的方法，屬于有色金屬制備與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會發(fā)展對材料的要求越來越高，例如在結(jié)構(gòu)材料方面往往需要材料有高的比強(qiáng)度和比剛度。復(fù)合材料作為一種人為設(shè)計的材料，能夠很好的滿足這些需要。復(fù)合材料一般由基體和增強(qiáng)體組成，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料就是在金屬基體內(nèi)加入增強(qiáng)顆粒，這些增強(qiáng)顆粒均勻分布在金屬基體中，使材料表現(xiàn)出特殊的性能。目前，多種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以得到應(yīng)用，如SiC顆粒增強(qiáng)鋁基和鎂基復(fù)合材料。 現(xiàn)有的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝主要有粉末冶金法、攪拌鑄造法和原位再生法等。粉末冶金法能制備出高性能的復(fù)合材料，但該方法需要有制粉、混粉、熱壓等工藝過程，因此復(fù)合材料的制備成本很高，無法得到廣泛應(yīng)用。原位再生法通過控制熔體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)得到所需增強(qiáng)顆粒，該方法工藝流程簡單，但對基體材料及增強(qiáng)顆粒的種類局限性很大，而且增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)較低，難以得到實際應(yīng)用。攪拌鑄造法是一種低成本的復(fù)合材料制備工藝，該方法主要通過攪拌器的高速旋轉(zhuǎn)在熔體中產(chǎn)生強(qiáng)紊流，實現(xiàn)增強(qiáng)顆粒在熔體內(nèi)的均勻分布，目前國內(nèi)外已有多項機(jī)械攪拌器的專利，如美國Dural公司申請了機(jī)械攪拌制備復(fù)合材料的專利US4759995，并采用該專利技術(shù)制備了 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。東北大學(xué)申請了電磁攪拌制備鋁基復(fù)合材料專利ZL03134180. 2，并用該專利制備A1203顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。但是，現(xiàn)有的機(jī)械攪拌方法大多暴露在空氣中進(jìn)行，紊流熔體與空氣接觸會導(dǎo)致熔體內(nèi)吸氣嚴(yán)重，而且會形成大量氧化物夾雜，使復(fù)合材料的力學(xué)性能惡化；高溫金屬熔體對攪拌器有較強(qiáng)腐蝕性，高速攪拌會加速這種腐蝕，而且腐蝕產(chǎn)物會進(jìn)一步污染金屬熔體。由于這一系列原因，限制了攪拌鑄造方法的普遍使用。目前，需要開發(fā)出能制備低成本、高質(zhì)量的復(fù)合材料新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有復(fù)合材料制備方法存在的缺陷，提供一種適用范圍廣，對復(fù)合材料無污染，成本低，效率高，具有良好的應(yīng)用前景的金屬基復(fù)合材料的制備方法，采用該方法能獲得高質(zhì)量的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
—種金屬基復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下 (1)將基體金屬投入熔煉爐內(nèi)熔化至液態(tài)；將尺寸為0. 5iim 20iim、5
30vol. %的增強(qiáng)顆粒放入坩堝內(nèi)并預(yù)熱到相近的溫度，坩堝底部安裝有噴嘴； (2)將70 95vol. %基體金屬熔體倒入坩堝內(nèi)，在坩堝上部安裝防護(hù)罩和坩堝
蓋；打開高壓氣瓶、調(diào)節(jié)減壓閥和脈沖信號發(fā)生器，脈沖氣流經(jīng)電磁閥進(jìn)入坩堝內(nèi)并從噴嘴
中噴出，其中減壓后氣壓范圍為0. 1 0. 9MPa，脈沖信號頻率范圍1 30Hz ;
(3)脈沖氣流在熔體內(nèi)形成氣泡，并逐漸膨脹上升，帶動坩堝底部增強(qiáng)顆粒進(jìn)入熔體內(nèi)部，同時熔體沿坩堝內(nèi)壁下行，熔體的對流運動使增強(qiáng)顆粒逐漸分散到熔體內(nèi)部；
(4)氣泡周期性的產(chǎn)生和上升及破裂帶動整個坩堝內(nèi)熔體產(chǎn)生強(qiáng)紊流，金屬強(qiáng)烈的紊流使團(tuán)聚的顆粒分散開，根據(jù)金屬熔體多少和增強(qiáng)顆粒大小確定脈沖氣流處理時間，最終增強(qiáng)顆粒均勻分散到之中； (5)將分散均勻的復(fù)合材料熔體進(jìn)行鑄造成形，得到復(fù)合材料鑄錠或成形件。
—種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于步驟(1)所述的基體金屬材料為鋁合金、銅合金、鎂合金。 —種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于步驟(1)所述的增強(qiáng)顆粒為SiC、Al203、MgO、B4C。
—種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于步驟(1)所述的噴嘴可以有一個或多個，噴嘴結(jié)構(gòu)為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，其中中心孔為氣體入口，四周孔為氣體出口，氣體出口的中心線與氣體入口中心線的角度a/2為15 60° 。
—種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于步驟(2)所述坩堝上部安裝的防護(hù)罩與坩堝
內(nèi)壁有一定間隙，防護(hù)罩為錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角P范圍為90 17(T 。 —種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于步驟(2)所述的高壓氣瓶中儲存惰性氣體。 本發(fā)明使用的設(shè)備包括高壓氣瓶、減壓閥、脈沖信號發(fā)生器、電磁閥、熔煉坩堝、防
護(hù)罩、導(dǎo)氣管、噴嘴等。其中高壓氣瓶中儲存惰性氣體，經(jīng)導(dǎo)氣管進(jìn)入噴嘴中，減壓閥控制氣
流的壓力、脈沖信號發(fā)生器控制電磁閥的開和關(guān)，從而在導(dǎo)氣管內(nèi)產(chǎn)生一定頻率的脈沖氣
流。 一個或多個噴嘴與導(dǎo)氣管相連并安裝在坩堝底部，脈沖氣流從噴嘴中噴出形成周期性
氣泡。坩堝上部的錐形防護(hù)罩與坩堝內(nèi)壁存在間隙，既能保證氣體排放，又能防止金屬熔體
的飛濺。經(jīng)脈沖氣流分散均勻的復(fù)合材料熔體可以直接進(jìn)行鑄造成形。 本發(fā)明的優(yōu)點在于 1、本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)增強(qiáng)顆粒在熔體內(nèi)的高效分散。本發(fā)明通過脈沖氣流在熔體內(nèi)的運動實現(xiàn)顆粒均勻分散，無需其它機(jī)械外力，能耗低，效率高，而且避免了傳統(tǒng)機(jī)械攪拌方法中攪拌器對熔體的污染及攪拌器自身的損耗，降低了復(fù)合材料的制備成本。
2、采用惰性氣體的脈沖氣流，還可起到熔體凈化作用，避免熔體內(nèi)部吸氣和形成氧化夾雜物。 3、本方法采用的整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，具有良好的應(yīng)用前景。
4、本方法適用范圍廣，惰性氣體對復(fù)合材料無污染。 下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1為脈沖氣流法制備復(fù)合材料示意 圖2為噴嘴結(jié)構(gòu)示意 圖3為防護(hù)罩示意圖。
具體實施例方式
—種低成本復(fù)合材料制備方法，所采用的系統(tǒng)如圖1所示，由高壓氣瓶1、減壓閥2、脈沖信號發(fā)生器3、電磁閥4、導(dǎo)氣管5、坩堝蓋6、防護(hù)罩7、坩堝8、加熱爐9、噴嘴10組成。高壓氣瓶1通過導(dǎo)氣管5與減壓閥2、電磁閥4、噴嘴10相連，脈沖信號發(fā)生器3控制電磁閥4的開關(guān)，坩堝8放置在加熱爐9中，坩堝8上部安裝有防護(hù)罩7和坩堝蓋6，底部安裝有噴嘴10。 所述的噴嘴可以有一個或多個，噴嘴結(jié)構(gòu)為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，其中中心孔11為氣體入口，四周孔12為氣體出口，氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a/2為15 60° ，如圖2所示。高壓氣瓶中儲存惰性氣體，可以是N2、Ar、C02等。 具體實施過程中，將金屬熔體和增強(qiáng)顆粒倒入坩堝8內(nèi)后安裝好防護(hù)罩7和坩堝蓋6，通過加熱爐9控制熔體溫度。打開充滿惰性氣體的高壓氣瓶l，并調(diào)節(jié)減壓閥2至適當(dāng)壓力，打開脈沖信號發(fā)生器3，產(chǎn)生的脈沖電信號控制電磁閥4的開和關(guān)，從而在導(dǎo)氣管5內(nèi)形成脈沖氣流。脈沖氣流通過導(dǎo)氣管5進(jìn)入安放在坩堝8底部的噴嘴10中，脈沖氣流在熔體內(nèi)形成氣泡并帶動底部的增強(qiáng)顆粒上升，然后氣體從防護(hù)罩7與坩堝8內(nèi)壁的間隙和坩堝蓋6的中心逸出，防護(hù)罩7能防止氣體從熔體表面逸出過程中的金屬液體的飛濺。
如圖3所示，所述坩堝上部安裝的防護(hù)罩與坩堝內(nèi)壁有一定間隙，防護(hù)罩為錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角P范圍為90 170° 。
實施例1 將5kg鋁合金2024熔煉至650°C并保溫；將平均粒徑為10 y m的B4C顆粒，倒入坩堝8內(nèi)，通過加熱爐9控制熔體溫度至650°C ，再將熔煉的2024鋁合金定量倒入坩堝中，B4C顆粒占總體積分?jǐn)?shù)的15%、2024鋁合金占總體積分?jǐn)?shù)的85%，安裝好防護(hù)罩7和坩堝蓋6之后打開N2高壓氣瓶，調(diào)節(jié)減壓閥、脈沖信號發(fā)生器及電磁閥，其中減壓后氣壓為0. 6MPa，脈沖信號頻率3Hz。脈沖氣流從噴嘴中噴出形成周期性氣泡，氣泡帶動底部的SiC顆粒上浮，并分散到熔體內(nèi)部，經(jīng)過5min脈沖氣流處理后，SiC顆粒分散基本均勻，將分散均勻的復(fù)合材料熔體倒入模具，獲得B4C/2024A1復(fù)合材料鑄錠。噴嘴氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a /2為15° ，防護(hù)罩錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角13范圍為90° 。
實施例2 將3kg鎂合金AZ91熔煉至640°C并保溫；平均粒徑為5 y m的SiC顆粒在坩堝內(nèi)預(yù)熱后，，再將熔煉的鎂合金AZ91定量倒入坩堝中，SiC顆粒占總體積分?jǐn)?shù)的20X、鎂合金AZ91占總體積分?jǐn)?shù)的80%，脈沖氣流選用氬氣，減壓后氣壓為0. 3MPa，脈沖頻率為10Hz，脈沖氣流從環(huán)孔噴嘴中噴出形成周期性氣泡，在熔體內(nèi)形成強(qiáng)烈的紊流，SiC顆粒逐漸分散到熔體內(nèi)，脈沖氣體處理3分鐘后，SiC顆粒均勻分散到熔體中，隨后熔體冷卻得到復(fù)合材料鑄錠。噴嘴氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a/2為60。，防護(hù)罩錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角13范圍為170° 。
實施例3 將8kg純銅熔煉至1200°C并保溫；將平均粒徑為20 ii m的A1203顆粒預(yù)熱后倒入坩堝8內(nèi)，再將熔煉的銅熔體定量倒入坩堝中，A1203顆粒占總體積分?jǐn)?shù)的5%，純銅占總體積分?jǐn)?shù)的95% ，安裝好防護(hù)罩7和坩堝蓋6之后打開N2高壓氣瓶，調(diào)節(jié)減壓閥、脈沖信號發(fā)生器及電磁閥，其中減壓后氣壓為0. 9MPa，脈沖信號頻率30Hz。脈沖氣流從噴嘴中噴出形成周期性氣泡，氣泡帶動底部的A1203顆粒上浮，并分散到熔體內(nèi)部，經(jīng)過lmin脈沖氣流處理后，A1203顆粒分散基本均勻，將分散均勻的復(fù)合材料熔體倒入模具，獲得Al203/Cu復(fù)合材料鑄錠。噴嘴氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a/2為30。，防護(hù)罩錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角13范 圍為120° 。
實施例4 將5kg鋁合金A356熔煉至660°C并保溫；將平均粒徑為0. 5 y m的MgO顆粒預(yù)熱 后倒入坩堝8內(nèi)，再將熔煉的鋁合金2024定量倒入坩堝中，MgO顆粒占總體積分?jǐn)?shù)的30 % 、 鋁合金2024占總體積分?jǐn)?shù)的70 % ，安裝好防護(hù)罩7和坩堝蓋6之后打開N2高壓氣瓶，調(diào)節(jié) 減壓閥、脈沖信號發(fā)生器及電磁閥，其中減壓后氣壓為0. lMPa，脈沖信號頻率lHz。脈沖氣 流從噴嘴中噴出形成周期性氣泡，氣泡帶動底部的MgO顆粒上浮，并分散到熔體內(nèi)部，經(jīng)過 10min脈沖氣流處理后，MgO顆粒分散基本均勻，將分散均勻的復(fù)合材料熔體倒入模具，獲 得MgO/A356復(fù)合材料鑄錠。噴嘴氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a/2為45。，防護(hù)罩錐 形結(jié)構(gòu)，圓錐角13為150°
權(quán)利要求
一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下(1)熔煉基體金屬材料至液相線溫度之上并保溫；將尺寸為0.5μm～20μm、5～30vol.％的增強(qiáng)顆粒放入坩堝內(nèi)并預(yù)熱到相近的溫度，坩堝底部安裝有噴嘴；(2)將70～95vol.％基體金屬熔體倒入坩堝內(nèi)，在坩堝上部安裝防護(hù)罩和坩堝蓋；打開高壓氣瓶、調(diào)節(jié)減壓閥和脈沖信號發(fā)生器，脈沖氣流經(jīng)電磁閥進(jìn)入坩堝內(nèi)并從噴嘴中噴出，其中減壓后氣壓范圍為0.1～0.9MPa，脈沖信號頻率范圍1～30Hz；；(3)脈沖氣流在熔體內(nèi)形成氣泡，并逐漸膨脹上升，帶動坩堝底部增強(qiáng)顆粒進(jìn)入熔體內(nèi)部，氣泡運動同時在熔體產(chǎn)生強(qiáng)紊流，使增強(qiáng)顆粒均勻分散到熔體內(nèi)部；(4)氣泡周期性的產(chǎn)生和上升及破裂帶動整個坩堝內(nèi)熔體產(chǎn)生強(qiáng)紊流，金屬強(qiáng)烈的紊流使團(tuán)聚的顆粒分散開，根據(jù)金屬熔體多少和增強(qiáng)顆粒大小確定脈沖氣流處理時間，最終增強(qiáng)顆粒均勻分散到之中；(5)將分散均勻的復(fù)合材料熔體進(jìn)行鑄造成形，得到復(fù)合材料鑄錠或成形件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)所 述的基體金屬材料為鋁合金、銅合金、鎂合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)所 述的增強(qiáng)顆粒為SiC、Al203、MgO、B4C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)所 述的噴嘴可以有一個或多個，噴嘴結(jié)構(gòu)為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，其中中心孔為氣體入口，四周為氣體出 口，氣孔的中心線與噴嘴中心線角度a/2為15 60。。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)所 述的高壓氣瓶中儲存惰性氣體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)所 述的坩堝上部安裝的防護(hù)罩與坩堝內(nèi)壁有一定間隙，防護(hù)罩為錐形結(jié)構(gòu)，圓錐角P范圍為 90 170° 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括先將增強(qiáng)顆粒按比例加入金屬熔體內(nèi)，然后通過噴嘴向熔體中輸送脈沖高壓惰性氣流，高壓脈沖氣流在熔體內(nèi)形成周期性的氣泡并迅速膨脹，脈沖氣流運動在熔體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，從而導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒在熔體內(nèi)的均勻分散。采用該方法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，適用材料范圍廣，對復(fù)合材料無污染，成本低，效率高，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號B22D1/00GK101733368SQ20081022732
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者張少明, 張志峰, 徐駿, 楊必成, 馬躍宇 申請人:北京有色金屬研究總院