專利名稱：：鋁基電廠飛灰復合材料及其制備方法和裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種以鋁及其合金作為基體材料，以電廠飛灰作為添加相的鋁基電廠飛灰復合材料。本世紀七十年代以來，科學枝術在生產(chǎn)和生活的各個領域獲得突飛猛進的發(fā)展。特別是航空航天等高新技術的發(fā)展，對材料的各種性能提出了一系列的新要求。其中主要包括要求材料的比剛度、比強度高；耐腐蝕、耐磨損。并且具有優(yōu)良的低溫和高溫性能。有一定的化學和尺寸穩(wěn)定性。鋁基復合材料正是近年來發(fā)展起來的、具有這種性能的一類新材料。它兼有鋁合金的比重小、耐腐蝕和添加相的高強度、高剛度的優(yōu)點，同時又增加了耐磨性好、耐沖擊和減震性好的特點。在巨大社會需求的推動下，鋁基復合材料成為材料科學界普遍受關注的焦點課題，成為金屬基復合材料行業(yè)的先鋒。發(fā)明專利ZL85100575報導了一種陶瓷鋁合金及其制造方法。這種復合材料中添加不經(jīng)包覆的鋁礬土顆粒作為強化相，用復合鑄造法、旋渦法等工藝加到鋁或鋁合金中，制成陶瓷鋁合金。該發(fā)明制造工藝簡單、成本低廉，可以用于活塞、缸套等摩擦副，用于渦輪發(fā)動機的壓縮機葉片、熱交換器等耐熱部件，用在防彈板、屏蔽材料，也可降低裝飾件的制造成本。但是從該產(chǎn)品金相圖片可以看出，鋁礬土的分散性不好，在合金中成團絮狀分布。合金的各方面性能都會受到不同程度的影響。發(fā)明專利CN1033987A公開了一種采用阻擋層制備金屬基復合材料的方法。該發(fā)明先作出一塊可滲性陶瓷塊狀材料，其確定的表面臨界層具有阻擋層，再在含10％至100％左右氮氣體積、其余為非氧化氣體即氬氣或氫氣的氣體中，將熔融鋁鎂合金與該可滲透塊材料接觸。在常壓下，熔融合金自發(fā)深入陶瓷塊直至達到阻擋層為止。合金固體可置于具有阻擋層的可滲透性陶瓷材料基床附近，并加熱至熔融態(tài)，最好是至少700℃左右，以便用滲透法形成網(wǎng)狀鋁基體復合物。除鎂外，輔助合金元素可與鋁同用。生產(chǎn)的復合物可在鋁基體中包含不連續(xù)的氮化鋁相。該方法所生產(chǎn)合金的質(zhì)量較高，性能穩(wěn)定。但是生產(chǎn)效率低，難以形成批量規(guī)模。發(fā)明專利CN1105301公開了一種鋁基陶瓷復合材料活塞的鑄造生產(chǎn)工藝。該發(fā)明選用ZL108合金作為基體材料，碳化硅顆粒作為陶瓷添加材料，按SiC占8～12％、ZL108合金占88～92％的比例配制，經(jīng)攪拌法復合或懸浮澆杯法復合而成。發(fā)明人稱該發(fā)明不僅能夠滿足引進和自行設計的新一代發(fā)動機活塞配套技術的要求，而且為開發(fā)適應國際市場要求的高速高功率發(fā)動機活塞開辟了道路。發(fā)明專利CN1104568A公布了一種非連續(xù)增強鋁基復合材料的兩級加壓擠壓鑄造制造非連續(xù)增強鋁基復合材料的方法。其中第一級壓力選取較小的壓力值，第二級壓力選取較大的壓力值。這種方法既能減少增強體預制塊在擠壓過程中的變形，又能降低復合材料中的孔隙率。這種制造方法屬于擠壓鑄造范疇。只能用于比較小尺寸零件的制造，并且同樣存在工藝復雜、成本較高等問題。本發(fā)明的任務是在鋁合金基體中，以電廠排放的廢料電廠飛灰為添加相，制備一種使用性能和復合工藝性能優(yōu)于現(xiàn)有鋁基合金復合材料的鋁基電廠飛灰復合材料，以及這種復合材料的制備方法和裝置。制備鋁基電廠飛灰復合材料的技術方案是本發(fā)明的復合材料基體分別選用多種鋁合金材料、添加相材料選擇了火力發(fā)電廠作為廢排放的飛灰。基體合金的成分設計主要考慮復合材料的使用性能和復合工藝性能。使用性能主要是指其力學性能(σsσbσtδ)，物理性能(α、ρ)，化學性能(耐蝕、著色)。工藝性能主要指鑄造工藝性能(合金熔體的流動性、合金熔體對飛灰顆粒的潤濕性)。為了保證復合材料的力學性能，基體合金中應該含有一定量的鎂、硅、銅、鋅、錳等形成強化相的元素。鎂在鋁基電廠飛灰復合材料中具有特殊的意義。它不僅可以和硅等元素形成強化相，提高基體合金的強度、硬度，而且明顯改善合金熔體對飛灰顆粒表面的潤濕性，加速復合過程，減少界面缺陷，提高界面結(jié)合強度。具有類似作用的其它元素還包括鈣、銅、鈰、鑭、鋰等活性元素。錳在合金中一方面起消除針狀鐵相，降低鐵相有害作用，另一方面提高合金的耐蝕性。硅的含量較少時，微量的硅主要與鎂形成強化相。當硅的含量較高時，它可以顯著改善合金的流動性，減少鑄造缺陷。降低合金的膨脹系數(shù)，保證零件的尺寸穩(wěn)定性。在鋁基電廠飛灰復合材料熔體中，硅的存在可以在一定程度上抑制鋁、鎂等活性元素對飛灰中二氧化硅的還原作用，減少界面脆性。在基體合金中硅的含量超過4％以后，應該添加微量的Sr、Na、Ce、La、Sb、Td等變質(zhì)元素?？刂乒柘嘈螒B(tài)，提高合金的強韌性。用旋渦攪拌法鑄造生產(chǎn)鑄造鋁基電廠飛灰復合材料的工藝中，α-鋁相晶粒尺寸的控制具有特殊性。在基體合金中添加一定量的鈦、硼、稀土元素等晶粒細化劑是非常必要的。在以上設計原則指導下，本發(fā)明的鋁基電廠飛灰復合材料的基體合金成分范圍(重量百分數(shù))是1.基本強化元素硅0～21％；鎂0.1～11％；銅0～11％；錳0～2％；鋅0～13％；鎳0～3％；鉻0～1％；稀土0～5％。2.晶粒細化和硅相變質(zhì)劑鈦0～0.5％；硼0～0.1％；鋯0～0.3％；銻0～0.3％；鈉0～0.3％；鍶0～0.3％；鈰0～0.1％；鑭0～0.1％；碲0～0.2％。3.雜質(zhì)含量上限鐵＜1.8％。4.其余為鋁。復合材料添加相，電廠飛灰是在電廠鍋爐中粉煤在1700～1900℃高溫瞬時形成的氧化產(chǎn)物。其化學成分幾乎包括地殼中所有元素(如表一所示)。這種飛灰顆粒在微觀上具有近乎于球形的顆粒外貌，其中相當部分是空心球體。顆粒形貌的掃描電鏡照片如附圖1(a)、(b)所示。從收集到的飛灰實際樣品和技術資料看，電廠飛灰的成分、形貌受電廠的燃料種類、煙塵收集設備類型等諸多因素影響。大類上看有干灰和濕灰兩大類。一般來說，干灰的顆粒比表一、電廠飛灰的化學成分</tables>較粗大、顆粒比較圓整分散性比較好；相反濕灰的顆粒比較細小，但是粘著結(jié)塊的傾向較大。比較適合制造鋁基復合材料的是干灰。其形態(tài)基本上是以圖1(a)、(b)所示的圓形和橢圓形為主。部分飛灰顆粒具有空心或多孔結(jié)構(gòu)。在金屬材料基體中添加這種形態(tài)的第二相對基體的強度、塑性的損傷小。應用與需要耐磨、減震的工況下一定會有很好的前景。本方案中鋁基電廠飛灰復合材料的添加相--電廠飛灰的加入量(重量百分數(shù))為0.5～30％。鋁基電廠飛灰復合材料的制造過程包括飛灰顆粒預熱、鋁合金的熔煉及凝固過程三大部分，其過程為1合金配料和熔煉在所選基礎合金的基礎上，考慮到復合工藝中進行較多的攪拌會促進某些元素的燒損，適當進行配料調(diào)整。使最終目標合金成分在合金標準范圍之內(nèi)。實際熔煉過程中進行的化學分析跟蹤結(jié)果表明這一方法還是行之有效的(見應用實例1；2)。2飛灰預處理和合金的熔煉收集到的飛灰首先經(jīng)過初步干燥、篩分等工序，分選出形狀和粒度都合適的顆粒材料備用。飛灰粒度的選取范圍決定于復合材料的使用目的。作為提高基體合金強度、提高合金的耐磨性的強化添加相時候，顆粒的粒度應該小一些(一般說來，范圍在0.5～50微米)；以改善合金的減震性、降低復合材料的密度為目的的時候，飛灰的粒度要大一些(一般可在10～350微米之間，甚至更大一些)。飛灰在添加人合金熔體之前要預熱。飛灰預熱溫度在300℃～750℃之間都可以保證飛灰顆粒均勻一致地加入到合金中。最佳的工藝溫度是400℃～500℃。預熱時間取決于每個預熱罐所裝飛灰的體積數(shù)。裝料量越多，預熱時間就應該越長。合金的熔煉工藝與基體合金的常規(guī)熔煉工藝相同。3復合工藝參數(shù)復合溫度就是添加飛灰并開始攪拌的溫度。實驗在650℃～800℃之間進行。結(jié)果顯示最佳溫度范圍受坩堝熱容量、攪拌工具熱容量和攪拌工藝參數(shù)的影響。在本實驗條件下最佳溫度是700℃～750℃。本工藝過程采用攪拌鑄造法，即向熔化的鋁中加入飛灰，通過槳的攪動，使其卷入旋渦以達到均勻分布的目的。工藝裝置簡圖如附圖2所示。圖中1為電動機，提供攪拌槳的旋轉(zhuǎn)動力；2是鋁合金熔體；3是熔煉坩堝，應盡可能采用陶瓷材料制造，用金屬材料制造時在其內(nèi)部應刷涂料；4為熔煉爐體，爐體和爐蓋組成一個密閉結(jié)構(gòu)保證爐內(nèi)氣氛處于非氧化性，爐子采用電阻加熱，外部裝有旋轉(zhuǎn)傾斜機構(gòu)供出料使用；6為爐蓋，在爐蓋與爐體、攪拌槳之間分別采用磁流體密封技術，爐蓋和爐體上分別裝有保護性氣體通入管道7；5為攪拌槳，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中，1為攪拌槳的軸，在其下端較細的一段加工出正多邊形拄狀(一般為正六邊形)，以便與槳套3配合傳遞動力；2為槳葉，本發(fā)明中的槳葉采用平面結(jié)構(gòu)，加工方便，壽命高，一般用陶瓷材料(例如碳化硅)制造和軸套3燒結(jié)成一體，葉片與水平面之間的夾角α對復合工藝效果的影響較大，α值在30～60度之間變化，一般來說可以采用45度；4是緊固螺帽，與1端部的螺紋配合，保證2、3組合結(jié)構(gòu)在1上的穩(wěn)定安裝，使用前應該采取防松工藝處理。因為飛灰顆粒分布入鋁熔體的直接動力是攪拌槳的旋轉(zhuǎn)力，所以攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度是非常重要的工藝參數(shù)。其有效范圍受坩堝和槳葉的尺寸、形狀以及合金成分的影響。在本實驗條件下，最佳范圍是1800～3500rpm。實驗中發(fā)現(xiàn)飛灰的顆粒大小不同對復合工藝中攪拌速度的要求不同。較大的飛灰顆粒在較小的速度下就比較容易于加入，而且比較容易打散。同一來源地在相同條件下進行預熱的飛灰，從宏觀形態(tài)上可以看出，大的顆粒不易于成團狀，加入時幾乎是一顆一顆加入的。而小顆粒飛灰易于結(jié)成團狀，常常是以團聚集著進入鋁熔體，在鋁液中靠槳的作用和鋁液的沖擊將其打碎，槳速小則不易于打開。4鑄造工藝經(jīng)上述工藝制成的鋁合金復合熔體的流動性比較好，可以用常規(guī)工藝鑄造成復合材料合金錠。如此生產(chǎn)的鋁基電廠飛灰復合材料的典型光學金相組織如附4(a)、(b)所示。在鋁合金基體組織上均勻分布著飛灰顆粒。定量金相測量(JVCTK-5310圖像分析處理系統(tǒng))測量結(jié)果在飛灰加入10％(重量百分數(shù))的時候，其體積百分數(shù)為19.84～20.75％之間。鋁基電廠飛灰復合材料中顆粒與基體的界面處的組織如附圖5所示。正常工藝下復合材料的界面結(jié)合良好。幾種工藝參數(shù)對界面形態(tài)的影響如下鋁基電廠飛灰復合材料的界面組織在攪拌時間比較短、溫度比較低、鎂含量比較少的時候，顆粒保留著原來的形貌和成分。界面外層的基體也沒有變化。如附圖5(a)所示。在攪拌時間比較長，溫度較高的時候，在顆粒周圍有硅相顆粒析出(如附圖5(b)所示)。估計這與硅相在顆粒表面優(yōu)先形核以及顆粒中的氧化硅被還原引起界面附近硅濃度增大有關。在鎂含量繼續(xù)增大以后，顆粒周圍出現(xiàn)Mg2Si相(如附圖5(c))。這是多余的鎂和硅反應的結(jié)果。飛灰顆粒與基體合金之間的界面化學反應對材料的物理化學性能有很大的影響。界面反應一方面增加了顆粒與基體之間的結(jié)合能，另一方面增加了界面的脆性，降低合金的韌性指標。在實際研究工作中要根據(jù)基體和顆粒的不同性質(zhì)，合理地控制界面反應程度。本發(fā)明的技術方案除了用預熱溫度、攪拌溫度等工藝參數(shù)控制界面反應以外，還添加微量元素(如錳、鎳、鉻、稀土元素等)，將界面反應調(diào)節(jié)在一個比較合適的范圍以內(nèi)。由于飛灰顆粒的加入(特別是空心和疏松顆粒的存在)，使復合材料的抗拉強度略有下降。但是下降的幅度一般小于5％。一般仍然高于基體合金標準規(guī)定的最低值。初步實驗中我們測量了鋁基電廠飛灰復合材料的密度。測量結(jié)果顯示，復合材料的密度隨著顆粒體積分數(shù)的增加而線性下降(見應用實例2)。減震性的要求是隨著防治噪音公害的要求而提出來的。減震性低是金屬材料的固有弱點。因此，用金屬材料制造的運動機械的噪音都比較大。如何降低機械振動發(fā)出的噪音公害是近幾年來工程界的熱門話題。70年代以來材料工作者就如何從材料本身性能出發(fā)，增加材料的減震性能開始了積極的探索。目標是在保證金屬材料所具有的優(yōu)良性能的基礎上，提高它對振動噪音的吸收能力。使用復合材料是達到這一目標的方法之一。本文用公式(1)、(2)分別計算衰減系數(shù)(δ)和固有消振能(SpecificDampingCapacity簡稱為SDC)。&delta;=LNAnAn+1]]>SDC=&Delta;WW]]>=An2-An+12An2]]>式中δ-振動衰減系數(shù)An-第N次振動的振幅An+1-第N+1次振動的振幅SDC-固有消振能W-第N個振動周期的能量ΔW-第N個振動周期到第N+1個振動周期的能量損失鋁基電廠飛灰復合材料的耐磨性比基體合金提高20％以上(見應用實例1)。采用本發(fā)明技術方案制備的鋁基電廠飛灰復合材料具有以下效果鋁基電廠飛灰復合材料的密度低于基體合金，強度和剛度至少與基體合金相當。比強度和比剛度大于基體合金。鋁基電廠飛灰復合材料的減震、耐磨性能遠遠高于基體合金。作為結(jié)構(gòu)材料可以替代基體合金，起到降低構(gòu)件重量、減少機構(gòu)噪音輸出，即節(jié)能降噪的良好效果。本發(fā)明復合材料的添加相--電廠飛灰是電力工業(yè)排放的廢棄物。將其利用起來作為工業(yè)原材料的成本成本很低，同時減少了由它造成的環(huán)境污染，經(jīng)濟效益和社會效益都十分明顯。采用本發(fā)明技術方案制備鋁基電廠飛灰復合材料的工藝方法具有以下效果與已有工藝技術相比，本發(fā)明技術方案的攪拌法生產(chǎn)顆粒增強復合材料的工藝簡單，顆粒的預熱溫度范圍寬，成品率高，運行成本低。采用本發(fā)明技術方案制備鋁基電廠飛灰復合材料的制備裝置具有以下效果攪拌槳的結(jié)構(gòu)簡單，材料耐侵蝕能力強。爐蓋與爐體、攪拌槳軸之間的密封采用磁流體密封技術。密封效果好，保證了爐內(nèi)氣氛對鋁合金熔體的防護效果。從而保證了復合材料的組織和性能要求。下面結(jié)合附圖敘述本發(fā)明的實施例。圖1(a)是較細顆粒電廠飛灰的掃描電鏡照片；圖1(b)是較粗顆粒的掃描電鏡照片。圖2是復合材料制備工藝裝置的簡圖。圖3(a)攪拌槳結(jié)構(gòu)簡圖；(b)是(a)的A向視圖。圖4(a)和(b)是鋁基電廠飛灰復合材料的光學金相組織照片。圖5(a)、(b)、(c)是鋁基電廠飛灰復合材料界面處的光學金相組織照片。其中圖5(a)是攪拌溫度較低、時間較短時形成的界面，顆粒增強材料和其附近的基體材料的化學成份都沒有發(fā)生變化，界面明顯。圖5(b)是溫度較高，攪拌時間較長，發(fā)生了鋁、鎂及其它活性元素對顆粒中的氧化硅還原作用，顆粒表面形成硅相核心以后的組織。在顆粒的周圍生長出硅相的顆粒組織。圖5(c)是在鎂量過大以后，在顆粒周圍界面附近出現(xiàn)鎂硅化合物(Mg2Si)的界面顯微組織。圖6是鋁基電廠飛灰復合材料的密度和飛灰含量之間的關系。圖7是鋁基電廠飛灰復合材料的制備工藝流程圖。具體實例如下，當然實施本發(fā)明方案的實施例不僅僅是以下3個。應用實施例1從將來在殼體材料中的應用出發(fā)，第一輪實驗采用ZL101鑄造鋁合金。配料方案和實際熔煉結(jié)果如表二所示。表二、鑄鋁ZL101合金熔鑄效果復合材料和基體合金的力學性能對比如表三所示，減震性能如表四所示。從表中數(shù)據(jù)看出，復合材料的力學性能與基體合金相當，而減震性能明顯高于基體合金。ZL101鋁合金基體+10％電廠飛灰復合材料樣品在本文實驗條件下的磨損失重為0.0142克。在相同條件下，ZL101鋁合金的磨損失重為0.0186克。添加飛灰前后試樣二者對比磨損失重下降約24％。可見鋁基電廠飛灰復合材料的耐磨性優(yōu)于基體合金。表三、實驗合金的力學性能>注各號樣品的成分和狀態(tài)1-ZL101合金基體+10％飛灰(45～76μ)2-ZL101合金基體+10％飛灰(＜45μ)3-ZL101合金應用實施例2從輕型殼體材料的應用出發(fā)，應用例2的基體材料選用ZL303合金。配料和熔鑄后化學成分如表五所示。飛灰顆粒含量對復合材料的密度的影響如表六和圖6所示。其密度值和飛灰含量之間的關系基本為一條直線。鋁基電廠飛灰復合材料力學性能的檢測結(jié)果如表七所示。表四、鑄鋁303合金熔鑄效果表五、鋁基電廠飛灰復合材料的密度測定值表六、鋁基電廠飛灰復合材料力學性能實驗結(jié)果注各號樣品的成分和狀態(tài)1-ZL303合金基體+20％飛灰(76～97μ)2-ZL303合金鋁基電廠飛灰復合材料及其對比材料的減震性實驗數(shù)據(jù)如表七。從這些數(shù)據(jù)可見鋁基電廠飛灰復合材料的減震能力明顯高于兩種對比合金。表七、鋁基電廠飛灰復合材料的減震性實驗數(shù)據(jù)應用實施例3考慮在結(jié)構(gòu)用鋁合金中采用鋁基電廠飛灰復合材料，實驗了以LD31(6063)合金為基體的鋁基電廠飛灰復合材料。合金基體配料成份如表八所示。金相組織如圖4(b)所示。減震性實驗數(shù)據(jù)如表九所示。權(quán)利要求1.鋁基電廠飛灰復合材料，其特征是該材料的合金成份范圍是(重量百分數(shù))a.基本強化元素硅0～21％，鎂0.1～11％，銅0～11％，錳0～2％，鋅0～13％，鎳0～3％，鉻0～1％，稀土0～5％；b.晶粒細化和硅相變質(zhì)劑鈦0～0.5％，硼0～0.1％，鋯0～0.3％，銻0～0.3％，鈉0～0.3％，鍶0～0.3％，鈰0～0.1％，鑭0～0.1％，碲0～0.2％；c.雜質(zhì)含量上限鐵＜1.8％；d.電廠飛灰0.5～30％；e.其余為鋁。2.用于制備權(quán)利要求1所述的鋁基電廠飛灰復合材料的方法，按以下工藝進行a)按權(quán)利要求1所述的基體合金a，b，c，e配料熔化，同時對電廠飛灰在300～750℃之間進行預熱；b)當基體合金熔化達到復合溫度650～800℃時開始加入電廠飛灰，并采用采用攪拌法將電廠飛灰顆粒均勻分布于合金熔體中；c)鑄錠。3.按權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的鋁基電廠飛灰復合材料及其制備方法，其特征是所說的加入電廠飛灰采用干灰，其粒度在0.5～500微米之間。4.用于權(quán)利要求1所述的鋁基電廠飛灰復合材料的制備裝置是由熔煉坩堝、熔煉爐和攪拌器組成，熔煉坩堝置于熔煉爐內(nèi)，攪拌器插入熔煉坩堝內(nèi)的合金熔體中，并由電動機驅(qū)動攪拌槳旋轉(zhuǎn)。5.按權(quán)利要求4所述的鋁基電廠飛灰復合材料制備裝置，其特征是所說的攪拌槳采用2層及以上，槳葉按與水平方向呈一定角度傾斜安裝，傾角為30°～60°。全文摘要本發(fā)明涉及以鋁及其合金作為基體,以火電廠廢料—電廠飛灰作為添加相的鋁基飛灰復合材料及其制備方法和裝置。飛灰的粒度在0.5～500μm之間。飛灰的含量為0.5～30%。這種復合材料的力學性能與基體合金相當,而耐磨性、減震性明顯優(yōu)于基體合金。制備這種復合材料的工藝是攪拌法。攪拌設備中包含至少一層成對安裝的攪拌槳。設備、工藝簡單。生產(chǎn)成本低,是節(jié)能降耗的綠色工程材料。文檔編號C22C21/00GK1174895SQ9710140公開日1998年3月4日申請日期1997年1月5日優(yōu)先權(quán)日1997年1月5日發(fā)明者劉勇兵,曹占義,陸有,張明哲,安健,孫大仁,張振清,費翠萍,董皓申請人:吉林工業(yè)大學,延吉鋁業(yè)集團公司