一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特指一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法。其特征在于：首先將經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物與處于近液相線溫度的鋁合金通過螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合，擠出后在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)得到的高溫鋁基復(fù)合材料連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度較低的鋁合金熔體，通過電磁攪拌進(jìn)行混合，降低鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度至基體合金的通常澆注溫度并保證其均勻性，然后采用常規(guī)澆注方法成型，冷卻后獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄錠或者鑄件。該方法有效組合了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢，核心技術(shù)成熟、容易實(shí)現(xiàn)，便于工業(yè)化應(yīng)用。
【專利說明】一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特指一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的外加顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料相比，鋁基原位復(fù)合材料具有增強(qiáng)體熱力學(xué)穩(wěn)定高、增強(qiáng)體與鋁或鋁合金基體界面結(jié)合好、增強(qiáng)體表面潔凈無脆性產(chǎn)物等優(yōu)勢，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。目前，鋁基原位復(fù)合材料的主要制備方法包括熔體反應(yīng)法、氣-液反應(yīng)法、自蔓延高溫合成法、反應(yīng)燒結(jié)法等。其中，熔體反應(yīng)法因具有反應(yīng)過程可控、反應(yīng)生成的復(fù)合材料易于采用傳統(tǒng)工藝成型、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的重視。不同的研究者，通過在熔體反應(yīng)過程中引入磁場、超聲場等作用，試圖改善熔體的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到控制反應(yīng)產(chǎn)物形態(tài)、尺寸和在基體中的分布均勻性等目的，目前已經(jīng)取得了一定的效果。但是，無論是磁場還是超聲場均存在作用強(qiáng)度和作用范圍等方面的限制，在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用上受到了制約。同時(shí)，目前常用的Al-S1-0、A1-T1-B、A1-T1-C、A1-Zr-B等反應(yīng)體系的反應(yīng)溫度都比較高，通常在850°C以上，有些甚至超過1000°C。熔體原位反應(yīng)的溫度太高，不僅使設(shè)備維護(hù)成本和難度加大，而且鋁及鋁合金熔體吸氣嚴(yán)重，使鋁基原位復(fù)合材料整體品質(zhì)下降。
[0003]因此，迫切需要提出一種適合于鋁基原位復(fù)合材料的連續(xù)制備方法，要求該方法既能夠保證熔體中化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全，又能保證生成的增強(qiáng)顆粒尺寸、形態(tài)和在基體中的分布可控，同時(shí)制備過程成本較低、操作比較容易實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其原理是:通過螺旋流變混合方法將粉末狀固體反應(yīng)物 與處于近液相線的鋁合金進(jìn)行混合，促使反應(yīng)物混合均勻；然后，將混合物送到高溫區(qū)域進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，保證反應(yīng)充分進(jìn)行；由高溫反應(yīng)得到的復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體通過電磁攪拌進(jìn)行混合，使鋁基復(fù)合材料的溫度降低到鋁合金通常的成型溫度范圍，同時(shí)保證鋁基原位復(fù)合材料漿料的均勻性。
[0005]一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:首先將經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物與處于近液相線溫度的鋁合金通過螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合，擠出后在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)得到的高溫鋁基復(fù)合材料連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度較低的鋁合金熔體，通過電磁攪拌進(jìn)行混合，降低鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度至基體合金的通常澆注溫度并保證其均勻性，然后采用常規(guī)澆注方法成型，冷卻后獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄錠或者鑄件。
[0006]所述的經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物，是指經(jīng)過30(T350°C、3(T50min加熱處理的能與鋁生成或者在鋁合金熔體中生成氧化物、碳化物或硼化物增強(qiáng)顆粒的反應(yīng)物粉末，其加入量占鋁合金熔體質(zhì)量的20~30%。
[0007]所述的處于近液相線溫度的鋁合金，是指溫度在液相線溫度以上1(T20°C范圍內(nèi)適合鑄造生產(chǎn)的鋁合金。[0008]所述的螺旋流變擠壓裝置，是指采用熱作模具鋼制作，與鋁合金熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理的半固態(tài)漿料處理裝置，采用雙螺旋形式，螺旋節(jié)距疒5mm，內(nèi)腔直徑2(T40mm，使用過程中該裝置內(nèi)腔的溫度與進(jìn)入該裝置的鋁合金熔體溫度保持一致，螺旋旋轉(zhuǎn)速度為10(T300r/min。[0009]所述的在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，是指在與螺旋流變擠壓裝置出口相連的溫度為85(T90(TC的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，固體反應(yīng)物與鋁合金的混合物由螺旋流變擠壓裝置出口連續(xù)進(jìn)入高溫加熱管，反應(yīng)時(shí)間由高溫加熱管的有效長度、內(nèi)腔尺寸與螺旋流變擠壓裝置的尺寸、螺旋推進(jìn)速度共同確定。
[0010]所述的高溫加熱管，是指采用耐高溫且不與鋁熔體發(fā)生反應(yīng)的陶瓷材料制作的內(nèi)腔有效長度800~1000臟、寬5(Tl00mm、高l(Tl5mm的管狀區(qū)域。
[0011]所述的連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，是指反應(yīng)獲得的高溫鋁基復(fù)合材料通過封閉的流槽進(jìn)入到復(fù)合材料熔池，流槽溫度保持在鋁合金熔體液相線以上8(Tl20°C。
[0012]所述的溫度較低的鋁合金熔體，是指溫度保持在液相線以上1(T20°C，成分與進(jìn)入螺旋流變擠壓裝置的鋁合金熔體相同的鋁合金，其加入量為高溫鋁基復(fù)合材料質(zhì)量的50"I50%ο
[0013]所述的通過電磁攪拌進(jìn)行混合，是指通過交變電磁場實(shí)現(xiàn)高溫鋁基復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體的攪拌，交變電磁線圈布置在復(fù)合材料熔池外，交變電流強(qiáng)度為10-30Α，電磁攪拌裝置連續(xù)工作。
[0014]本發(fā)明將鋁基原位復(fù)合材料制備過程中的反應(yīng)物混合、高溫熔體化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)生成物的分散等幾個(gè)關(guān)鍵步驟分開處理，充分利用已有技術(shù)在不同步驟中的優(yōu)勢，將這些技術(shù)方法有機(jī)地組合在一起，實(shí)現(xiàn)了鋁基原位復(fù)合材料的連續(xù)制備，核心技術(shù)成熟、容易實(shí)現(xiàn)，便于工業(yè)化應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1本發(fā)明方法的過程示意圖1溫度較低的鋁合金熔體，2反應(yīng)物粉體，3加料口，4螺旋流變擠壓裝置，5高溫加熱管，6流槽及高溫鋁基復(fù)合材料，7電磁攪拌裝置，8復(fù)合材料熔池圖2由本發(fā)明方法制備的鋁基原位復(fù)合材料的顯微組織。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明可以根據(jù)以下實(shí)例實(shí)施，但不限于以下實(shí)例；在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非有另外的說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義；應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍；在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。
[0017]實(shí)施例1
本實(shí)施例具體實(shí)施一種連續(xù)制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的方法，具體過程為:將經(jīng)過300°C、50min預(yù)熱處理的平均尺寸為15 μ m的SiO2粉末與溫度為630°C的ZLlOlA合金加入螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合；其中，SiO2粉末的加入量占ZLlOlA合金熔體質(zhì)量的20%，螺旋流變擠壓裝置采用熱作模具鋼制作，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，采用雙螺旋形式，螺旋節(jié)距2mm，內(nèi)腔直徑20mm，使用過程中該裝置內(nèi)腔溫度保持為630°C，螺旋旋轉(zhuǎn)速度為100r/min ;擠出的混合物在與螺旋擠出裝置出口相連的內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，高溫加熱管溫度為900°C，采用氮化硅陶瓷材料制作，內(nèi)腔有效長度800mm、寬50mm、高IOmm,反應(yīng)時(shí)間為IOmin ;反應(yīng)得到的高溫招基復(fù)合材料通過封閉的流槽連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度為630°C的質(zhì)量為高溫鋁基復(fù)合材料的100%的ZLlOlA鋁合金熔體，并通過連續(xù)交變電磁場攪拌實(shí)現(xiàn)高溫鋁基復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體之間的混合，使鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度保持在730°C，交變電磁線圈布置在復(fù)合材料熔池外，交變電流強(qiáng)度為30A ;然后采用將鋁基原位復(fù)合材料漿料澆注到金屬型鑄錠模中，冷卻獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄錠。
[0018]圖1為本發(fā)明方法的過程示意圖，圖2為由本發(fā)明方法制備的鋁基原位復(fù)合材料的顯微組織；圖2中灰色顆粒為氧化鋁顆粒，可見氧化鋁顆粒在鋁合金基體上的分布比較均勻。
[0019]實(shí)施例2
本實(shí)施例具體實(shí)施一種連續(xù)制備TiC顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的方法，具體過程為:將經(jīng)過350°C、30min預(yù)熱處理的平均尺寸為30 μ m的鈦粉和平均尺寸為10 μ m的石墨粉的混合物與溫度為635°C的ZL102合金加入螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合；其中，鈦粉和石墨粉的質(zhì)量比為4:1，混合物粉末的加入量占ZL102合金熔體質(zhì)量的25%，螺旋流變擠壓裝置采用熱作模具鋼制作，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，采用雙螺旋形式，螺旋節(jié)距5mm，內(nèi)腔直徑40mm，使用過程中該裝置內(nèi)腔溫度保持為635°C，螺旋旋轉(zhuǎn)速度為300r/min ;擠 出的混合物在與螺旋擠出裝置出口相連的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，高溫加熱管溫度為850°C，采用高剛玉材料制作，內(nèi)腔有效長度1000mm、寬100mm、高15mm，反應(yīng)時(shí)間為5min ;反應(yīng)得到的高溫鋁基復(fù)合材料通過封閉的流槽連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度為635°C的質(zhì)量為高溫鋁基復(fù)合材料的50%的ZL102鋁合金熔體，并通過連續(xù)交變電磁場攪拌實(shí)現(xiàn)高溫鋁基復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體之間的混合，使鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度保持在720V，交變電磁線圈布置在復(fù)合材料熔池外，交變電流強(qiáng)度為IOA ;然后采用將鋁基原位復(fù)合材料漿料澆注到金屬型鑄中，冷卻獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄件。
[0020]所制備的鋁基原位復(fù)合材料顯微組織與圖2類似，從該復(fù)合材料的顯微組織中可以發(fā)現(xiàn)TiC顆粒在基體上的分布比較均勻。
[0021]實(shí)施例3
本實(shí)施例具體實(shí)施一種連續(xù)制備TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的方法，具體過程為:將經(jīng)過320°C、40min預(yù)熱處理的平均尺寸為30 μ m的鈦粉和平均尺寸為IOymW B2O3粉的混合物與溫度為625°C的ZL105合金加入螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合；其中，鈦粉和B2O3粉的質(zhì)量比為2:3，混合物粉末的加入量占ZL105合金熔體質(zhì)量的30%，螺旋流變擠壓裝置采用熱作模具鋼制作，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，采用雙螺旋形式，螺旋節(jié)距4mm，內(nèi)腔直徑30mm，使用過程中該裝置內(nèi)腔溫度保持為625°C，螺旋旋轉(zhuǎn)速度為200r/min ;擠出的混合物在與螺旋擠出裝置出口相連的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，高溫加熱管溫度為880°C，采用高剛玉材料制作，內(nèi)腔有效長度900mm、寬70mm、高12mm，反應(yīng)時(shí)間為8min ;反應(yīng)得到的高溫鋁基復(fù)合材料通過封閉的流槽連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度為625°C的質(zhì)量為高溫鋁基復(fù)合材料的150%的ZL105鋁合金熔體，并通過連續(xù)交變電磁場攪拌實(shí)現(xiàn)高溫鋁基復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體之間的混合，使鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度保持在710V，交變電磁線圈布置在復(fù)合材料熔池外，交變電流強(qiáng)度為20A ;然后采用將鋁基原位復(fù)合材料漿料澆注到金屬型中，冷卻獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄件。
[0022]所制備的鋁基原位復(fù)合材料顯微組織與圖2類似，從該復(fù)合材料的顯微組織中可以發(fā)現(xiàn)TiB2顆粒在基體上的 分布比較均勻。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:首先將經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物與處于近液相線溫度的鋁合金通過螺旋流變擠壓裝置進(jìn)行混合，擠出后在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)得到的高溫鋁基復(fù)合材料連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，同時(shí)向熔池中引入溫度較低的鋁合金熔體，通過電磁攪拌進(jìn)行混合，降低鋁基原位復(fù)合材料漿料的溫度至基體合金的通常澆注溫度并保證其均勻性，然后采用常規(guī)澆注方法成型，冷卻后獲得鋁基原位復(fù)合材料鑄錠或者鑄件。
2.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物，是指經(jīng)過300-350?、30-50π?η加熱處理的能與鋁生成或者在鋁合金熔體中生成氧化物、碳化物或硼化物增強(qiáng)顆粒的反應(yīng)物粉末，其加入量占鋁合金熔體質(zhì)量的20~30%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的處于近液相線溫度的鋁合金，是指溫度在液相線溫度以上1(T20°C范圍內(nèi)適合鑄造生產(chǎn)的招合金。
4.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的螺旋流變擠壓裝置，是指采用熱作模具鋼制作，與鋁合金熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理的半固態(tài)漿料處理裝置，采用雙螺旋形式，螺旋節(jié)距2~5mm，內(nèi)腔直徑2(T40mm，使用過程中該裝置內(nèi)腔的溫度與進(jìn)入該裝置的鋁合金熔體溫度保持一致，螺旋旋轉(zhuǎn)速度為 10(T300r/min。
5.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，是指在與螺旋流變擠壓裝置出口相連的溫度為85(T90(TC的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，固體反應(yīng)物與鋁合金的混合物由螺旋流變擠壓裝置出口連續(xù)進(jìn)入高溫加熱管，反應(yīng)時(shí)間由高溫加熱管的有效長度、內(nèi)腔尺寸與螺旋流變擠壓裝置的尺寸、螺旋推進(jìn)速度共同確定。`
6.如權(quán)利要求5所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的高溫加熱管，是指采用耐高溫且不與鋁熔體發(fā)生反應(yīng)的陶瓷材料制作的內(nèi)腔有效長度800~1000臟、寬5(Tl00mm、高l(Tl5mm的管狀區(qū)域。
7.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的連續(xù)進(jìn)入復(fù)合材料熔池，是指反應(yīng)獲得的高溫鋁基復(fù)合材料通過封閉的流槽進(jìn)入到復(fù)合材料熔池，流槽溫度保持在鋁合金熔體液相線以上8(Tl20°C。
8.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的溫度較低的鋁合金熔體，是指溫度保持在液相線以上1(T20°C，成分與進(jìn)入螺旋流變擠壓裝置的鋁合金熔體相同的鋁合金，其加入量為高溫鋁基復(fù)合材料質(zhì)量的50-150%。
9.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)制備鋁基原位復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述的通過電磁攪拌進(jìn)行混合，是指通過交變電磁場實(shí)現(xiàn)高溫鋁基復(fù)合材料與溫度較低的鋁合金熔體的攪拌，交變電磁線圈布置在復(fù)合材料熔池外，交變電流強(qiáng)度為10-30Α，電磁攪拌裝置連續(xù)工作。
【文檔編號】C22C21/00GK103710560SQ201310710809
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】陳剛, 趙玉濤, 楊睿, 陳譽(yù)元 申請人:江蘇大學(xué)