低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料凝固控制領(lǐng)域，具體為一種低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法。該方法先將作為基體的鎂合金或者鋁合金在電阻爐中重熔，然后降低加熱功率使熔體溫度下降半固態(tài)溫度，保溫一段時(shí)間加入增強(qiáng)相晶須或碳納米管并進(jìn)行機(jī)械攪拌，再次升溫至液相線(xiàn)以上并保溫一段時(shí)間，將熔體注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱的石墨模具并置于脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用下進(jìn)行處理，直至合金完全凝固。本發(fā)明通過(guò)采用低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲共同作用進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料的制備，獲得了均勻分布的晶須或碳納米管，解決目前在制備增強(qiáng)相長(zhǎng)徑比較大的金屬?gòu)?fù)合材料過(guò)程中增強(qiáng)相在金屬熔體中的分散問(wèn)題，適用于制備各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及金屬基復(fù)合材料凝固控制領(lǐng)域，具體為一種低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合 作用制備金屬基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬基復(fù)合材料是現(xiàn)代工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料之一，由于晶須和碳納米管所具有 的超高強(qiáng)度，近年來(lái)采用晶須或者碳納米管作為增強(qiáng)相成為金屬基復(fù)合材料研究的重要方 向。然而，由于晶須和碳納米管的長(zhǎng)徑比非常大，且與金屬烙體的潤(rùn)濕性差，在復(fù)合材料的 制備過(guò)程中極易發(fā)生團(tuán)聚，因而如何將其在烙體中進(jìn)行均勻分散成為金屬基復(fù)合材料關(guān)鍵 技術(shù)難題之一。
[0003] 采用超聲烙體處理在金屬基復(fù)合材料制備領(lǐng)域已經(jīng)研究多年，由于超聲可在金屬 烙體中產(chǎn)生空化和聲流等效應(yīng)，不僅可改善增強(qiáng)相與金屬烙體的潤(rùn)濕性，而且可W引起烙 體的局部強(qiáng)制對(duì)流，有利于增強(qiáng)相在金屬烙體中均勻分散并細(xì)化晶粒組織。然而，超聲處理 的局限性在于其作用區(qū)域較小，超聲聲壓隨距離浸入烙體的超聲工具桿端面距離的增大而 急劇減小，只有在工具桿端面附近才能獲得理想的超聲處理效果。因此，單獨(dú)采用超聲處理 不適于制備較大尺寸的金屬基復(fù)合材料巧錠。
[0004] 在金屬凝固過(guò)程中施加脈沖磁場(chǎng)可在烙體中引起強(qiáng)烈的周期性震蕩和對(duì)流，其電 磁力作用區(qū)域可達(dá)整個(gè)烙體，對(duì)烙體的整體作用效果非常顯著。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家單位相繼 開(kāi)展了脈沖磁場(chǎng)凝固控制研究并取得了大量積極成果。
【申請(qǐng)人】經(jīng)多年研究結(jié)果表明：采用 低壓脈沖磁場(chǎng)可顯著細(xì)化儀合金、侶合金、銅合金、娃鋼W及高溫合金凝固組織，為脈沖磁 場(chǎng)在金屬?gòu)?fù)合材料制備方面的應(yīng)用提供了新的思路。然而，脈沖磁場(chǎng)在烙體中難W產(chǎn)生像 超聲空化效應(yīng)那種在局部產(chǎn)生巨大的沖擊力，對(duì)增強(qiáng)相與烙體間的潤(rùn)濕性沒(méi)有明顯影響。
[0005] 在金屬基復(fù)合材料巧錠制備過(guò)程中同時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)與超聲，可W同時(shí)發(fā)揮運(yùn)兩 種外場(chǎng)的獨(dú)特作用優(yōu)勢(shì)，利用脈沖磁場(chǎng)引起的強(qiáng)烈流動(dòng)將超聲在局部產(chǎn)生的空化與聲流效 果擴(kuò)展至整個(gè)烙體區(qū)域，從而獲得增強(qiáng)相整體分布均勻且晶粒細(xì)化、尺寸均勻的金屬基復(fù) 合材料巧錠。但目前關(guān)于低壓脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用對(duì)金屬基復(fù)合材料巧錠組織的影響 尚待研究，特別是對(duì)于采用長(zhǎng)徑比較大的晶須和碳納米管作為增強(qiáng)相在金屬基復(fù)合材料中 的分布規(guī)律尚不清楚，限制了脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用在金屬基復(fù)合材料巧錠制備的應(yīng)用 和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于一種低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方 法，解決目前在制備增強(qiáng)相長(zhǎng)徑比較大的金屬?gòu)?fù)合材料過(guò)程中增強(qiáng)相在金屬烙體中的分散 問(wèn)題，通過(guò)改善增強(qiáng)相在基體中分散狀態(tài)、細(xì)化晶粒并可同時(shí)提高其強(qiáng)度和塑性，W滿(mǎn)足日 益苛刻的工業(yè)需求。 陽(yáng)007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[000引一種低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，采用低壓脈沖磁 場(chǎng)與超聲禪合作用實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料巧錠的制備，先將作為基體的金屬在電阻爐中重 烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時(shí)間加入作為增強(qiáng)相的晶 須或碳納米管并進(jìn)行機(jī)械攬拌，然后再次升溫至液相線(xiàn)W上并保溫一段時(shí)間，將烙體注入 經(jīng)過(guò)預(yù)熱的石墨模具并置于脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用下進(jìn)行處理，直至合金完全凝固。其 中，脈沖磁場(chǎng)勵(lì)磁電壓為50~300V，磁場(chǎng)頻率為0. 5~10化；超聲功率為500~3000W，頻 率為1. 0~2. 5曲Z。
[0009] 所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，脈沖磁場(chǎng)與超 聲復(fù)合作用處理開(kāi)始時(shí)烙體過(guò)熱溫度20~100°C。
[0010] 所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，同時(shí)施加脈 沖磁場(chǎng)與超聲進(jìn)行烙體處理和凝固過(guò)程處理，脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用處理時(shí)間為3~ 15min。
[0011] 所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，石墨模具預(yù)熱 溫度300~600 °C。
[0012] 所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，該方法用于包 括W晶須或碳納米管在內(nèi)的各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料巧錠的制備。
[0013] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想如下：
[0014] 本發(fā)明通過(guò)在金屬基復(fù)合材料巧錠制備過(guò)程中同時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)與超聲，同時(shí)發(fā) 揮運(yùn)兩種外場(chǎng)的作用優(yōu)勢(shì)，利用脈沖磁場(chǎng)引起的強(qiáng)烈流動(dòng)將超聲在局部產(chǎn)生的空化與聲流 效果擴(kuò)展至整個(gè)烙體區(qū)域，從而獲得增強(qiáng)相整體分布均勻且晶粒細(xì)化均勻的金屬基復(fù)合材 料巧錠。 陽(yáng)015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：
[0016] 1.采用本發(fā)明不僅可顯著改善增強(qiáng)相在基體中的分散狀況，而且可整體細(xì)化基體 金屬的晶粒組織，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、安全易行、可W制備各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng)相的金屬 基復(fù)合材料巧錠等優(yōu)點(diǎn)。
[0017] 2.與單獨(dú)采用超聲處理相比，采用本發(fā)明可在更大區(qū)域獲得良好的增強(qiáng)相分散和 晶粒均勻細(xì)化效果，因此可制備較大尺寸的金屬基復(fù)合材料巧錠。
[0018] 3.與采用機(jī)械攬拌等方法相比，采用本發(fā)明能改善增強(qiáng)相與烙體潤(rùn)濕性，增強(qiáng)相 分散效果更好。
[0019] 4.與較高電壓的電磁場(chǎng)凝固方法相比，本發(fā)明采用的脈沖磁場(chǎng)電壓低，安全性高， 設(shè)備體積小，易在工業(yè)中推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料示意圖。圖中，1超聲 發(fā)生器；2超聲工具桿；3超聲電源；4脈沖磁場(chǎng)電源；5烙體；6模具；7勵(lì)磁線(xiàn)圈；8模具臺(tái)。
[0021] 圖2為未施加磁場(chǎng)和超聲（a)與實(shí)施例1單獨(dú)施加超聲化）和施加脈沖磁場(chǎng)和超 聲（C)獲得的棚酸儀晶須增強(qiáng)AZ91D儀合金巧錠凝固組織。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料裝置主要 包括：超聲發(fā)生器1、超聲工具桿2、超聲電源3、脈沖磁場(chǎng)電源4、模具6、勵(lì)磁線(xiàn)圈7、模具臺(tái) 8等，具體結(jié)構(gòu)如下：
[0023] 超聲發(fā)生器1的輸入端與超聲電源3連接，超聲發(fā)生器1的輸出端與超聲工具桿 2的一端連接，超聲工具桿2的另一端伸至模具6內(nèi)的烙體5中，模具6的外側(cè)設(shè)置勵(lì)磁線(xiàn) 圈7,勵(lì)磁線(xiàn)圈7與低壓脈沖磁場(chǎng)電源4連接，模具6設(shè)置于模具臺(tái)8上。
[0024] 該裝置的具體使用過(guò)程如下：
[00巧]1.將所述超聲發(fā)生器1放于支架上，超聲由超聲發(fā)生器1產(chǎn)生，并通過(guò)超聲工具 桿2導(dǎo)入烙體5,超聲發(fā)生器1由超聲電源3供電。將烙體5注入模具6中并置于模具臺(tái)8 上。勵(lì)磁線(xiàn)圈7置于模具6外側(cè)，勵(lì)磁線(xiàn)圈7比烙體5高度略低（一般略低5~100mm)，勵(lì) 磁線(xiàn)圈7與低壓脈沖磁場(chǎng)電源4相連。 陽(yáng)0%] 2.誘注前將模具6置于保溫爐中，在300~600°C預(yù)熱0. 5~比。
[0027] 3.先將作為基體的金屬在電阻爐中重烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半 固態(tài)溫度（液相線(xiàn)W下10°c左右，一般為液相線(xiàn)W下5~20°C)，保溫一段時(shí)間（10~20 分鐘）加入作為增強(qiáng)相的晶須或碳納米管并進(jìn)行機(jī)械攬拌，晶須是指棚酸儀晶須等；然后， 再次升溫至液相線(xiàn)W上并保溫一段時(shí)間（15~25分鐘）。
[0028] 4.將烙體注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱的石墨模具并置于脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用下進(jìn)行處理， 脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用處理開(kāi)始時(shí)烙體過(guò)熱溫度20~100°C，直至合金完全凝固。所用 脈沖磁場(chǎng)勵(lì)磁電壓為50~300V，磁場(chǎng)頻率為0. 5~10化；超聲功率為500~3000W，頻率 為1. 0~2. 5曲Z。
[0029] 該方法具有增強(qiáng)相分布均勻、晶粒細(xì)化效果明顯、低成本、安全易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，適 用于制備各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料，可顯著提高其強(qiáng)度和塑性，W滿(mǎn)足日益苛 刻的工業(yè)需求。
[0030] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 陽(yáng)〇3U 實(shí)施例1 :
[0032] 本實(shí)施例中，將AZ91D儀合金在低碳鋼相蝸中加熱至700°C，保溫后降溫至590°C， 加入烘干的棚酸儀晶須并進(jìn)行機(jī)械攬拌，攬拌時(shí)間5分鐘。機(jī)械攬拌結(jié)束后加大加熱功 率，將烙體溫度提高至650°C并保溫20分鐘后誘入預(yù)熱溫度為600°C的060mm石墨模具， 在巧錠的凝固過(guò)程中全程施加脈沖磁場(chǎng)和超聲。磁場(chǎng)勵(lì)磁電壓100V，頻率2Hz，超聲功率 1000W，頻率2.0曲Z。如圖2所示，從未施加磁場(chǎng)和超聲（a)與單獨(dú)施加超聲化）和施加脈 沖磁場(chǎng)和超聲（C)獲得的棚酸儀晶須增強(qiáng)AZ91D儀合金巧錠凝固組織可W看出，通過(guò)施加 脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用，不僅顯著改善了增強(qiáng)相棚酸儀晶須的分散狀況，而且作為基體 的儀合金晶粒尺寸也獲得了明顯的細(xì)化效果。
[0033] 實(shí)施例結(jié)果表明，通過(guò)施加脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相整體分布均 勻且晶粒細(xì)化的金屬基復(fù)合材料巧錠制備，獲得了優(yōu)化的脈沖磁場(chǎng)與聲場(chǎng)參數(shù)。將基體金 屬在電阻爐中重烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時(shí)間加入 作為增強(qiáng)相的晶須或碳納米管并進(jìn)行機(jī)械攬拌，然后再次升溫至液相線(xiàn)W上并保溫一段時(shí) 間，將烙體注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱的石墨模具并置于脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用下進(jìn)行處理，直至合 金完全凝固。采用本發(fā)明不僅顯著改善增強(qiáng)相在基體中的分散狀況，而且可整體細(xì)化基體 金屬的晶粒組織，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、安全易行等優(yōu)點(diǎn)，可用于制備各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng) 相的金屬基復(fù)合材料巧錠，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于，采用 低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲耦合作用實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料坯錠的制備，先將作為基體的金屬在電 阻爐中重熔，然后降低加熱功率使熔體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時(shí)間加入作為增 強(qiáng)相的晶須或碳納米管并進(jìn)行機(jī)械攪拌，再次升溫至液相線(xiàn)以上并保溫一段時(shí)間，將熔體 注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱的石墨模具并置于脈沖磁場(chǎng)和超聲復(fù)合作用下進(jìn)行處理，直至合金完全凝 固；其中，所用脈沖磁場(chǎng)勵(lì)磁電壓為50~300V，磁場(chǎng)頻率為0. 5~10Hz ;超聲功率為500~ 3000W，頻率為 1. 0 ~2. 5kHz。2. 按照權(quán)利要求1所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法， 其特征在于：脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用處理開(kāi)始時(shí)熔體過(guò)熱溫度20~100°C。3. 按照權(quán)利要求1或2所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方 法，其特征在于：同時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)與超聲進(jìn)行熔體處理和凝固過(guò)程處理，脈沖磁場(chǎng)與超聲 復(fù)合作用處理時(shí)間為3~15min。4. 按照權(quán)利要求1所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法， 其特征在于：石墨模具預(yù)熱溫度300~600°C。5. 按照權(quán)利要求1所述的低壓脈沖磁場(chǎng)與超聲復(fù)合作用制備金屬基復(fù)合材料的方法， 其特征在于：該方法用于包括以晶須或碳納米管在內(nèi)的各種長(zhǎng)徑比增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材 料坯錠的制備。
【文檔編號(hào)】B22D27/02GK105983682SQ201510059003
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月4日
【發(fā)明人】楊院生, 趙福澤, 馮小輝, 李應(yīng)舉, 羅天驕
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院金屬研究所