專利名稱：一種脈沖電場(chǎng)下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種在脈沖電 場(chǎng)作用下熔體直接反應(yīng)合成制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的新方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因具有復(fù)合的結(jié)構(gòu)特征和良好的理化及機(jī)械性能，逐漸成為 一種應(yīng)用越來越廣泛的新型材料；顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法較成熟的主要有兩 種外加增強(qiáng)顆粒法和原位反應(yīng)生成法。對(duì)于外加增強(qiáng)顆粒法，經(jīng)檢索現(xiàn)有技術(shù)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利CN 1510153，
公開日為 2004. 07. 07，發(fā)明名稱為高強(qiáng)高塑顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造方法，該專利的制備方 法是將增強(qiáng)顆粒外加到鋁合金粉末中混合均勻，然后進(jìn)行熱壓和熱加工成型，這是傳統(tǒng)的 PM法；該方法由于顆粒相與金屬相間界面復(fù)合情況難以控制，增強(qiáng)顆粒的粒度要求很高， 特別是外加增強(qiáng)顆粒在金屬基體內(nèi)的分布容易出現(xiàn)團(tuán)聚問題難以解決，且工藝過程非常煩 瑣，并不適合大規(guī)模生產(chǎn)。目前，熔體反應(yīng)合成法是制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的重要方法，該方法是通 過向熔體內(nèi)加入反應(yīng)物(以鹽或氧化物為主)，通過反應(yīng)物與金屬基體間的原位化學(xué)反應(yīng)形 成增強(qiáng)顆粒相；該方法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是顆粒相與基體界面不受污 染、相界面潤(rùn)濕性好、相結(jié)合力強(qiáng)且工藝過程相對(duì)簡(jiǎn)單等，因此日益受到國(guó)內(nèi)外研究的重 視。目前，熔體反應(yīng)合成法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在的主要問題是反應(yīng)過程 難控制，表現(xiàn)在反應(yīng)速度和效率難以提高，生成的顆粒增強(qiáng)相易團(tuán)聚長(zhǎng)大，嚴(yán)重影響材料的 工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。利用外場(chǎng)作用可以改善原位合成反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件，起到促進(jìn)原位反應(yīng) 進(jìn)行的作用，同時(shí)，外場(chǎng)作用可以控制顆粒相的過分長(zhǎng)大或偏聚團(tuán)簇現(xiàn)象，因此，在外場(chǎng)下 原位合成金屬基復(fù)合材料越來越受到研究者的重視?，F(xiàn)有技術(shù)中，提出了采用電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)及其組合外場(chǎng)下制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù) 合材料；這些現(xiàn)有技術(shù)主要包括中國(guó)專利CN 1676641A (
公開日2005. 10. 5，發(fā)明名稱 制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法)提出在磁場(chǎng)(穩(wěn)恒磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)和 脈沖磁場(chǎng))下進(jìn)行原位磁化學(xué)反應(yīng)合成；中國(guó)專利CN 1958816 (
公開日2007. 05. 09，發(fā)明 名稱功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝)提出利用功率超聲制備內(nèi)生 顆粒增強(qiáng)(Al3Ti相)鋁基表面復(fù)合材料，使增強(qiáng)相在基體的表層分布均勻，界面結(jié)合更好； 中國(guó)專利CN 101391290A，一種磁場(chǎng)與超聲場(chǎng)耦合作用下制備金屬基復(fù)合材料的方法，提 出在原位反應(yīng)的過程施加磁場(chǎng)與超聲的耦合場(chǎng)；中國(guó)專利CN10139U91A提出一種組合電 磁場(chǎng)下原位合成金屬基復(fù)合材料的方法，對(duì)熔體的原位反應(yīng)合成過程施加由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行 波磁場(chǎng)組合的磁場(chǎng)。從現(xiàn)有技術(shù)報(bào)道及生產(chǎn)實(shí)踐可知，熔體反應(yīng)合成制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的 過程中施加電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)及其形成耦合外場(chǎng)，具有較好的顆粒細(xì)化和分散效果；從熔體直接反應(yīng)合成原位顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)特點(diǎn)可知反應(yīng)鹽與金屬熔體之間的反 應(yīng)實(shí)質(zhì)是帶電離子顆粒與金屬熔體之間的反應(yīng)，其中帶電離子顆粒的行為對(duì)原位反應(yīng)的速 率、產(chǎn)率以及顆粒的析出、長(zhǎng)大和分布有決定性影響；現(xiàn)有技術(shù)中施加的電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)主 要是針對(duì)金屬熔體的攪拌作用，而且其磁化學(xué)、聲化學(xué)的作用要經(jīng)磁-電-化學(xué)能轉(zhuǎn)化和機(jī) 械能-化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，因此其作用效果受到一定限制；而在原位反應(yīng)合成過程直接施加外 電場(chǎng)，直接影響帶電離子顆粒的行為，對(duì)控制原位反應(yīng)的速率、產(chǎn)率以及顆粒的析出、長(zhǎng)大 和分布是一種非常有前景的制備方法，還未見有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的新 方法，解決目前熔體反應(yīng)合成法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在的反應(yīng)速度和效率難以 提高，生成的顆粒增強(qiáng)相易團(tuán)聚長(zhǎng)大等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)高性能顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的 工業(yè)規(guī)模制備和應(yīng)用。本發(fā)明的基本原理是在熔體直接反應(yīng)法制備原位顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的反 應(yīng)合成過程施加脈沖電場(chǎng)，利用脈沖電場(chǎng)的電勢(shì)振蕩起伏對(duì)反應(yīng)離子產(chǎn)生的能量振蕩起伏 以及產(chǎn)生的熱效應(yīng)和瞬態(tài)力效應(yīng)的綜合作用，改善原位合成反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件， 提高反應(yīng)速率和產(chǎn)率，特別是促進(jìn)原位反應(yīng)中離子遷移和顆粒形核，并能抑制顆粒的長(zhǎng)大 而使顆粒細(xì)化并改善顆粒的分散性，從而提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合性能。以下結(jié)合本發(fā)明的示意圖，說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方案如下
一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟
a)在保溫耐火材料制成的反應(yīng)合成容器1內(nèi)將基體金屬熔煉、精煉后調(diào)整到反應(yīng)起始 溫度，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進(jìn)行合成反應(yīng)制備復(fù)合材料熔體2 ；
b)脈沖電場(chǎng)由安裝在熔池底部和熔池上部平行插入的電極引入，反應(yīng)物加入后，攪拌 均勻，然后開啟脈沖電源4施加脈沖電場(chǎng)處理；
c )待反應(yīng)結(jié)束，熔體靜置到澆注溫度后進(jìn)行澆注，制得復(fù)合材料。采用本發(fā)明的特征是在熔體直接反應(yīng)合成原位顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的反應(yīng) 合成過程中施加脈沖電場(chǎng)，脈沖電場(chǎng)由插入熔池的平行電極引入，脈沖電源可以采用商業(yè) 化脈沖電源設(shè)備，所使用脈沖電場(chǎng)的電磁參數(shù)為，脈沖電流峰值密度為廣lOA/cm2，脈沖頻 率為0.廣10Hz，脈沖電場(chǎng)處理熔體的時(shí)間為2 lOmin。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果
1)與不施加外場(chǎng)相比，本發(fā)明利用脈沖電場(chǎng)直接作用于熔體反應(yīng)合成過程，利用其電 化學(xué)、脈沖振蕩力沖擊及熱效應(yīng)，改善了原位反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，提高了反應(yīng)的速率和 產(chǎn)率，主要體現(xiàn)在合成反應(yīng)時(shí)間縮短以及相同反應(yīng)物加入量時(shí)顆粒相的產(chǎn)率增加，與不施 加外場(chǎng)相比，合成反應(yīng)時(shí)間由20-30min縮短為10-15min，顆粒相的產(chǎn)率由80-85%提高到 95%以上；施加其他外場(chǎng)時(shí)如電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)，合成反應(yīng)時(shí)間一般在12-20min，而收得率很 難達(dá)到90%以上；
2)脈沖電場(chǎng)直接影響帶電離子顆粒的行為，促進(jìn)原位反應(yīng)中離子遷移和顆粒形核，具 有顯著的顆粒形貌控制及分散效果，主要體現(xiàn)在復(fù)合材料內(nèi)顆粒相的形貌圓整、尺寸均勻 細(xì)小，且分布均勻，這些效果有利于保證材料性能的提高，與不施加外場(chǎng)及施加其他外場(chǎng)相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)；
3)采用本發(fā)明的裝備成熟，價(jià)格相對(duì)低廉，操作簡(jiǎn)單，脈沖電場(chǎng)是瞬間放電，所以能源 消耗小，生產(chǎn)成本低；
4)與合成過程施加電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)相比，電場(chǎng)的能量損失小，能耗低；這是因?yàn)殡姶艌?chǎng) 要有電-磁轉(zhuǎn)化及電磁場(chǎng)在反應(yīng)器存在電磁屏蔽損耗，而超聲場(chǎng)需要電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化及 超聲波損耗，而本發(fā)明的電場(chǎng)直接作用于熔體，只有微量的電路損耗，并無能量轉(zhuǎn)化損耗， 因此能損小，能耗低，效果好；
5)本發(fā)明采用低電壓、低密度電流脈沖充放電技術(shù)，操作安全，使用靈活；
綜上所述，本發(fā)明是一種適合工業(yè)規(guī)模制備高性能顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的方法。


圖1脈沖電場(chǎng)下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的示意圖 圖注1反應(yīng)合成容器；2復(fù)合材料熔體；3電極；4脈沖電源 圖2實(shí)施例1制得復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述；實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不是以 任何方式來限制本發(fā)明。實(shí)施例一制備(AlJris)+ Al2O3fe))顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料
原材料基體金屬鋁合金；固體粉末工業(yè)碳酸鋯(Zr(CO3)2)粉劑(純度為99. 20%), 精煉脫氣劑及扒渣劑；
原位反應(yīng)方程式7A1 ⑴+Zr (CO3) 2(s) =Al3Zr(s)+2A1203(s)； 顆粒增強(qiáng)相A13& (s)禾口 A1203(S)； 制備過程如下
(一)首先進(jìn)行金屬熔煉及粉體制備
鋁合金50Kg在25kW坩堝式電阻爐中熔化升溫到900°C，脫氣、扒渣；所用試劑均在 300°C下充分烘干，其中^(CO3)2研磨成細(xì)粉(粒度小于100//m)，稱量后待用，^(CO3)2加 入的重量為金屬重量的20% (注顆粒相的理論體積分?jǐn)?shù)約為觀vol%)0(二)脈沖電場(chǎng)下熔體反應(yīng)合成制備復(fù)合材料熔體
熔體溫度合格后，進(jìn)行一次精煉，在精煉好且符合溫度要求(900°C )的熔體傾入帶保溫 功能的熔體反應(yīng)合成器1內(nèi)，向熔體內(nèi)加入固體反應(yīng)物^"(CO3)2粉末，并用攪拌器攪拌均 勻；將電極3插入復(fù)合材料熔體內(nèi)，開啟脈沖電源4，調(diào)整電場(chǎng)參數(shù)為脈沖電流峰值密度 為2A/cm2，脈沖頻率為1Hz，脈沖電場(chǎng)處理熔體的時(shí)間為IOmin ；然后關(guān)閉電源，將制得的 復(fù)合材料熔體在750°C時(shí)澆注制得復(fù)合材料。取樣作電鏡分析，顆粒尺寸在20(T300nm，屬亞微米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，圖1是本 實(shí)施例的制得復(fù)合材料的掃描電鏡圖，由圖1可知顆粒相的形貌圓整，都接近球形，尺寸 均勻細(xì)小，且分布均勻，本實(shí)施例的反應(yīng)合成時(shí)間控制在lOmin，顆粒相的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)為 27. 5%，接近理論體積分?jǐn)?shù)觀％，說明合成反應(yīng)的速率和顆粒相的產(chǎn)率比現(xiàn)有技術(shù)有顯著提高。
為更好地比較采用本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的效果，將本發(fā)明制得的復(fù)合材料經(jīng)過T6 處理，測(cè)定了材料的室溫拉伸性能，并與不施加電場(chǎng)而其他條件與本實(shí)施例完全相同條件 下制得的材料進(jìn)行了性能對(duì)比，其結(jié)果見表1。表1實(shí)施例1與現(xiàn)有技術(shù)制得復(fù)合材料的性能對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，包括將金屬基熔體精 煉后調(diào)整到反應(yīng)起始溫度，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進(jìn)行合成反應(yīng)，待 反應(yīng)結(jié)束，靜置到澆注溫度后進(jìn)行澆注；其特征在于在原位反應(yīng)合成過程中對(duì)熔體施加 脈沖電場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方 法，其特征是脈沖電場(chǎng)的電磁參數(shù)為脈沖電流峰值密度為廣lOA/cm2，脈沖頻率為 0.廣10Hz，脈沖電場(chǎng)處理熔體的時(shí)間為2 lOmin。
3.如權(quán)利要求1所述的一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法， 其步驟包括a)在保溫耐火材料制成的反應(yīng)合成容器內(nèi)將基體金屬熔煉、精煉后調(diào)整到反應(yīng)起始溫 度，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進(jìn)行合成反應(yīng)制備復(fù)合材料熔體；b)脈沖電場(chǎng)由安裝在反應(yīng)合成容器的熔池底部和熔池上部平行插入的電極引入，反應(yīng) 物加入后，攪拌均勻，然后開啟脈沖電源施加脈沖電場(chǎng)處理；c )待反應(yīng)結(jié)束，熔體靜置到澆注溫度后進(jìn)行澆注，制得復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在脈沖電場(chǎng)作用下合成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的新方法，屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該方法的主要工藝特征是在傳統(tǒng)的熔體直接反應(yīng)法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的合成過程中對(duì)熔體施加脈沖電場(chǎng)，脈沖電流峰值密度為1~10A/cm2，脈沖頻率為0.1~10Hz，脈沖電場(chǎng)處理熔體的時(shí)間為2~10min。本發(fā)明利用脈沖電場(chǎng)的電勢(shì)振蕩起伏、瞬態(tài)力效應(yīng)及熱效應(yīng)的綜合作用，促進(jìn)原位反應(yīng)中離子遷移和顆粒形核，并能抑制顆粒的長(zhǎng)大，改善顆粒的分散性，因此采用該發(fā)明可以提高反應(yīng)速率和產(chǎn)率，具有顯著的顆粒形貌控制和促進(jìn)分散的效果，適合工業(yè)規(guī)模制備高性能顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C1/10GK102121076SQ20111003777
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月15日
發(fā)明者張勛寅, 張廷旺, 李桂榮, 王宏明, 趙玉濤 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)