CN1030402C - 金属基体复合材料制造方法 - Google Patents

Abstract

一种金属基复合材料的制造方法，制得的复合材料是由基体材料(如铝)和弥散分布于基体中的氧化物(如氧化铝)所组成。通过使熔融基体金属雾化，同时发生直接氧化生成氧化物，然后沉积到衬底上，基体材料凝固形成具有弥散分布氧化物的金属基复合材料。直接氧化生成的氧化物与基体界面结合良好，复合材料具有优良的耐磨性和高温性能。

Description

本发明属于一种制造氧化物增强金属基复合材料的工艺方法。

英国专利GB2115014A公布了一种制备金属基颗粒复合材料的喷射共沉积工艺。该工艺是用中性或还原性气体使熔融基体金属雾化，同时将固态增强颗粒加入到液态金属射流中，因此需要一独立的固态颗粒输送系统，并必须预先准备好增强颗粒，而这些颗粒通常较基体金属昂贵，当外加颗粒为氧化物（如Al₂O₃）时，其与基体的界面为机械结合。

美国Lanxide公司提出了一种制取金属基复合材料的方法（中国专利89100159X），该方法是在模子内使熔融金属与不渗透预制坯和氧化剂接触而发生氧化反应，然后熔融金属通过氧化反应产物继续使氧化反应不断进行，若将颗粒、晶须等增强材料放置在熔融金属邻近面，则需将模子密封足够长时间以使熔融金属能充分自发渗透，然后凝固得到复合材料。该方法工艺较复杂，且反应时间较长。

本发明的目的是为了克服上述工艺的不足，提供一种勿需外加固态颗粒输送系统、采用氧化性气体使熔融基体材料雾化，同时快速氧化、并沉积凝固，而形成金属基复合材料的新方法。

本发明的工艺方法如下：

采用一种熔融金属气体雾化装置，使熔融金属从雾化喷嘴中间流过，而具有一定压力的氧化性气体从液流周围高速喷出，并与液流相交，使熔融金属雾化成大量细小的液滴，形成喷射流。同时，这些液滴的表面立即发生氧化反应生成一层氧化物。在随后的飞行过程中，液滴始终与氧化性气体保持接触，并继续进行氧化。在气流的喷射作用下，这些表面具有一层氧化物的大量液滴沉积到固体衬底上，由于飞行过程中液滴之间的相互碰撞，和沉积到衬底上时液滴与衬底的碰撞，液滴表面的氧化物发生破碎，而内部未被氧化的液态金属则变形铺展，并快速凝固，从而形成具有弥散分布氧化物的金属基复合材料。

本方法的特点就是采用氧化性气体为雾化介质，使熔融基体金属在雾化成大量液滴的过程中，这些液滴表面同时发生直接氧化而生成一层氧化物，然后沉积凝固，氧化反应的时间很短，无须外加任何增强材料。

运用本方法，基体材料可是铝、镁等金属及其合金，亦可是NiAl高温合金及含铝或镁的其它合金。因此，本方法制造的复合材料中，氧化物可以是一种，亦可是多种。流入雾化喷嘴的液流截面的形状可是圆形的，亦可是矩形的，根据生产需要而定。雾化喷嘴可以是一个或多个，也可是固定的或来回移动的。

雾化气体可是氧气，亦可是氧气与氮气，或氧气与空气的混合气体。调节气氛中的氧含量，可获得不同含量的氧化物，复合材料中氧化物的体积百分比可达50%，一般在5%-35%的范围内较佳。可通过控制喷射工艺参数获得不同尺寸的氧化物颗粒。

衬底的材料可以是金属或合金，如铸铁，钢或铜合金，衬底的形状可以是平板，转动的鼓或轮，或是成型的模具，衬底应具有一定的激冷能力，使沉积到衬底上的复合材料能迅速凝固，其凝固冷却速度在2×10²-10⁴K/S之间。沉积凝固后的复合材料可从衬底上取下。沉积凝固后的复合材料亦可与衬底形成一体，得到层状材料，如衬底为匀速移动的钢带，则可在钢带表面沉积一层复合材料，衬底表面应无水气或其它污迹，衬底的温度视复合材料的最终情况而定，但最高不超过基体材料熔点的0.4-0.6倍（摄氏温标）。

本发明工艺方法制成的复合材料是由熔融基体材料直接氧化生成的氧化物与基体材料结合而成的。这种氧化物有较大的活性，且表面无污染，与基体金属存在着连续结构、有良好的界面结合，远较外加相同氧化物颗粒制得的复合材料性能优越。本工艺制成的复合材料可以直接应用，亦可进行后处理，如热轧、冷轧、热挤压等，以进一步提高复合材料的密度和强度性能。

附图所示为本发明的工艺示意图，其中：

1-熔融基体金属

2-气压表

3-雾化气体管道开关

4-雾化气体输送管道

5-耐火材料柱塞

6-保温坩埚

7-导流管

8-雾化喷嘴

9-雾化喷孔

10-衬底

11-复合材料

下面结合附图对本发明的工艺过程作进一步说明：

首先，将熔制好的基体金属1浇注到底漏式保温坩埚6内，并保持一定的液面高度，调整雾化气体压力2使其达到所需要的数值，然后打开气阀3同时向上移动耐火材料柱塞5，使熔融金属经导流管流入雾化喷嘴8，氧化性气体4从喷孔9高速喷出，与熔融金属流相遇，使其雾化，同时发生氧化，然后沉积到衬底10上，凝固形成复合材料11。

实施例1：

基体材料为金属铝，液流直径为3～5mm，过热温度为40～80℃，雾化气体为氧气与氮气的混合气体，总压为0.6～1.2MPa、氧分压比P氧/P总为0.2～0.5、沉积距离为150～350mm，衬底为钢板或铜合金板，温度20℃～250℃，制得的Al/Al₂O₃复合材料，组织致密，氧化铝弥散分布，尺寸为0.5～10μm，体积百分含量10～35%，与基体材料比较，复合材料的强度、硬度、耐磨性及高温性都有显著提高。

实施例2：

基体材料为Al-S18%合金，过热温度为50℃，液流直径为4mm，雾化气化为空气+氧气的混合气体，总压P总为0.9MPa，氧分压比为P氧/P总为0.3，沉积距离为200mm，衬底为钢板，温度为25℃，制得的复合材料中，氧化物以Al₂O₃为主，有少量的SiO₂，尺寸为1.0-15μm，体积百分含量为15-18%。与基体材料比较，复合材料的晶粒明显细化，硬度，耐磨性都有显著提高。

Claims (5)

1、一种金属基体复合材料制造方法，其特征是：采用一种熔融金属气体雾化装置，使熔融金属从雾化喷嘴中流过，具有一定压力的氢化性气体从熔融金属液流周围高速喷出，并与液流相交，使熔融金属雾化成大量细小的液滴，形成喷射液，同时，这些液滴表面立即发生氧化生成一层氧化物，并在随后的飞行过程中继续进行氧化，这些表面具有氧化物薄层的大量液滴，在气体喷射作用下，沉积到固体衬底上，由于液滴之间和液滴与衬底之间的碰撞，表层氧化物破碎，未氧化的液态金属变形铺展并凝固，形成氧化物增强金属基复合材料。

2、根据权利要求1所述的工艺方法，其特征是：基体材料凝固过程中的冷却速度为2×10²K/S-10⁴K/S。

3、根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征是：基体材料可以是金属铝、镁及其合金以及含有一定量铝和镁的其它合金。

4、根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征是：衬底材料可以是具有一定激冷能力的铸铁、铜、或者铜合金，其温度不超过基体材料熔点的0.4-0.6倍（摄氏温标）。

5、根据权利要求3所述的工艺方法，其特征是：复合材料中的氧化物是由基体材料和氧化性气体直接反应生成，通过调节气体的氧含量，可获得不同含量的氧化物，氧化物的体积百分比可达50%，一般在5%-35%的范围较佳。

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