CN102140599A

CN102140599A - 一种电流与磁场复合作用下合成颗粒增强复合材料的方法

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Publication number: CN102140599A
Application number: CN 201110037708
Authority: CN
Inventors: 王宏明; 李桂荣; 赵玉涛; 张勋寅; 张廷旺
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: CN102140599B

Abstract

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种在电流与磁场复合作用下熔体直接反应合成制备颗粒增强铝基复合材料的方法。该方法的主要特征是在熔体直接反应法制备颗粒增强铝基复合材料的合成过程中对熔体通入电流并施加磁场，目的是利用电流与磁场之间交互作用产生的电磁振荡效应促进熔体反应及控制颗粒形貌、尺寸和运动及分布行为。本发明的方案可以是交流电流与静磁场复合，也可以是直流电与交变磁场复合。采用本发明可以显著提高合成反应速率和产率，并具有显著的颗粒形貌控制和促进分散的效果，适合工业规模制备高性能颗粒增强复合材料。

Description

一种电流与磁场复合作用下合成颗粒增强复合材料的方法

技术领域

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种在电流与磁场复合作用下熔体直接反应合成制备颗粒增强铝基复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及机械性能，逐渐成为一种应用越来越广泛的新型材料；颗粒增强铝基复合材料的制备方法较成熟的主要有两种：外加增强颗粒法和原位反应生成法。

目前，熔体反应合成法是制备颗粒增强铝基复合材料的重要方法，该方法是通过向熔体内加入反应物（以盐或氧化物为主），通过反应物与铝基体间的原位化学反应形成增强颗粒相；该方法制备颗粒增强铝基复合材料的优点是颗粒相与基体界面不受污染、相界面润湿性好、相结合力强且工艺过程相对简单等，因此日益受到国内外研究的重视。

熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料存在的主要问题是反应过程难控制，表现在反应速度和效率难以提高，生成的颗粒增强相易团聚长大，严重影响材料的工业规模生产和应用；利用外场作用可以改善原位合成反应的热力学与动力学条件，起到促进原位反应进行的作用，同时，外场作用可以控制颗粒相的过分长大或偏聚团簇现象，因此，在外场下原位合成铝基复合材料越来越受到研究者的重视。

现有技术中，提出了采用电磁场、超声场及其组合外场下制备颗粒增强金属基复合材料；这些现有技术主要包括：中国专利：CN 1676641A（公开日：2005.10.5，发明名称：制备金属基纳米复合材料的磁化学反应原位合成方法）提出在磁场（稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场）下进行原位磁化学反应合成；中国专利：CN 1958816（公开日：2007.05.09，发明名称：功率超声法制备内生颗粒增强铝基表面复合材料工艺）提出利用功率超声制备内生颗粒增强(Al₃Ti相)铝基表面复合材料，使增强相在基体的表层分布均匀，界面结合更好；中国专利：CN 101391290A，一种磁场与超声场耦合作用下制备金属基复合材料的方法，提出在原位反应过程施加磁场与超声的耦合场；中国专利 CN101391291A提出一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，对熔体的原位反应合成过程施加由旋转磁场和行波磁场组合的磁场。

从现有技术报道及生产实践可知，熔体反应合成制备颗粒增强铝基复合材料的过程中施加电磁场、超声场及其形成耦合外场，具有较好的颗粒细化和分散效果；从熔体直接反应合成原位颗粒增强铝基复合材料的反应特点可知：反应盐与金属熔体之间的反应实质是带电离子颗粒与金属熔体之间的反应，其中带电离子颗粒的行为对原位反应的速率、产率以及颗粒的析出、长大和分布等行为有决定性的影响，因此，原位反应合成过程中在熔体内直接通入电流并对熔体施加磁场，利用电流与磁场交互作用形成的电磁振荡效应直接作用于参与熔体反应合成的熔体、带电粒子（反应盐）及颗粒相，对控制原位反应的速率、产率以及颗粒的析出、长大和分布是一种非常有前景的方法，有望解决目前熔体直接反应合成制备颗粒增强铝基复合材料存在的反应过程难控制、反应速度和效率难以提高、生成的颗粒相形貌和分布难以控制等关键问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的新方法，解决目前熔体反应合成法制备颗粒增强铝基复合材料存在的反应速度和效率难以提高，生成的颗粒增强相易团聚长大等关键问题，实现高性能颗粒增强铝基复合材料的工业规模制备和应用。

实现本发明目的的方法是：在熔体直接反应法制备原位颗粒增强铝基复合材料的反应合成过程中在熔体内通入电流并同时对熔体施加磁场，可以采用交流电流与静磁场组合，也可以采用直流电流与交变磁场组合；利用电流与磁场之间的交互作用在熔体内产生的电磁振荡效应，电磁振荡效应在熔体内产生能量起伏和运动动量起伏，改善原位合成反应的热力学和动力学条件，提高反应速率和产率，特别是促进原位反应中离子迁移和颗粒形核，控制颗粒的形貌、尺寸及改善颗粒的分散性，最终实现控制熔体反应进行及控制颗粒尺寸和行为的目的。

以下结合本发明的示意图(见图1)，说明实现本发明的具体方案如下：

一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，主要包括以下步骤：

a）在保温耐火材料制成的反应合成容器1内将基体金属铝或铝合金熔炼、精炼拔渣后调整到反应起始温度，加入能与铝熔体原位反应生成增强颗粒相的反应物，并搅拌均匀；

b）输入熔体的电流由分别安装在熔池底部和熔池上部的两个平行插入的电极3引入，磁场5安装在反应合成容器1的外侧，将电极插入熔体，然后依次接通输入熔体电流的电源4和磁场5，并调整电流参数和磁场参数到设定范围；

c）本发明的电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，一种方案是采用交变电流与静磁场复合，因此，熔体内通入的电流为交变电流，电流强度为10-1000A，电流频率为50-500Hz，与之对应的磁场采用静磁场，磁场的强度为0.1-5.0T；

d）本发明的电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，另一种方案是采用直流电流与交变磁场复合，因此，熔体内通入的电流为直流电流，电流强度为10-1000A，与之对应的磁场采用交变磁场，磁场的强度为0.02-2.0T，磁场的频率为50-500Hz；

e）电流与磁场复合作用处理熔体的时间为2-10min，待反应结束，依次关闭输入电流的电源4和磁场电源，熔体静置到浇注温度后进行浇注，制得复合材料。

采用本发明的关键特征是：在熔体直接反应合成原位颗粒增强铝基复合材料的反应合成过程中在熔体内通入电流，同时对熔体施加磁场处理，即在电流与磁场复合作用下合成复合熔体；当采用交变电流与静磁场复合作用时，熔体内通入的电流为交变电流，电流强度为10-1000A，电流频率为50-500Hz，与之对应的磁场采用静磁场，磁场的强度为0.1-5.0T；当采用直流电流与交变磁场复合作用时，熔体内通入的电流为直流电流，电流强度为10-1000A，与之对应的磁场采用交变磁场，磁场的强度为0.02-2.0T，磁场的频率为50-500Hz。

与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：

1）本发明在原位反应合成过程中向熔体内直接通入电流并对熔体施加磁场，利用电流与磁场交互作用形成的电磁振荡效应直接作用于参加反应合成的熔体、带电粒子以及颗粒相，电磁振荡作用在熔体内产生的能量起伏及对带电粒子和颗粒的运动能量起伏，改善了原位反应的热力学与动力学，提高了反应的速率和产率，改善了颗粒的运动和分散效果；

2）在电流与磁场交互作用下，合成反应时间缩短，由不施加外场时的20-30min和采用其它形式外场下合成12-20min，缩短到10-12min，这主要是电磁振荡效应改善了原位反应的热力学和动力学，从而提高了反应速率；

3）采用本发明，颗粒相的收得率即最终产率增加到95%以上，提高了反应盐的利用率，减少反应盐消耗并减少了渣量。不施加磁场是，颗粒相收得率一般在80-85%，而现有技术中采用其它形式的外场，其收得率也很难超过90%；

4）本发明中输入的电流与施加的磁场作用相耦合，其效果相互叠加互补增强，比单一施加电流或磁场具有事半功倍的效果，从而使电流消耗和磁场消耗都降低，有利于降低能源的消耗；

5）采用本发明的装备成熟，价格相对低廉，操作简单，特别是本发明可以处理大容量熔体，是一种适合工业规模制备高性能颗粒增强复合材料的方法。

附图说明

图1 脉冲电场下合成颗粒增强铝基复合材料的示意图；

图注：1 反应合成容器；2 复合材料熔体；3 电极；4输入电流的电源；5磁场

图2 实施例1制得复合材料的扫描电镜图；

图3 实施例2制得复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例1：制备ZrB ₂ 颗粒增强铝基复合材料

原材料：基体金属：铝合金；固体粉末：氟锆酸钾和氟硼酸钾粉剂（纯度为99%），精炼脱气剂及扒渣剂；

电流与磁场：电流采用交流电流，电流强度100A，频率55Hz，磁场为静磁场，磁场强度1.0T。

制备过程如下：

（一）首先进行金属熔炼及粉体制备：

铝合金50Kg在坩埚式电阻炉中熔化升温到900℃，脱气、扒渣；所用试剂均在200℃下充分烘干，其中反应盐研磨成细粉（粒度小于100μm），称量后待用，反应盐加入的重量为金属重量的20%（其中氟锆酸钾与氟硼酸钾的重量比为：44：56）。

（二）：熔体反应合成制备复合材料熔体：

熔体温度合格后，进行一次精炼，将精炼好且符合温度要求（900℃）的熔体倾入带保温功能的熔体反应合成器1内，向熔体内加入固体反应物粉末，并用搅拌器搅拌均匀；将电极3插入复合材料熔体内，开启电源4，调整电流参数为：100A，55Hz，然后开启磁场5，调节磁场参数为：磁场强度1.0T；电流与磁场同时作用的时间为10min；然后关闭电场与磁场电源，静置后将制得的复合材料熔体在750℃时浇注制得复合材料。

取样作组织分析，图2是本实施例的制得复合材料的扫描电镜图，由图2可见，复合材料中增强颗粒尺寸在50-200nm，属纳米/亚微米跨尺度颗粒增强复合材料，颗粒形貌完整，颗粒与基体间的界面洁净清晰，分布均匀，说明本发明有非常好的颗粒形貌、尺寸及分布控制效果，这些特征都有利于提高材料的综合性能；另外，针对该反应体系，反应时间由不施加外场时的20分钟缩短到10分钟，合成效率提高一倍，而颗粒相的数量有明显增加，约提高10%左右，说明反应的速率和产率提高。

将本发明制得的复合材料经过T4处理，测定了材料的室温拉伸性能，并与不施加外场及施加其他形式外场，而其他条件与本实施例完全相同条件下制得的材料进行了性能对比，其结果见表1。

表1 实施例1与其他技术方案制得复合材料的性能对比

指标	本发明	无外场	电磁场	超声场
					屈服强度,MPa	365	315	345	350
抗拉强度,MPa	540	370	480	490
					延伸率，%	15.5	11.5	13.5	14.0

因此，总结使用该发明的突出特点是：

1）从微观组织来看，颗粒的形貌圆整、尺寸均匀细小，且分布均匀，即颗粒形貌、尺寸及分布得到有效控制；

2）从反应效率来看，反应时间由不施加外场时的20分钟缩短到10分钟，而颗粒相的数量有明显增加，说明反应的速率和产率提高；

3）从材料室温拉伸性能来看，材料机械性能显著提高。

实施例2：制备（Al ₃ Zr _(s) + Al ₂ O _3(s) ）颗粒增强铝基复合材料

原材料：基体金属：铝合金；固体粉末：工业碳酸锆(Zr(CO₃)₂)粉剂（纯度为99.20%），精炼脱气剂及扒渣剂；

原位反应方程式：7Al_(l)+Zr(CO₃)_2(s)=Al₃Zr_(s)+2Al₂O_3(s)

颗粒增强相：Al₃Zr_(s)和Al₂O_3(s)

电流与磁场：电流采用直流电流，电流强度100A，磁场为交变磁场，磁场强度0.5T，磁场频率为55Hz。

制备过程如下：

（一）首先进行金属熔炼及粉体制备：

铝合金50Kg在坩埚式电阻炉中熔化升温到900℃，脱气、扒渣；所用试剂均在300℃下充分烘干，其中Zr(CO₃)₂研磨成细粉（粒度小于100μm），称量后待用，Zr(CO₃)₂加入的重量为金属重量的10%。

（二）：熔体反应合成制备复合材料熔体：

熔体温度合格后，进行一次精炼，将精炼好且符合温度要求（900℃）的熔体倾入带保温功能的熔体反应合成器1内，向熔体内加入固体反应物Zr(CO₃)₂粉末，并用搅拌器搅拌均匀；将电极3插入复合材料熔体内，开启直流电电源4，调整电流参数为：输出电流强度为100A；然后开启磁场5，调节磁场参数为：磁场强度0.5T，磁场频率55Hz；直流电流与交变磁场同时作用的时间为5min；然后关闭直流电流电源和磁场电源，待反应结束后静置到浇注温度，在750℃时浇注制得复合材料。

取样分析，颗粒尺寸在50-200nm，大部分颗粒尺寸控制在100nm左右，属纳米/亚微米跨尺度颗粒增强复合材料，特别是颗粒形貌完整，颗粒与基体间的界面洁净清晰，这些特征都有利于提高材料的综合性能；图3是本实施例制得复合材料的扫描电镜图；

使用该发明的突出特点是：颗粒的形貌圆整、尺寸均匀细小，且分布均匀，即形貌得到控制，另外，针对该反应体系，反应时间由不施加外场时的25分钟缩短到10分钟，而颗粒相的数量有明显增加，说明反应的速率和产率提高。

实施例3：制备ZrB ₂ 颗粒增强铝基复合材料

本实施例所用的原材料及制备过程与实施实例1完全相同，不同的是采用的电流与磁场的参数不同；所用电流为交变电流，交变电流的参数为：电流强度500A，电流频率为：200Hz；所用磁场为静磁场，磁场的磁感应强度为2T，电流与磁场同时作用的时间为5min。

实施例4：制备（Al ₃ Zr _(s) + ZrB _2(s) ）颗粒增强Al基复合材料

本实施例所用的原材料及制备过程与实施实例2完全相同，不同的是采用的电流与磁场的参数不同；所用电流为交变电流，交变电流的参数为：电流强度1000A，电流频率为：50Hz；所用磁场为静磁场，磁场的磁感应强度为0.1T，电流与磁场同时作用的时间为5min。

实施例5：制备（Al ₃ Zr _(s) + ZrB _2(s) ）颗粒增强Al基复合材料

本实施例所用的原材料及制备过程与实施实例2完全相同，不同的是采用的电流与磁场的参数不同；所用电流为交变电流，交变电流的参数为：电流强度10A，电流频率为：500Hz；所用磁场为静磁场，磁场的磁感应强度为5T，电流与磁场同时作用的时间为10min。

实施例6：制备ZrB ₂ 颗粒增强铝基复合材料

本实施例所用的原材料及制备过程与实施实例1完全相同，不同的是采用的电流与磁场的类型及参数不同；所用电流为直流电流，直流电流的参数为：电流强度10A；所用磁场为交变磁场，磁场的磁感应强度为2T，磁场频率为：50Hz电流与磁场同时作用的时间为2min。

实施例7：制备（Al ₃ Zr _(s) + ZrB _2(s) ）颗粒增强Al基复合材料

本实施例所用的原材料及制备过程与实施实例2完全相同，不同的是采用的电流与磁场的参数不同；所用电流为直流电流，直流电流的参数为：电流强度1000A；所用磁场为交变磁场，磁场的磁感应强度为0.02T，磁场频率为：500Hz电流与磁场同时作用的时间为3min。

Claims

1.一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，包括将铝或铝合金熔体精炼后调整到反应起始温度，加入能与熔体原位反应生成颗粒相的反应物进行合成反应，待反应结束，静置到浇注温度后进行浇注，其方法特征在于：在原位反应合成过程中向熔体内通入电流并同时对熔体施加磁场处理，采用直流电流时同时施加交变磁场，采用交变电流时同时施加静磁场。

2.如权利要求1所述的一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是：采用交变电流与静磁场复合时，即熔体内通入的电流为交变电流，电流强度为10-1000A，电流频率为50-500Hz，与之对应的磁场采用静磁场，磁场的强度为0.1-5T。

3.如权利要求1所述的一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是：采用直流电流与交变磁场复合时，即熔体内通入的电流为直流电流，电流强度为10-1000A，与之对应的磁场采用交变磁场，磁场的强度为0.02-2T，磁场的频率为50-500Hz。

4.如权利要求1所述的一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是：所述电流与磁场复合作用处理熔体的时间为2-10min。

5.如权利要求1所述的一种在电流与磁场复合作用下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

a）在保温耐火材料制成的反应合成容器内将基体金属铝或铝合金熔炼、精炼拔渣后调整到反应起始温度，加入能与铝熔体原位反应生成增强颗粒相的反应物，并搅拌均匀；

b）输入熔体的电流由分别安装在反应合成容器的熔池底部和熔池上部的两个平行插入的电极引入，磁场安装在反应合成容器的外侧，将电极插入熔体，然后依次接通输入熔体电流的电源和磁场，并调整电流参数和磁场参数到设定范围；

c）当采用交变电流与静磁场复合时，电流强度为10-1000A，电流频率为50-500Hz，磁场的强度为0.1-5.0T；

d）当采用直流电流与交变磁场复合时，电流强度为10-1000A，磁场的强度为0.02-2.0T，磁场的频率为50-500Hz；

e）电流与磁场复合作用处理熔体的时间为2-10min，待反应结束，依次关闭输入电流的电源和磁场电源，熔体静置到浇注温度后进行浇注，制得复合材料。