CN102179502A - 高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法，该装置由四大功能系统，即真空系统、配气系统、增压充气系统和制备系统相互连接组成；采用此装置的制备方法是应用高压气体提供压力，驱动熔融基体金属液体有效填充第二相或预制体孔隙，冷却后获得复合材料。本发明可以显著消除组织缺陷，通过保温保压处理实现对两相界面结构的有效控制，提高复合材料性能，以Al/Diamond复合材料为例热导率可达到649W/mK；通过合理的高压气体成分设计，可解决特殊金属基复合材料制备中存在的问题，提高复合材料制备质量，如基体金属Mg的活性和Diamond的高温石墨化问题等；实现大量类型金属基复合材料复杂形状零部件的近净成形；本发明制备质量高，可重复性强。

Description

高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备装置及技术领域，提供了一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法。

背景技术

金属基复合材料具有优异的综合性能，可以满足在航空航天、先进武器系统、汽车及电子产业中对材料性能的更高综合要求，因此具有广阔的应用前景，在国内外得到了重点关注和迅速的发展。

影响金属基复合材料推广和应用的主要因素是材料性能和制备成本，复合材料的制备设备和方法在很大程度上决定了这两方面，因此研究和开发新型、高效的金属基复合材料制造设备和方法是复合材料领域的重要问题。

金属基复合材料的主要制备技术可以分为固态法和液态法。固态法以传统粉末冶金法和固相粘结法中的热等静压技术为代表（E.A. Ekimov, N.V. Suetin, A.F. Popovich, et al. Thermal conductivity of diamond composites sintered under high pressures. Diamond & related Materials, 2008, 17(4-5): 838-843; N.P. Cheng, C.M. Li, Q. Hui, et al. Effect of particle surface treatment on the microstructure and properties of SiC_p/AA6066 composites produced by powder metallurgy. Materials Science and Engineering A, 2009, 517(1-2): 249-256）。传统粉末冶金法是将设计成分的基体金属和第二相粉末通过混粉、压制和烧结过程实现材料的制备，可以应用于较简单形状复合材料零件的大批量生产，但存在显著缺点，即难以实现材料的完全致密化，影响材料性能；扩散粘结法的热等静压技术是将基体金属的粉末或箔与第二相按一定比例混合、排列后，放入包套中，在热等静压装置中加热、加压实现扩散粘结，得到金属基复合材料，显著改善了固态法制备中的致密化问题，但设备大型化、成本高，难于广泛推广，同时由于高温高压条件和较长的制备时间使得在复合材料制备工程中两相界面结构的精细控制难以实现。液态法是基体金属处于熔融状态下与第二相组成复合材料的方法，它主要包括搅拌铸造法和浸渗法。搅拌铸造法的原理是将第二相颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过搅拌使第二相均匀分布，铸造成型，进一步改进可以把混合后的浆料在压力作用下挤压铸造成型，提高材料制备质量（J. Hashim, L. Looney, M.S. Hashmi. Metal matrix composites: production by the stir casting method. Journal of Materials Processing Technology. 1999, 92-93: 1-7; L. Geng, H.W. Zhang, H.Z. Li, et al. Effects of Mg content on microstructure and mechanical properties of SiC_p/Al-Mg composites fabricated by semi-solid stirring technique. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(10): 1851-1855），但此方法有着难以克服的缺点，就是第二相分布难以控制，均匀性差，同时对于细小颗粒极易出现团簇现象，显微组织不具有重复性。

浸渗法根据浸渗条件不同主要分为无压浸渗和压力浸渗，其中无压浸渗要求基体金属熔体可以有效润湿第二相，因此并不能适用于所有金属基复合材料体系（L. Zhang, X.H. Qu, X.B. He, et al. Thermo-physical and mechanical properties of high volume fraction SiC_p/Cu composites prepares by pressureless infiltration. Materials Science and Engineering A, 489(1-2): 285-293）；压力浸渗法是技术最成熟，应用最广泛的金属基复合材料制备技术，它通过在一定压力作用下基体金属液体浸渗到第二相或预制体孔隙中，得到复合材料零部件（Y. Zhang, X.T. Wang, L. Chen, et al. Effect of aluminum addition on thermal properties of Mg/SiC_p composites. Materials Science Forum, 2007, 561-565: 765-768; Y.H. Zhang, G.H. Wu. Interface and thermal expansion of carbon fiber reinforced aluminum matrix composites. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(11): 2148-2151），此制备方法材料的可设计性强，制备得到的复合材料组织相对致密，第二相分布均匀，在压力作用下两相结合好，同时可以制造较复杂形状的复合材料零部件，也可以实现局部强化。

申请号200410073315.5的中国专利“ 金属基复合材料型材制备方法及其专用装置”采用压力浸渗法，其先将预制体放入一个挤压桶内预热，当电阻丝加热炉内温度达到400—500 ℃时，盖上密封盖，液压机加压，使密封盖压紧密封，然后使用抽真空设备通过抽气管对挤压桶抽真空；当挤压桶内真空度达到O.09--0.1 MPa时，铝液进入挤压桶内；当铝液全部吸入挤压桶内后，挪开密封盖，凸模下行加压使金属液浸渗到预制体中，得到金属基复合材料。

该压力浸渗设备和方法采用机械装置提供单向压力，由压头（凸模）驱动金属液体浸渗成型，由于机械压制的密封性缺陷，在压渗成型过程中极易发生基体金属液体的溢出和飞溅，使材料产生孔隙、疏松等缺陷，影响复合材料制备质量，产生的金属液体剧烈扰动也会对第二相在金属基体中分布带来不利影响，另一方面在成型过程中压头单向压力的不均性会使复合材料局部产生应力集中，严重影响制备得到复合材料零部件在实际使用中的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法，以有效解决现有金属基复合材料制造设备和技术，尤其是压力浸渗法存在的不足，改善材料制备质量，提高材料性能和稳定可靠性，降低成本，从而可以满足各领域提出的更高要求，推广金属基复合材料的实际应用。

为了实现本发明的目的，提出一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，该装置包括真空系统1、增压充气系统2、配气系统3和制备系统4和总电气控制柜5，其中，

所述真空系统1与所述制备系统4通过管道直接连接，为制备系统4抽取真空；

所述配气系统3通过管道与所述增压充气系统2相连，向所述增压充气系统2提供制备所需的设计成分压力气体；

所述增压充气系统2包括一个缓冲罐205，所述增压充气系统2通过管道，经缓冲罐205与制备系统4相连，向制备系统4提供制备所需的设计成分的高压气体；

所述总电气控制柜5与真空系统1、增压充气系统2、配气系统3和制备系统4之间电气连接，对其进行远程操作和监控。

所述真空系统1包括机械真空泵101和扩散真空泵102，组成两级真空系统，真空度达到1.0×10^-2 Pa。

所述配气系统3包括多条气路和与各气路相连的混气室303，为增压充气系统2提供压力气体；各气路均由原始气源和气体质量流量控制器302组成，所述气体质量流量控制器302控制各气路原始气源气体进气速度，进而实现对压力气体组成成分的控制；所述混气室303用于混合压力气体。

所述增压充气系统2还包括空气压缩机201和增压泵204，和所述缓冲罐205管道连接，为所述制备系统4提供所需的高压气体，所述空气压缩机201为所述增压泵204提供动力；将压力气体增压注入到所述缓冲罐205中，所述缓冲罐205最大压力为15 MPa。

所述制备系统4包括高温高压炉401和高频感应加热器402，其中所述高温高压炉401采用高频感应加热和炉体水冷夹层设计，用于基体金属熔化和复合材料成型，所述制备系统4最高工作温度和压力分别为1350 ^OC和10 MPa，精度为 1 ^OC和0.01 MPa。

所述原始气源气体是空气，还原性气体氢气，保护性气体氮气，惰性气体氩气，保护气体六氟化硫；所述压力气体是选择上述原始气源气体中的单一气体，或两种及两种以上气体按设计成分组成的混合气体。

本发明还提出一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的方法，其特征是：所述方法采用高压气体提供压力，驱动熔融基体金属液体有效填充第二相或预制体孔隙，结合保温保压处理，获得理想的两相结合，冷却后，得到金属基复合材料；所述第二相还可以装填于设计模具中，直接获得具有特定形状、尺寸的金属基复合材料零部件，实现近净成型。

该方法具体包括以下步骤：

(1)将处理后的第二相或预制体装填于型模中，将装填好的型模安装于石墨套筒中并把基体金属材料置于型模上部，将装备好的模具整体安装于感应加热区；

(2)安装并紧固炉盖，连接真空系统和增压充气系统；

(3)对配气系统中各气路质量流量控制器302进行成分配比设定，打开所需原始气体气瓶，使各路气体按设定成分配比进入混气室303；

(4)启动增压充气系统的空气压缩机201和增压泵204，打开针阀601D，将混气室中压力气体增压注入缓冲罐205，直至缓冲罐中气体压力达到设定值后，关闭针阀601D及配气系统和增压充气系统；

(5)打开针阀601A，依次开启机械真空泵101和扩散真空泵102对炉体16抽真空，真空度<1.0×10^-1 Pa；

(6)开启循环水，启动感应加热器402，将模具加热到设定温度并保温相应时间；

(7)关闭针阀601A，打开针阀601B，充入高压气体实现制备成型，当压力达到设定值后关闭针阀601B停止加压，保温保压相应时间；

(8)停止加热，关闭扩散真空泵102，当温度降至100 ^OC以下后关闭机械真空泵101和循环水，打开针阀601C放气，至炉内压力达到大气压后，断开真空系统和增压充气系统，关闭针阀601C，打开炉盖，取出模具脱模，得到具有特定形状和尺寸的金属基复合材料零部件。

所述第二相选择金刚石、石墨、碳纤维、纳米碳管、SiC、AlN或TiC材料；为粉末颗粒状或纤维状；基体选择熔点低于装置最高使用温度的铝、镁、铜、银及其合金材料。

所述方法在制备Al/Diamond复合材料时，第二相为Diamond颗粒，粒度150 μm，基体金属纯Al，制备条件：压力气体高纯Ar，温度800 ^OC，气压压力0.55 MPa，保温保压30 min；

所述方法在制备Cu/Diamond复合材料时，第二相Diamond颗粒粒度25 μm，基体金属纯Cu，制备条件：压力气体94 vol.% Ar+6 vol.% H₂，温度800 ^OC，气压压力3.00 MPa，保温保压30 min；

所述在方法制备Mg/SiC_p复合材料是，第二相SiC颗粒粒度59 μm，基体金属纯Mg，制备条件：压力气体99 vol.% N₂+1 vol.% SF₆，温度750 ^OC，气压压力5.00 MPa，保温保压10 min。

本发明的积极效果表现在：

1、采用本发明的装置及方法制备金属基复合材料，可以消除孔洞、疏松等组织缺陷，使第二相分布均匀，与基体结合好，显著提高复合材料制备质量，同时结合合理的保温保压制备工艺，可以有效地控制两相界面结构，提高复合材料性能，以应用于电子封装领域的Al/Diamond复合材料为例，采用本发明，高压气体高纯Ar，温度800 ^OC，气压压力0.55 MPa，保温保压30 min的制备条件下得到的材料，主要性能指标热导率可以达到649 W/mK，相较于传统方法制备得到的200 W/mK得到了大幅度的提升；

2、采用本发明的装置及方法，通过合理的高压气体成分设计，可以有效解决特殊金属基复合材料制备过程中存在的问题，提高复合材料的制备质量，例如，镁基复合材料，如Mg/SiC，选择高压气体为(99 vol.% N₂+1 vol.% SF₆)可以有效解决基体金属氧化问题，再如Cu/Diamond复合材料，高压气体选择(94 vol.% Ar+6 vol.% H₂)可以有效解决金刚石在复合材料高温制备过程中的石墨化问题；

3、本发明的装置及方法可以应用于大量类型金属基复合材料的制备，制备质量高，可重复性强，同时可以实现复杂形状复合材料零部件的近净成形。

附图说明

图1是本发明的制备装置的装配结构示意图；

图2是制备装置的冷壁式高温高压炉结构示意图；

图中

1、真空系统	601C、针阀
		101、机械真空泵	601D、针阀
102、扩散真空泵	602、单向阀
		103、真空计	603、排气口
2、增压充气系统	11、爆破安全阀
		201、空气压缩机	12、充气/排气阀口
202、调压阀	13、炉盖
		203、压力表	14、紧固装置
204、增压泵	15、密封垫圈
		205、缓冲罐	16、炉体
3、配气系统	18、水冷夹层
		301、原始气体气瓶	19、基体金属

302、气体质量流量控制器	20、第二相或其预制体
		303、混气室	21、下垫块
4、制备系统	22、石墨套筒
		401、高温高压炉	23、型模
402、高频感应加热器	24、外套
		5、总电气控制柜	25、高频感应加热线圈
601、针阀	26、温度传感器
		601A、针阀	27、压力传感器
601B、针阀	28、真空阀口

。具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。

参照图1，本发明装置的连接组装方式简述如下。装置由1真空系统、2增压充气系统、3配气系统和4制备系统组成，真空系统由机械真空泵101和扩散真空泵102通过管路连接组成，应用真空计(真空规管)103测定系统真空度；配气系统由多条气路和与各气路相连的混气室303组成，各气路均由原始气体气瓶301连接气体质量流量控制器302，再通过单向阀602与混气室相连，混气室由针阀601D控制通过单向阀与增压充气系统相连；增压充气系统依次由空气压缩机201、调压阀202、压力表203、增压泵204和缓冲罐205连接组成，调压阀用于调节空气压缩机工作动力；制备系统由高温高压炉401及高频感应加热器402组成，其中高温高压炉的结构如图2所示；真空系统通过针阀601A与图2所示真空阀口28相连，增压充气系统通过针阀601B连接三通管路，一端与图2所示充气/排气阀口12相连，另一段通过针阀601C与排气口相连；全部控制器及感应器均外接于5总电气控制柜，实现远程统一控制。

实施例1：制备Al/Diamond复合材料，第二相Diamond颗粒粒度150μm，基体金属纯Al，制备条件：压力气体高纯Ar，温度800 ^OC，气压压力0.55 MPa，保温保压30 min。

本实施例应用时，参照图2，将第二相Diamond颗粒20填充于型模21中，将填充好的型模与外套24和石墨套筒22进行组装，将基体金属铝19置于型模上部，模具装备完成，将整套模具安装于感应线圈25加热区；盖炉盖13，将温度传感器26置于模具测温孔中，安装紧固装置14；将真空系统与真空阀口28相连，增压充气系统与充气/排气阀口12相连；选择高纯Ar作为压力气体，打开Ar气瓶，设定流量值为5 SCM；启动增压充气系统的空气压缩机201和增压泵204，打开针阀601D，将Ar增压注入到缓冲罐205中，当缓冲罐中高压气体压力达到5 MPa后，关闭针阀601D及配气系统和增压充气系统相应部件；打开针阀601A，依次开启机械真空泵101和扩散真空泵102；当真空度<1.0×10^-2 Pa后，打开炉体和感应加热器循环水，启动感应加热器402，设定加热温度为800 ^OC；保温30 min后，关闭针阀601A，打开针阀601B，冲入高压气体，当制备压力达到0.55 MPa时关闭针阀601B停止加压；保温保压30 min，关闭感应加热器402和扩散真空泵102；当温度降至100 ^OC以下后关闭机械真空泵101和循环水，打开针阀601C放气，至釜内压力达到大气压后，断开真空系统和混气充气系统，关闭针阀601C，打开炉盖，取出模具脱模，得到Al/Diamond复合材料零部件。

实施例2：制备Cu/Diamond复合材料，第二相Diamond颗粒粒度25 μm，基体金属纯Cu，制备条件：压力气体94 vol.% Ar+6 vol.% H₂，温度800 ^OC，气压压力3.0 MPa，保温保压30 min。

本实施例与实施例1的制备工艺过程基本相同，不同之处是压力气体采用Ar和H₂的混合气体，混合气体成分配比是94 vol.% Ar+6 vol.% H₂，因此混气过程为开启Ar气瓶和H₂气瓶，两气路流量分别设定为4.70 SCM和0.30 SCM；感应加热温度设定为1250 ^OC，保温时间20 min；实际制备压力为3.00 MPa，保温保压时间为10 min；在此工艺条件下可以成功制备高质量的Cu/Diamond复合材料零部件。

实施例3：制备Mg/SiC_p复合材料，第二相SiC颗粒粒度59 μm，基体金属纯Mg，制备条件：压力气体99 vol.% N₂+1 vol.% SF₆，温度750 ^OC，气压压力5.00 MPa，保温保压10 min。

本实施例与实施例1的制备工艺工程基本相同，不同之处是第二相填装方式为采用粉末注射成型方法制备的SiC_p预制件；压力气体采用N₂和SF₆的混合气体，混合气体成分配比是99 vol.% N₂+1 vol.% SF₆，因此混气过程为开启N₂气瓶和SF₆气瓶，两气路流量分别设定为4.95 SCM和0.05 SCM；感应加热温度设定为750 ^OC，保温时间20 min；实际制备压力为5.00 MPa，保温保压时间为10 min；在此工艺条件下可以成功制备高质量的Mg/SiC_p复合材料零部件。

以上对本发明所提供的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：该装置包括真空系统（1）、增压充气系统（2）、配气系统（3）、制备系统（4）和总电气控制柜（5），其中，

所述真空系统（1）与所述制备系统（4）通过管道直接连接，为制备系统（4）抽取真空；

所述配气系统（3）通过管道与所述增压充气系统（2）相连，向所述增压充气系统（2）提供制备所需的设计成分压力气体；

所述增压充气系统（2）包括一个缓冲罐（205），所述增压充气系统（2）通过管道，并经由缓冲罐（205）与制备系统（4）相连，向制备系统（4）提供制备所需设计成分的高压气体；

所述总电气控制柜（5）与真空系统（1）、增压充气系统（2）、配气系统（3）和制备系统（4）之间电气连接，对其进行远程操作和监控。

2. 依据权利要求1所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：所述真空系统(1)包括机械真空泵(101)和扩散真空泵(102)，组成两级真空系统，真空度达到1.0×10^-2 Pa。

3.依据权利要求1所述一种高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：所述配气系统(3)包括多条气路和与各气路相连的混气室(303)，为增压充气系统(2)提供压力气体；所述气路由原始气源和气体质量流量控制器（302）组成，所述气体质量流量控制器（302）控制各气路原始气源气体进气速度，进而实现对压力气体组成成分的控制；所述混气室（303）用于混合压力气体。

4.依据权利要求1所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：所述增压充气系统还包括空气压缩机（201）和增压泵（204），与所述缓冲罐（205）管道连接，为所述制备系统（4）提供所需的高压气体，所述空气压缩机（201）为所述增压泵（204）提供动力；将压力气体增压注入到所述缓冲罐（205）中，所述缓冲罐（205）最大压力为15 MPa。

5.依据权利要求1所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：所述制备系统（4）包括高温高压炉（401）和高频感应加热器（402），其中所述高温高压炉（401）采用高频感应加热和炉体水冷夹层设计，用于基体金属熔化和复合材料成型，所述制备系统4最高工作温度和压力分别为1350 ^OC和10 MPa，精度为 1 ^OC和0.01 MPa。

6.依据权利要求1或3所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置，其特征是：所述原始气源气体是空气，还原性气体氢气，保护性气体氮气，惰性气体氩气，保护气体六氟化硫；所述压力气体是选择上述原始气源气体中的单一气体，或两种及两种以上气体按设计成分组成的混合气体。

7.一种使用权利要求1-6所述高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的方法，其特征是：所述方法采用高压气体提供压力，驱动熔融基体金属液体有效填充第二相或预制体孔隙，结合保温保压处理，获得理想的两相结合，冷却后，得到金属基复合材料；所述第二相还可以装填于设计模具中，直接获得具有特定形状、尺寸的金属基复合材料零部件，实现近净成型。

8.依据权利要求7所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的方法，其特征是该方法具体包括以下步骤：

(1)将处理后的第二相或预制体装填于型模中，将装填好的型模安装于石墨套筒中并把基体金属材料置于型模上部，将装备好的模具整体安装于感应加热区；

(2)安装并紧固炉盖，连接真空系统和增压充气系统；

(3)对配气系统中各气路质量流量控制器（302）进行成分配比设定，打开所需原始气体气瓶，使各路气体按设定成分配比进入混气室（303）；

(4)启动增压充气系统的空气压缩机（201）和增压泵（204），打开针阀（601D），将混气室中压力气体增压注入缓冲罐(205)，直至缓冲罐中气体压力达到设定值后，关闭针阀(601D)及配气系统和增压充气系统；

(5)打开针阀(601A)，依次开启机械真空泵(101)和扩散真空泵(102)对炉体(16)抽真空，真空度<1.0×10^-1 Pa；

(6)开启循环水，启动感应加热器(402)，将模具加热到设定温度并保温相应时间；

(7)关闭针阀(601A)，打开针阀(601B)，充入高压气体实现制备成型，当压力达到设定值后关闭针阀(601B)停止加压，保温保压相应时间；

(8)停止加热，关闭扩散真空泵(102)，当温度降至100 ^OC以下后关闭机械真空泵(101)和循环水，打开针阀(601C)放气，至炉内压力达到大气压后，断开真空系统和增压充气系统，关闭针阀(601C)，打开炉盖，取出模具脱模，得到具有特定形状和尺寸的金属基复合材料零部件。

9.依据权利要求7所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的方法，其特征是：所述第二相选择金刚石、石墨、碳纤维、纳米碳管、SiC、AlN或TiC材料；为粉末颗粒状或纤维状；基体选择熔点低于装置最高使用温度的铝、镁、铜、银及其合金材料。

10.依据权利要求7-9所述的高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的方法，其特征是：所述方法制备Al/Diamond复合材料，第二相为Diamond颗粒，粒度150μm，基体金属纯Al，制备条件：压力气体高纯Ar，温度800^OC，气压压力0.55 MPa，保温保压30 min；

所述方法制备Cu/Diamond复合材料，第二相Diamond颗粒粒度25 μm，基体金属纯Cu，制备条件：压力气体气体94 vol.% Ar+6 vol.% H₂，温度800^OC，气压压力3.00 MPa，保温保压30 min；

所述方法制备Mg/SiC_p复合材料，第二相SiC颗粒粒度59μm，基体金属纯Mg，制备条件：压力气体99 vol.% N₂+1 vol.% SF₆，温度750 ^OC，气压压力5.00 MPa，保温保压10 min。

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