CN101775527B - 陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料及其制备方法和用于制备该材料的喷射沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝基复合材料及其制备技术领域，具体公开了一种陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料及其制备方法和所用装置，该复合材料是以铝合金为基体，用作增强材料的陶瓷颗粒在表层、底层中的体积分数分别为30％～40％和0～5％，且陶瓷颗粒从表层到底层呈连续梯度变化；其制备方法为先使陶瓷增强颗粒经一出料量调控装置进入高压气流通道，并形成固气两相流；熔融的铝合金液被雾化并与固气两相流中的陶瓷颗粒混合，然后沉积在沉积基体上制得沉积坯；再通过一可编程逻辑控制器根据沉积坯高度信息控制出料量调控装置和输送气压，得到陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料。本发明的制备方法操作方便、自动化程度高，制得的复合材料具有轻量化、表面高耐磨、耐腐蚀等优点。

Description

陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料及其制备方法和用于制备该材料的喷射沉积装置

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法和制备用的装置，尤其涉及一种陶瓷颗粒增强铝基的复合材料及其制备方法和制备用的装置。

背景技术

陶瓷颗粒增强铝基复合材料由于具有密度低、比强度高、比刚度高、弹性模量高、耐磨性能优异、膨胀系数可控等一系列优点，在交通车辆、航空、电子等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，例如采用铝基复合材料制动盘代替目前普遍采用的是铸铁盘，应用于高速列车、汽车、工程车辆、吊装设备等的耐磨制动部件，以降低车身质量，提高车辆和设备的使用性能和安全性，这已成为该技术领域的一个主要发展方向。

对于诸如制动盘这类同时承受摩擦力和冲击或剪切载荷的零部件，在服役过程中应同时具备表面高耐磨、耐蚀、耐高温性能，而部件整体应具有优良的强度、塑性、韧性等力学性能。在现代工程领域中此类应用还有很多，如装甲板、破碎机鳄板、球磨机衬套、导电轨等。采用铝基复合材料制备这类部件时，要求其表层具有较高体积分数含量的陶瓷增强颗粒以保证部件的高硬度、高模量和高耐磨性，而心部含有较少的或不含陶瓷颗粒以保证部件的高强度和高韧性；同时要求材料的各种性能从表层到心部连续变化，这就要求复合材料中的陶瓷颗粒浓度从表层到心部呈连续梯度分布。

目前，国内外用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的常用方法分为铸造冶金法和粉末冶金法两大类，但所制备的付复合材料均为增强颗粒均匀分布在合金基体中的“均质”复合材料，而且研究的重点一直是提高陶瓷颗粒在合金基体中的分散均匀性。采用铸造法制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料时存在界面反应严重、陶瓷颗粒分散均匀性不理想等问题。粉末冶金法是制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的理想方法，但金属或合金粉末在制备和储运过程中容易污染，减低了材料的韧性，同时此方法难以制备大尺寸复合材料坯件等问题，且工序复杂、生产效率相对较低。更重要的是，采用铸造冶金法和粉末冶金法均无法制备出陶瓷颗粒在基体中呈连续梯度分布的金属基复合材料大尺寸坯件。

喷射沉积技术是日前新出现的一种制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的理想方法，是继铸造冶金和粉末冶金技术之后发展起来的快速凝固材料制备新技术，能够获得具有快速凝固特征组织的基体合金，基体内陶瓷颗粒分散均匀、体积百分数高，无有害界面反应的组织。现有的喷射沉积技术采用了增强颗粒与雾化金属液滴混合共沉积形成复合材料坯件，在一定程度上解决了铸造及粉末冶金工艺存在的一些不足，但研究的重点仍然是提高陶瓷颗粒在合金基体中的分散均匀性，但这种“均质”复合材料在实际应用中存在上述局限性，例如采用陶瓷颗粒增强铝基复合材料制造的轻量化制动部件虽然表面耐磨、耐蚀等性能优异，但材料的整体塑性偏低、韧性也不高，在应用过程中耐疲劳性能不足。另外，由于常规的铝合金基体耐热性能也不够理想，因此普通的铝基复合材料制动盘难以适应现代高速重载制动部件的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种轻量化、表面高耐磨、耐腐蚀、整体塑性和韧性较好的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，还提供一种工艺简单、操作方便、自动化程度高的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的制备方法，还提供一种结构简单、组装方便、操作性好的用于制备该复合材料的喷射沉积装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，所述复合材料是以铝合金为基体，以陶瓷颗粒为增强材料，其特征在于：所述陶瓷颗粒在所述复合材料表层(一般以5～20mm厚度计，可根据需要调节)中的体积分数为30％～40％，所述陶瓷颗粒在所述复合材料底层(一般以5～20mm厚度计，可根据需要调节)的体积分数为0～5％，且所述陶瓷颗粒在复合材料中的体积分数从复合材料表层到复合材料底层呈连续梯度变化。但本发明的技术方案并不限于铝合金基体，其他类似的合金(例如铜基合金、铁铁)均可作为本发明工艺的原料，进而得到不同基体的梯度复合材料。

上述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料中，所述复合材料的厚度优选为200～800mm，因为该厚度范围内制备出的梯度复合材料中陶瓷颗粒的梯度分布性较为均匀，复合材料的性能较优，且其制备相对容易，但是根据实践需要和工艺调整也可采用其他厚度参数。

上述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料中，所述铝合金基体的平均晶粒度优选在10μm以下。铝合金基体的平均晶粒度是金属材料的重要微观组织指标，一般来说，晶粒越细小，材料的综合性能会越高，如强度、塑性以及抗腐蚀性能都会得到改善，一般铸件的晶粒会有几十到几百微米，有的大型铸件可达毫米级，性能就相对较差。细化铝合金基体晶粒的措施之一是快速凝固，即提高铝合金金属从液态到固体凝固时的冷却速度，一般铸造过程视铸件的大小，凝固速度可达到每秒钟降低几摄氏度(甚至几十摄氏度)，而大型铸件每分钟可能降低还不到1摄氏度。本发明下述的喷射沉积制备方法由于有大量气体的雾化同时立即沉积在一个较冷的沉积基体上，冷却速度可达到10³～10⁴℃/s数量级，可谓是快速凝固过程，因此本发明复合材料中铝合金基体的晶粒度在几个微米的范围内，这也是本发明的一大优势。

上述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料中，所述陶瓷颗粒的平均粒径优选为4～20μm。在本发明的铝基梯度复合材料中，陶瓷颗粒一般是越细越好，因为陶瓷颗粒越小，材料的强度、耐磨性、模量都会有很好的改善，避免发生有害的界面反应；陶瓷颗粒如果太大，就会起到“杂质”的作用，割裂基体，引起应力集中等有害现象。但陶瓷颗粒越小，造价会更高，同时复合起来的难度也会增加，本发明优选的平均粒径是经过反复实验后确定的，能够使本发明的铝基梯度复合材料具有较好的综合性能。

本发明的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料中，一方面使陶瓷颗粒梯度分布的同时，还使陶瓷颗粒具有良好的分散性(所谓分散性良好是指陶瓷颗粒没有偏聚，结团，颗粒分布均匀)，而且也极大地细化了铝合金基体的晶粒度，这使得本发明的复合材料表现出优异的综合性能。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的制备方法，包括以下步骤：准备好陶瓷增强颗粒，同时将铝合金熔融；所述陶瓷增强颗粒经设在出料口处的出料量调控装置进入高压气流通道，再通过高压气流携带所述的陶瓷增强颗粒形成固气两相流；以该固气两相流作为雾化介质，熔融的铝合金液被喷射、雾化形成雾化液流并与所述雾化介质中的陶瓷增强颗粒混合，得到固液颗粒流；该固液颗粒流沉积在预设的沉积基体上，快速凝固后制备得到铝基复合材料沉积坯；通过一旋转编码器将所述沉积坯的高度信息h(旋转编码器采集驱动所述沉积坯升降的驱动电机的转速和工作时间进而获得所述沉积坯的高度信息h)输入可编程逻辑控制器(PLC)，该可编程逻辑控制器根据高度信息h控制所述的出料量调控装置和所述高压气流的输送气压(根据具体实践，某一参数可以为定值，而另一参数进行调控即可)，直至所述沉积坯达到设定的沉积厚度，得到陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料。

上述的制备方法中，所述出料量调控装置优选包括一叶轮(或者与叶轮类似的螺旋杆等)和驱动该叶轮的调速电机，该调速电机连接至所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器根据高度信息h控制出料量调控装置的具体方式优选为：在制备

250×300mm的圆柱体锭坯时，随所述沉积坯的高度信息h由0～300mm连续增加，所述调速电机的转速v由0～300r/min连续增加；

所述输送气压p优选控制在0.6～1.0MPa。

上述的制备方法中，所述铝合金液的喷射流量优选为40～60g/s；所述铝合金液的雾化气压优选为0.6～1.0MPa；所述沉积基体的下降速度优选为1.0～1.5mm/min。通过优化喷射流量和雾化气压等工艺参数可进一步提高铝合金熔液的冷却速度，使成品中铝合金基体的晶粒进一步细化。

与上述本发明的产品和制备方法相配套，本发明还提供一种用于制备陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的喷射沉积装置，其特征在于：所述喷射沉积装置包括液流喷射装置、陶瓷颗粒输送装置和自动控制装置，所述液流喷射装置包括一盛装熔融铝合金的坩埚和设于该坩埚出料口处的喷枪，所述陶瓷颗粒输送装置包括进料斗和设于该进料斗出料口处的出料量调控装置，所述出料量调控装置通过输送管道与一高压气流通道连通，该高压气流通道的送风口处设有一控制气流大小的流量阀，所述高压气流通道的出口处再通过输送管道与所述喷枪的喷射口连通；所述自动控制装置包括可编程逻辑控制器和接收复合材料沉积坯高度信息(h)的旋转编码器，所述旋转编码器、流量阀和出料量调控装置均通过数据线与所述可编程逻辑控制器连接。

上述的喷射沉积装置中，所述出料量调控装置优选包括一叶轮(或者与叶轮类似的螺旋杆等)和驱动该叶轮的调速电机，该调速电机通过数据线连接至所述可编程逻辑控制器。

上述的喷射沉积装置中，所述高压气流通道优选包括一文丘里管，该文丘里管可以产生一个负压吸动，把陶瓷颗粒从管道中吸入再从出口喷出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供了一种陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，该铝基梯度复合材料中陶瓷颗粒增强相的体积分数在基体中呈梯度分布(或基体材质的成分或组织呈梯度分布)，这使得本发明铝基梯度复合材料的性能由心部到表层产生连续性改变，这种连续性改变可以是连续性增加或连续性减少，也可以是周期性变化。通过不同性质的连续梯度变化，则可使得材料具有不同的性能。最具显著效果的是，本发明的铝基梯度复合材料是由表面层向底层(即心部)逐渐降低陶瓷颗粒含量，这样不仅保证了本发明的铝基梯度复合材料的表面层具有耐磨损、耐高温性能，而且保证了铝基梯度复合材料整体的塑性和韧性，同时能够满足目前耐磨部件的轻量化要求。相应的，本发明提供的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的制备方法不仅工艺简单、操作方便，而且自动化程度高，能够高效率地制备本发明的铝基梯度复合材料(制备铝基梯度复合材料管坯、板坯均可)。而应用于该制备方法中的本发明的喷射沉积装置，不仅结构简单，组装方便，而且操作性好，生产出的复合材料产品质量优异。

附图说明

图1为本发明实施例中陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯在表层拍摄的截面扫描电镜照片；

图2为本发明实施例中陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯在高度h为180mm处拍摄的截面扫描电镜照片；

图3为本发明实施例中陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯在高度h为100mm处拍摄的截面扫描电镜照片；

图4为本发明实施例中陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯在高度h为5mm处拍摄的截面扫描电镜照片；

图5为本发明实施例中陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯在底层(约高度h为1mm处)拍摄的截面扫描电镜照片；

图6为本发明实施例中喷射沉积装置的结构示意图；

图7为图6中A-A处的剖面图。

图例说明：

1、液流喷射装置        11、坩埚

12、喷枪               2、陶瓷颗粒输送装置

21、进料斗             22、出料量调控装置

23、叶轮               24、调速电机

25、高压气流通道       26、文丘里管

27、流量阀             3、自动控制装置

31、旋转编码器         32、驱动电机

33、可编程逻辑控制     34、计算机

4、沉积基体            5、升降机构

6、雾化射流            7、沉积坯

具体实施方式

实施例：

一种如图1～图5所示的本发明的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料锭坯，锭坯直径为250mm，厚度为300mm(

250mm×300mm)，该复合材料是以6066铝合金为基体，该铝合金基体的平均晶粒度为10μm，以SiCp陶瓷颗粒为增强材料，该陶瓷颗粒的平均粒径为5μm。如图1所示，在该锭坯表层，SiCp陶瓷颗粒的体积分数为30％；如图2所示，在该锭坯中上部(h＝180mm高度处)，SiCp陶瓷颗粒的体积分数约为20％；如图3所示，在该锭坯中下部(h＝100mm高度处)，SiCp陶瓷颗粒的体积分数约为10％；如图4所示，在该锭坯h＝5mm高度处，SiCp陶瓷颗粒的体积分数约为5％；如图5所示，在该锭坯的底层(约高度h为1mm处)，SiCp陶瓷颗粒的体积分数接近0。由图1～图5可见，该SiCp陶瓷颗粒在复合材料中的体积分数从复合材料锭坯的表层到底层呈连续梯度变化。

一种如图6、图7所示的用于制备本实施例陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的喷射沉积装置，该喷射沉积装置包括液流喷射装置1、陶瓷颗粒输送装置2和自动控制装置3，液流喷射装置1包括一盛装熔融铝合金的坩埚11和设于该坩埚11出料口处的喷枪12，陶瓷颗粒输送装置2包括进料斗21和设于该进料斗21出料口处的出料量调控装置22，出料量调控装置22包括叶轮23(见图7)，叶轮23由一调速电机24驱动，出料量调控装置22通过一输送管道与一高压气流通道25连通，该高压气流通道25的主体包括一文丘里管26，文丘里管26通过一输送管道与喷枪12的喷射口连通；在该高压气流通道25的送风口处设有一控制气流大小的流量阀27；自动控制装置3包括旋转编码器31(施耐德电气公司生产的XCC型旋转编码器)、驱动电机32和可编程逻辑控制器33(施耐德电气公司生产的Twido一体型可编程逻辑控制器)，旋转编码器31通过带轮与驱动电机32连接，驱动电机32驱动沉积基体4的升降机构5进行上下升降，可编程逻辑控制器33连接到一计算机34上并由计算机34进行操控，旋转编码器31、调速电机24、流量阀27均通过数据线与可编程逻辑控制器33连接。

本实施例的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料是采用上述喷射沉积装置并通过以下步骤制备得到：

首先准备好SiCp陶瓷增强颗粒，并置于进料斗21中，同时将铝合金熔融置于坩埚11中；进料斗21中的SiCp陶瓷增强颗粒通过调速电机24带动叶轮23送入高压气流通道25的文丘里管26中，高压气体经流量阀27进入文丘里管26产生负压同时将SiCp陶瓷增强颗粒全部吸入并形成固气两相流；该固气两相流经过高压气流通道25后到达喷枪12的喷射口，以该固气两相流作为雾化介质，熔融的铝合金液被喷枪12喷射、雾化形成雾化液流并与雾化介质中的陶瓷增强颗粒混合，得到固液颗粒流(即雾化射流6)；该雾化射流6直接喷向预先设置的沉积基体4上沉积、冷却、凝固形成沉积坯7；沉积基体4位于升降机构5上，随着沉积坯7高度的增加，升降机构5在驱动电机32的驱动下不断下降(下降速度控制在1.0mm/min)以保持喷射高度(即沉积坯8表面与喷枪12之间的距离)不变。喷射时旋转编码器31采集驱动电机32的转速和工作时间，进而获得沉积基体4的下降高度h₁，然后在线计算出沉积坯7的高度h并输入到可编程逻辑控制器33中(沉积坯高度信息与陶瓷颗粒送粉量的关系模型已转化为配套软件TwidoSoft并预先安装到该可编程逻辑控制器33)，可编程逻辑控制器33即开始调控调速电机24的转速，进而控制SiCp陶瓷增强颗粒输入量，即实现了不同高度h的沉积坯7中含有不同体积分数的SiCp陶瓷增强颗粒。

在上述制备过程中，6066铝合金的熔融温度控制在950℃，经喷枪12喷射的液流直径为3.4mm，喷射流量为50g/s，雾化气压为0.8MPa，喷射高度控制在200mm左右，随所述沉积坯7的高度h由0～300mm连续增加，可编程逻辑控制器33通过控制调速电机24进而调节叶轮23的转速v由0～300r/min连续增加，这使得SiCp陶瓷增强颗粒的输送量在0～20g/s范围内连续变化；通过控制流量阀27使得SiCp陶瓷增强颗粒在高压气流通道25中的输送气压恒定为0.8Mpa，也可调整流量阀27进一步而调节SiCp陶瓷增强颗粒的供给速率。

Claims (4)

1.一种陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，所述复合材料是以铝合金为基体，以陶瓷颗粒为增强材料，其特征在于：所述陶瓷颗粒在所述复合材料表层中的体积分数为30％～40％，所述陶瓷颗粒在所述复合材料底层的体积分数为0～5％，且所述陶瓷颗粒在复合材料中的体积分数从复合材料表层到复合材料底层呈连续梯度变化；所述铝合金基体的平均晶粒度在10μm以下，所述陶瓷颗粒的平均粒径为4～20μm。

2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，其特征在于：所述复合材料的厚度为200～800mm。

3.一种如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的制备方法，包括以下步骤：准备好陶瓷增强颗粒，同时将铝合金熔融；所述陶瓷增强颗粒经设在出料口处的出料量调控装置进入高压气流通道，再通过高压气流携带所述的陶瓷增强颗粒形成固气两相流；以该固气两相流作为雾化介质，熔融的铝合金液被喷射、雾化形成雾化液流并与所述雾化介质中的陶瓷增强颗粒混合，得到固液颗粒流；该固液颗粒流沉积在预设的沉积基体上，凝固后制备得到铝基复合材料沉积坯；通过一旋转编码器将所述沉积坯的高度信息h输入可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器根据高度信息h控制所述的出料量调控装置和所述高压气流的输送气压，直至所述沉积坯达到设定的沉积厚度，得到陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料；

所述出料量调控装置包括叶轮和驱动该叶轮的调速电机，该调速电机连接至所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器根据高度信息h控制出料量调控装置的具体方式为：在制备

的圆柱体锭坯时，随所述沉积坯的高度信息h由0～300mm连续增加，所述调速电机的转速v由0～300r/min连续增加；

所述输送气压p控制在0.6～1.0MPa；

所述铝合金液的喷射流量为40～60g/s；所述铝合金液的雾化气压为0.6～1.0MPa；所述沉积基体的下降速度为1.0～1.5mm/min。

4.一种用于制备如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料的喷射沉积装置，其特征在于：所述喷射沉积装置包括液流喷射装置、陶瓷颗粒输送装置和自动控制装置，所述液流喷射装置包括一盛装熔融铝合金的坩埚和设于该坩埚出料口处的喷枪，所述陶瓷颗粒输送装置包括进料斗和设于该进料斗出料口处的出料量调控装置，所述出料量调控装置通过输送管道与一高压气流通道连通，该高压气流通道的送风口处设有一控制气流大小的流量阀，所述高压气流通道再通过输送管道与所述喷枪的喷射口连通；所述自动控制装置包括可编程逻辑控制器和接收复合材料沉积坯高度信息的旋转编码器，所述旋转编码器、流量阀和出料量调控装置均通过数据线与所述可编程逻辑控制器连接；

所述出料量调控装置包括一叶轮和驱动该叶轮的调速电机，该调速电机通过数据线连接至所述可编程逻辑控制器；

所述高压气流通道包括一文丘里管。

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