CN102703750A

CN102703750A - 超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法

Info

Publication number: CN102703750A
Application number: CN2012102367143A
Authority: CN
Inventors: 许志武; 马琳; 黎华栋; 闫久春; 杨士勤; 杜善义
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-10-03

Abstract

超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，它涉及制备颗粒增强梯度材料的方法，本发明要解决现有的制备颗粒增强梯度材料的方法中第二相颗粒分布无法控制及第二相颗粒与基体间的润湿性差的问题。本发明通过如下步骤来实现：一、将第二相颗粒加入到熔融的金属液中后施加超声波。二、在超声波和行波磁场复合作用下冷却第二相增强颗粒与金属液形成的颗粒增强梯度材料，得到固体状态的颗粒增强梯度材料。本发明在航空航天、汽车以及矿山机械等领域具有广阔的应用前景。

Description

超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法

技术领域

本发明涉及制备颗粒增强梯度材料的方法。

背景技术

研究表明，将颗粒增强金属基复合材料中的陶瓷颗粒的体积含量沿某方向呈连续梯度变化，制备成梯度复合材料（Gradient Composite Material），就可使该材料的一端具有类似陶瓷的性能，呈现耐磨、耐蚀和耐冲击的特性，而另一端则具有基体合金的性能，表现出良好的塑性和韧性。这样的材料设计，可以避免陶瓷材料与金属合金直接结合时形成的应力集中问题，因而在航空航天、汽车以及矿山机械等领域具有广大的应用前景。

如何使颗粒增强梯度复合材料中的陶瓷颗粒呈现梯度变化是制备该种材料的一个热点，也是一个难点。

中国专利ZL02146685.8发明了属于复合材料制备技术范围的一种颗粒增强梯度复合材料及其制备方法。它是在熔融的液态金属中掺入一定比例的高硬度的非金属颗粒，使液态金属在恒定的外加电磁场的电磁浮力的作用下形成定向移动，使增强相颗粒向与液态金属流动方向相反的方向迁移；冷却凝固后，便可得到增强相颗粒在材料中呈现梯度分布，其组织与性能亦呈梯度变化的材料。

中国专利200810223085.4（公开日期2009/02/04）提出一种功能梯度复合材料的制备方法，仅利用周期换向脉冲电源，通过改变电源的脉冲频率和占空比，在恒电流、不改变镀液成分条件下获得Ni/SiC功能复合梯度镀层的方法。

中国专利200510012369.5（公开日期2005/11/09）提出了一种高熔点抗磨蚀梯度复合材料的制备方法。该发明的复合材料制备方法包括：将颗粒度为0.1μm~0.5μm的高熔点原材料粉机械混合并研磨成半合金化状态后，并与其它颗粒度为1μm~15μm的原材料微粒粉均匀混合，压制成一定形状的坯料。将坯料置于具有20V~50V，5Hz~30Hz脉冲电压的石墨模中，用电弧引燃坯料形成自持燃烧。模具内采用Ar气保护或10^-2Pa的低真空。

中国专利200510022650.7（公开日期2006/06/21）提出了一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬及其制备方法。该内衬由SiC和Al复合而成，承受铁矿石冲击的正面碳化硅含量高达70%以上，背面为铝合金，内衬中间碳化硅含量梯度变化。内衬的制备方法是先通过模压制备具有不同气孔率的碳化硅预制体，再通过高温处理对碳化硅表面改性，然后将不同气孔率的碳化硅预制体依据气孔率大小顺序依次放置于无压渗透模具中，再通过无压渗透的方法渗入铝合金即可得到耐磨性好、韧性好、抗冲击力强的复合材料内衬。

中国专利200810027123.9（公开日期2008/08/27）提出一种具有生物活性的钛基梯度复合材料及其制备方法与应用。本发明的复合材料是将5μm~100μm的钛粉置于模具内腔中心；将5μm~100μm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀置于模具内腔边缘；将模具内腔的粉末压制成形，然后真空烧结，即得。

中国专利200710018342.9（公开日期2008/09/03）提出了一种纤维增强金属基梯度复合材料制备的方法，首先向预先处理的金属粉末与纤维的混合物中加入有机溶剂，混合均匀，将混合均匀的混合物装入模具中，对模具进行预热，蒸干有机溶剂；然后将装有混合物的模具在振动台上进行反复的机械振动，振动时间小于或等于1小时，振动频率为0.1Hz~2000Hz；最后，通过对模具加压将混合物压实，制备出具有预定外型的生坯，将制备的生坯放入真空或有惰性气体保护的高温炉中烧结；烧结温度为500℃~1400℃，烧结时间为0.5h~16h，制备得到纤维在金属粉末中沿振动方向呈现梯度分布的纤维增强金属基梯度复合材料，通过振动时间和振动频率对纤维分布进行调控，方法简单，重复性好，适合规模化生产。

中国专利01113849.1（公开日期2002/11/27）提出了一种内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管的制备方法。是由颗粒富集层和颗粒贫集层所组成的梯度结构，其中：所述颗粒贫集层分布在复合管的中间区，颗粒富集层分布在复合管的内外层；制备法：采用复合铸造法制备浆体，通过控制感应炉的供电功率和搅拌方式，使颗粒在铝合金中均匀分布，提高浇铸温度（1073K~1100K）直接浇铸，利用水平式离心铸造机成型。它能在满足内外表面强度的同时，具有良好韧性和梯度性能。

中国专利01113848.3（公开日期2002/11/27）提出了一种颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法。它采用液态法制备浆体，通过控制感应炉的供电功率，使富集颗粒的浆体沉集于坩埚的底部，然后直接浇铸，利用水平式离心铸造机成型，制备出颗粒（颗粒密度大于基体铝合金的密度）增强铝合金基功能负梯度复合管。它在颗粒密度大于基体铝合金的条件下，使颗粒的体积百分数从复合管的外表面至内表面增加，使内层具有良好的耐磨、耐蚀性以及热膨胀系数低的优点。

由以上材料可见，当前梯度复合材料的制备方法主要有电磁场、脉冲电场、自持燃烧（自蔓燃）、无压浸渗、高温烧结、离心铸造等工艺。其中电磁场法最大的优点是电磁场利用在金属液内产生的洛仑兹力控制第二相颗粒在液态基体中分布，不需外力接触凝固体系，但该方法必须确保洛仑兹力不引起金属液发生紊流，否则第二相颗粒的分布无法控制，这个受到容器形状、磁场状况等多方面的复杂影响，而且该方法只能制备第二相与金属液磁导率有较大差别的体系，如非金属颗粒/金属液体系，对于磁导率小的体系，如金属颗粒/金属液体系，则无能为力。另外，该体系比较适合于内生颗粒增强的复合材料，对于外加颗粒增强的情况，颗粒与基体间的润湿性无法得到很好解决，对提高制备形成的梯度复合材料的性能不利。脉冲电场法也存在类似的问题。自持燃烧（自蔓燃）、无压浸渗、高温烧结这几种工艺过程比较繁琐，所制备的梯度材料的致密性也必需通过额外的工序加以保证；离心铸造法工艺过程简单，适合工业规模的生产，但不能很好地解决第二相颗粒与金属液之间的润湿结合问题，梯度材料的微观结合界面性能不佳。

发明内容

本发明是要解决现有的制备颗粒增强梯度材料的方法中第二相颗粒分布无法控制及第二相颗粒与基体间的润湿性差的问题，而提出超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法。

本发明中的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法按以下步骤进行：

一、将金属材料放置入钛合金制成的铸模中，启动感应或电阻加热元件，将金属材料加热至其熔点以上20℃~100℃，待完全熔化之后得到金属液，按第二相增强颗粒与总原材料（金属液和第二项增强颗粒）的体积比为1:（1.43～10）的比例加入第二相增强颗粒，同时将超声波工具头耦合到钛合金制成的铸模的外底部，开启超声波电源，对第二相增强颗粒与金属液施加超声波，超声波施加时间为20s~300s，其中所述的金属材料是Al、Zn、Cu、Al基合金、Zn基合金及Cu基合金中的任一种；所述的第二相增强颗粒是平均粒度为0.01μm~50μm的B₄C颗粒、SiC颗粒、SiO₂颗粒、Al₂O₃颗粒、TiC颗粒、TiB₂颗粒、AlN颗粒、TiN颗粒和ZrO₂颗粒中的任一种；所述超声波振动的频率为16KHz~60KHz，振幅为10μm~60μm；

二、超声波振动处理后，停止对铸模中的第二相增强颗粒与金属液进行加热，用空冷系统以5℃/min~20℃/min的冷却速度开始冷却，冷却过程中同时施加超声波和行波磁场复合作用，直至第二相增强颗粒与金属液形成的颗粒增强梯度材料完全冷却成固体，得到颗粒增强梯度材料，其中行波磁场强度为0.01T~1T；超声波振动的频率为16KHz~60KHz，振幅为10μm~60μm。

本发明的机理是超声波振动可以活化第二相颗粒的表面，实现其与金属液的良好润湿结合，无需对第二相颗粒进行焙烧、涂覆金属层等以提高其润湿性的预处理；利用超声波-行波磁场的复合作用，使第二相颗粒在声辐射力和电磁挤压力的双重作用下发生定向移动，效率更高，也避免了单纯使用电磁法只能制备第二相颗粒与金属基体存在较大导磁率的复合材料体系的缺点，适合制备的梯度复合材料体系更广泛；凝固过程中施加的超声波振动可以细化金属基体的晶粒，提高梯度复合材料的强度、塑性和韧性等性能。

本发明的有益效果如下：

1、超声波振动可以活化第二相颗粒的表面，实现其与金属液的良好润湿结合，无需对第二相颗粒进行焙烧、涂覆金属层等以提高其润湿性的预处理；

2、利用超声波-行波磁场的复合作用，使第二相颗粒在声辐射力和电磁挤压力的双重作用下发生定向移动，效率更高，也避免了单纯使用电磁法只能制备第二相颗粒与金属基体存在较大导磁率的复合材料体系的缺点，适合制备的梯度复合材料体系更广泛；

3、凝固过程中施加的超声波振动可以细化金属基体的晶粒，提高梯度复合材料的强度、塑性和韧性等性能；

4、超声波的除气能力非常强，制备过程可以在非真空环境下进行，可保证所制备材料的致密性。

附图说明

图1是实验一中超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的装置的结构示意图。图2是实验一中超声波-行波磁场复合作用制备的SiC颗粒增强的Zn基梯度材料的微观组织形貌图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法是通过以下步骤实现的：

一、将金属材料放置入钛合金制成的铸模中，启动感应或电阻加热元件，将金属材料加热至其熔点以上20℃~100℃，待完全熔化之后得到金属液，按第二相增强颗粒与总原材料（金属液和第二项增强颗粒）的体积比为1:（1.43~10）的比例加入第二相增强颗粒，同时将超声波工具头耦合到钛合金制成的铸模的外底部，开启超声波电源，对第二相增强颗粒与金属液施加超声波，超声波施加时间为20s~300s，其中所述的金属材料是Al、Zn、Cu、Al基合金、Zn基合金及Cu基合金中的任一种；所述的第二相增强颗粒是平均粒度为0.01μm~50μm的B₄C颗粒、SiC颗粒、SiO₂颗粒、Al₂O₃颗粒、TiC颗粒、TiB₂颗粒、AlN颗粒、TiN颗粒和ZrO₂颗粒中的任一种；所述超声波振动的频率为16KHz~60KHz，振幅为10μm~60μm；

本发明的有益效果如下：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将金属材料加热至其熔点以上30℃~90℃，按第二相增强颗粒与总原材料（金属液和第二项增强颗粒）的体积比为1:（2~8）的比例加入第二相增强颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将金属材料加热至其熔点以上60℃，按第二相增强颗粒与总原材料（金属液和第二项增强颗粒）的体积比为1:4的比例加入第二相增强颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中超声波施加时间为100s~250s，所述的第二相增强颗粒是平均粒度为1μm~40μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中超声波施加时间为200s，所述的第二相增强颗粒是平均粒度为5μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中所述超声波振动的频率为18KHz~40KHz，振幅为12μm~50μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中所述超声波振动的频率为20KHz，振幅为15μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中用空冷系统以10℃/min~15℃/min的冷却速度开始冷却。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中用空冷系统以12℃/min的冷却速度开始冷却。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中行波磁场强度为0.2T~0.8T；超声波振动的频率为18KHz~50KHz，振幅为12μm~40μm。

为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验：

超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的装置由铸模1、加热元件7、超声波发生系统以及磁场发生装置6等组成，见图1，其中超声波发生系统由超声波工具头4和超声波电源5组成。铸模1是盛装金属材料2的容器，固定在具有绝热效果的支撑台3上，在支撑台3底部开适当大小的孔，在该位置将超声波工具头4与铸模1耦合，磁场发生器6放置在铸模1下方。铸模1两侧安装感应或者电阻加热元件7，加热、冷却过程的温度控制由热电偶8实现，热电偶8在制备过程中一般插在金属材料1中。

实验一：超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法按以下步骤进行：

1、将Zn基合金放置入钛合金制成的铸模中，启动感应加热元件，将Zn基合金加热至400℃，待完全熔化之后得到金属液，按第二相SiC增强颗粒与总原材料（金属液和第二项增强颗粒）的体积比为1:5的比例加入第二相增强颗粒，同时将超声波工具头耦合到钛合金制成的铸模的外底部，开启超声波电源，对第二相增强颗粒与金属液施加超声波，超声波施加时间为20s~300s，其中Zn基合金，按重量百分比其成份为：Al:4.5%、Cu:3%、Mg:0.39%、Ag：0.43%、Si:0.6%、Zn：90.98%和Ni:0.1%；第二相SiC增强颗粒是平均粒度为12μm；超声波振动的频率为20KHz，振幅为10μm；

2、超声波振动处理后，停止对铸模中的第二相增强颗粒与金属液进行加热，用空冷系统以10℃/min的冷却速度开始冷却，冷却过程中同时施加超声波和行波磁场复合作用，直至第二相增强颗粒与金属液形成的颗粒增强梯度材料完全冷却，得到颗粒增强梯度材料，其中行波磁场强度为0.5T；超声波振动的频率为20KHz，振幅为10μm。

图2是实验一中超声波-行波磁场复合作用制备的SiC颗粒增强的Zn基梯度材料的微观组织形貌图，由图2可以看到所制备的颗粒增强梯度材料的第二相SiC颗粒的分布沿梯度材料厚度方向呈现梯度变化，越接近材料表面，SiC颗粒越密集。另外，材料组织致密，无气孔缺陷，基体合金呈现为近等轴晶组织。

Claims

1.超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：

一、将金属材料放置入钛合金制成的铸模中，启动感应或电阻加热元件，将金属材料加热至其熔点以上20℃~100℃，待完全熔化之后得到金属液，按第二相增强颗粒与总原材料的体积比为1:（1.43～10）的比例加入第二相增强颗粒，同时将超声波工具头耦合到钛合金制成的铸模的外底部，开启超声波电源，对第二相增强颗粒与金属液施加超声波，超声波施加时间为20s~300s，其中所述的金属材料是Al、Zn、Cu、Al基合金、Zn基合金及Cu基合金中的任一种；所述的第二相增强颗粒是平均粒度为0.01μm~50μm的B₄C颗粒、SiC颗粒、SiO₂颗粒、Al₂O₃颗粒、TiC颗粒、TiB₂颗粒、AlN颗粒、TiN颗粒和ZrO₂颗粒中的任一种；所述超声波振动的频率为16KHz~60KHz，振幅为10μm~60μm；

2.如权利要求1所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中将金属材料加热至其熔点以上30℃~90℃，按第二相增强颗粒与总原材料的体积比为1:（2~8）的比例加入第二相增强颗粒。

3.如权利要求1所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中将金属材料加热至其熔点以上60℃，按第二相增强颗粒与金属液的体积比为1:4的比例加入第二相增强颗粒。

4.如权利要求1、2或3所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中超声波施加时间为100s~250s，所述的第二相增强颗粒是平均粒度为1μm~40μm。

5.如权利要求1、2或3所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中超声波施加时间为200s，所述的第二相增强颗粒是平均粒度为5μm。

6.如权利要求4所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中所述超声波振动的频率为18KHz~40KHz，振幅为12μm~50μm。

7.如权利要求4所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤一中所述超声波振动的频率为20KHz~40KHz，振幅为15μm。

8.如权利要求6所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤二中用空冷系统以10℃/min~15℃/min的冷却速度开始冷却。

9.如权利要求6所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤二中用空冷系统以12℃/min的冷却速度开始冷却。

10.如权利要求8所述的超声波-行波磁场复合作用制备颗粒增强梯度材料的方法，其特征在于步骤二中行波磁场强度为0.2T~0.8T；超声波振动的频率为18KHz~50KHz，振幅为12μm~40μm。