CN103498090B - 铸态大块梯度材料的制备方法及其使用装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及铸态大块梯度材料的制备方法及其使用装置。本发明大块梯度材料制备方法，包括以下步骤：选用具有半固态温度区间的合金材料，将合金材料加热并完全熔化，得合金熔体；向合金熔体中加入6～60%的增强相颗粒,然后对合金熔体和增强相颗粒施加超声振动；降低合金熔体的温度至合金半固态温度区间，使固液混合物中固相率为6～61%；对固液混合物施加超声驻波场2～1200s后，对固液混合物进行冷却，凝固后得获得铸态大块梯度材料。本发明的制备方法，将增强相颗粒与合金熔体混合均匀，再调节合金熔体粘度，增大增强相颗粒在合金熔体中的运动阻力，能实现增强相颗粒在合金材料中大范围内形成梯度分布。

Description

铸态大块梯度材料的制备方法及其使用装置

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及铸态大块梯度复合材料的制备方法及其使用装置。

背景技术

功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGM），或梯度材料，是指构成材料的组成和显微结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型非均质复合材料。这种材料的概念自20世纪80年代提出后，由于其独特的性质，得到世界各国广泛关注。与传统均质复合材料相比，梯度材料具有很好的可设计性，能够充分发挥各单一材料的优点，弥补不足，使其具有原单一材料所不具备的崭新性能，比如较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等。

梯度材料制备技术的发展水平是梯度材料应用和发展的关键。根据制备的梯度材料的外观尺寸，可将现有梯度材料制备技术分为薄膜型梯度材料的制备技术与大块(梯度组织的厚度在1厘米以上)梯度材料的制备技术。在诸如汽车或火车制动盘零件的众多场合，需要大块梯度材料，然而其制备工艺和性能研究却相对滞后。

目前，可用于大块梯度材料制备技术有如下几种：粉末冶金法，离心铸造法，自蔓延燃烧高温合成法(SHS法)，共沉降法及喷射印刷法等。

上述方法在制备大块梯度材料时都存在着这样或那样的不足，主要是效率低、成本高、工序复杂。粉末冶金法工艺比较复杂，成本高，并且组分是阶梯式跃变，存在一系列界面，制备的梯度材料有一定的孔隙率；SHS法虽然效率高，设备简单，但局限性大，目前仅限于高放热反应的材料体系，且孔隙率高，力学性能低；离心铸造法要求增强相与金属液有一定密度差，且不适用于高熔点的陶瓷系梯度材料。连续铸造法难以保证梯度材料质量稳定；共沉降法和喷射印刷法效率低，产品致密度不高。

超声技术因其环保绿色、耗能少、效率高，装置成本低、易于控制和维护，近年来在材料制备领域的应用研究成为热点。目前，在利用超声制备均匀复合材料方面已有大量研究，但在利用超声制备梯度复合材料方面，仅极少文献提及。中国发明专利CN101775518A公开了一种利用超声波制备颗粒增强梯度复合材料的方法，包括以下步骤：（1）将金属材料置于制备容器中，启动加热元件，将金属材料加热至其熔点以上的20～50℃，使所述金属材料完全熔化为金属液；（2）向所述金属液中加入金属液体积百分比为5～70%的第二相增强颗粒，同时施加频率为16～60KHz、振幅为10～60μm的超声波振动，所述超声波振动时间持续2～120s后，关闭加热元件，停止加热；（3）对制备容器中的金属液和第二相增强颗粒的混合物进行冷却至凝固，凝固后即为获得颗粒增强梯度复合材料；在凝固过程中，对金属液与第二相增强颗粒的混合物施加超声波。上述利用超声波制备颗粒增强梯度复合材料的方法，在频率为16～60KHz、振幅为10～60μm超声振动作用下，第二相增强颗粒在金属液中由一端向另一端产生定向迁移，由于金属液完全为液态，其对第二相增强颗粒得粘滞阻力较小，第二相增强颗粒在金属液中的运动速度较大，在较短的运动距离和运动时间内，不同运动速度的第二相增强颗粒之间的分离的距离不会太大，第二相增强颗粒整体在金属液中的梯度分布范围不会超过2mm，进一步地，制得的功能梯度材料，其梯度组织的尺寸在1～2mm。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的，利用超声技术难以制得大块梯度材料（梯度组织厚度在1cm以上）的不足，提供一种能使增强相颗粒在合金熔体中大范围内（厘米级）分布的铸态大块梯度材料（增强相颗粒在基材中的梯度组织厚度在1cm以上）的制备方法，进一步地，提供实现上述制备方法所用的装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

铸态大块梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）：选用具有半固态温度区间的合金材料，将合金材料加热使合金材料完全熔化，得合金熔体；

所述具有半固态温度区间的合金材料是指，组分相同时，合金材料的液相线温度和固相线温度的差值大于0；所述半固态温度区间是指，固相线温度和液相线温度之间的温度区域范围，在半固态温度区间，调节合金熔体的温度，可以改变金属熔体析出的固相金属含量；

步骤（2）：向步骤（1）所得合金熔体中加入合金熔体体积百分比的6～60%、粒度为1μm～500μm的增强相颗粒,对所述合金熔体和增强相颗粒施加功率为100W～1000W/cm²，频率为15～30KHz的超声振动，使增强相颗被合金熔体润湿，并与合金熔体均匀混合，得固液混合物；

步骤（3）：降低步骤（2）所得固液混合物的温度，至合金半固态温度区间，使固液混合物中固相率为6～61%；

步骤（4）：对步骤（3）所得固液混合物施加频率为20～200KHz、功率为2～100W/cm²的超声驻波场，2～1200s后，对固液混合物以0.1～5℃/s的冷却速率进行冷却，凝固后即可获得大块梯度材料。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，选用具有半固态温度区间的合金材料为梯度材料的基材，采用较大功率的超声振动（100W～1000W/cm²，频率为15～30KHz），在合金熔体中形成空化效应，空化泡破裂时，在增强相颗粒和合金熔体的界面引起局部高温、高压，清洁、活化增强相颗粒表面，促使合金熔体与其润湿结合，同时超声振动在合金熔体中还会形成强烈的声流效应，强烈的声流效应使合金熔体和增强相颗粒剧烈紊乱流动，可以实现增强相颗粒与合金熔体的均匀混合，同时超声还能除去合金熔体中的杂质和气泡，细化金属颗粒；然后降低固液混合物的温度，至合金材料半固态温度区间，合金熔体中有一部份因温度降低而以固相的形式从合金熔体中析出，其余的仍以液态存在，调节合金熔体的温度，使析出的固相金属和固态的增强相颗粒占固液混合物总量的体积百分比为6～61%（整个制备过程中，增强相颗粒一直以固态的形式存在）；再调节超声的功率和频率，对合金熔体和增强相颗粒施加频率为20～200KHz、功率为2～100W/cm²的超声驻波场，超声驻波场在合金熔体中形成具有方向性的、较大的超声辐射力，增强相颗粒受到超声驻波场对其较大的超声辐射力，在半固态的合金熔体中产生定向迁移，由于半固态的合金熔体对增强相颗粒的粘滞阻力较大，增强相颗粒在合金熔体中的迁移速度较小；不同速度的增强相颗粒在合金熔体中逐渐分离开；同时，超声波作用于合金熔体，声波在传播过程中会发生扩散、散射及介质吸收等现象，进而导致超声衰减，即离超声源越远的地方超声作用越弱；频率越高，超声衰减现象越明显。由于超声衰减，在波的传播方向，超声辐射力对增强相颗粒的作用随传播距离的增大而逐渐变小，同时，增强相颗粒还受到合金熔体对其较大的粘滞阻力，增强相颗粒在合金熔体中的运动速度逐渐减小最后停止。将增强相颗粒与合金熔体混合均匀，调节合金熔体的温度至合金材料半固态温度区间，然后对合金熔体和增强相颗粒施加超声驻波场，可实现增强相颗粒在合金熔体中大范围内形成梯度分布（梯度组织在1厘米以上），然后以0.1～5℃/s的冷却速率对固液混合物进行冷却，凝固后即可获得孔隙率低、组织致密的铸态大块梯度材料。

功能梯度材料的组成和显微结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈梯度变化。本发明制备的梯度材料，其梯度变化体现在增强相颗粒在合金材料中的密度分布沿厚度方向由一侧向另一侧的呈连续梯度变化。通过调节增强相颗粒在合金材料中的分布种类和分布密度，可以制备出不同结构和性能的功能梯度材料。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，步骤（2）中，加入的增强相颗粒小于合金熔体体积百分比的6%，增强相颗粒在合金熔体中分布稀疏，在合金熔体中大范围内（1cm以上）形成的梯度分布不明显，进一步地，制得大块梯度材料梯度性能不好；加入的增强相颗粒大于合金熔体体积百分比的60%，增强相颗粒在合金熔体中分布密集，降低合金熔体温度至合金材料的半固态温度区间后，固液混合物中的固相含量大，超声驻波的超声辐射力难以驱使增强相颗粒在合金熔体中大范围内（1cm以上）定向迁移，增强相颗粒在合金熔体中形成的梯度分布不明显，进一步地，制得大块梯度材料梯度性能不好。超声振动功率低于100W/cm²时，无法产生空化效应和强烈的声流效应，增强相颗粒被合金熔体润湿效果差，增强相颗粒与合金熔体间粘滞阻力低；增强相颗粒无法与合金熔体均匀混合，合金熔体中的杂质和气泡无法去除，制得的梯度材料孔隙率高，致密度差；超声振动功率高于1000W/cm²时，超声振动的大部分机械能会转化为热能，对合金熔体进行加热，合金熔体的温度难以控制，同时，也造成超声能量的浪费。超声振动的频率超过30KHz，超声波在合金熔体中传递过程中，超声能量迅速衰减，其作用范围小，增强相颗粒无法与合金熔体混合均匀；超声振动频率小于15KHz，便无法形成超声振动。步骤（3）中，加入的增强相颗粒的粒度为1μm～500μm，增强相颗粒能在合金熔体中以小粒度形式分布，与合金基材间的界面小；同时能在超声波的作用下，在合金熔体中产生定向迁移，进而在合金熔体中形成梯度分布，进一步地，制得性能良好的梯度材料。增强相颗粒的粒度﹤1μm，在超声波的作用下，无法产生定向迁移；增强相颗粒的粒度﹥500μm，增强相颗粒和合金材料之间的界面明显，制得的梯度材料性能不好。步骤（4）中，超声驻波功率超过100W/cm²时，超声波会在合金熔体中和增强相颗粒表面产生空化效应和强烈的声流效应，增强相颗粒在固液混合物内运动混乱，无法产生定向迁移运动，进一步地，增强相颗粒无法在合金熔体中形成梯度分布；施加的超声驻波功率小于2W/cm²时，形成超声驻波强度低，增强相颗粒所受声辐射力减小，由于增强相颗粒受到固液混合物对其有较大的运动阻力，增强相颗粒无法在固液混合物中产生定向迁移，进一步地，增强相颗粒无法在合金熔体中形成梯度分布。施加的超声驻波频率超过200KHz，超声波在合金熔体中传递过程中，超声能量迅速衰减，超声驻波在合金熔体中的作用范围小，在离超声源较远的距离增强相颗粒受超声波的声辐射力弱，无法产生定向迁移，增强相颗粒无法在大范围内（1cm以上）形成梯度分布；施加的超声振动频率小于20KHz，便无法形成超声驻波。冷却速率高于5℃/s时，合金熔体凝固时，内部补缩困难，制备出的铸态大块梯度材料孔隙率高、致密度低。

作为本发明的优选方案，步骤（1）中，所述合金材料为具有半固态温度区间的Al、Sn、Zn、Cu合金中的一种。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，步骤（1）中，在制备梯度材料时需将合金材料加热至熔融状态，熔融状态下的合金熔体，与空气中的氧接触会发生氧化反应，采用具有半固态温度区间的Al、Sn、Zn、Cu合金中的一种制备梯度材料，Al、Sn、Zn、Cu被氧化时，会在合金材料表面形成一层致密的氧化膜，阻碍合金进一步被氧化。

作为本发明的优选方案，所述Al、Sn、Zn、Cu合金材料加热后的温度，比所采用的合金材料的液相线温度高55～80℃。所述Al、Sn、Zn、Cu合金材料加热熔化的温度，比所采用的合金材料的液相线温度高55～80℃，能使合金材料完全成为熔融状态，并且合金液成分均匀。合金材料加热后的温度高于合金材料的液相线温度，其与合金材料的液相线温度差大于80℃，会增加合金液的吸气和氧化，改变制备的梯度材料的性能；而其与合金材料的液相线温度差值小于55℃，会导致合金液成分不均，气体及夹杂难以上浮去除，进而制备的梯度材料的基体质量不好。

作为本发明的优选方案，步骤（2）中，向合金熔体中加入的增强相颗粒的粒度为10μm～100μm。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，功能梯度材料的梯度变化体现在增强相颗粒在合金材料中的密度分布沿其厚度方向由一侧向另一侧的呈连续梯度变化。粒度为10μm～100μm的增强相颗粒，在合金熔体对其运动阻力和超声波的超声辐射力的共同作用下，增强相颗粒在合金熔体中运动较慢，不同速度的增强相颗粒在运动时逐渐分离开来，在1厘米以上的范围内形成的梯度分布连续性好；同时，合金基材和增强相颗粒之间的界面小，形成的梯度材料性能良好。

作为本发明的优选方案，步骤（2）中，向合金熔体中加入的增强相颗粒，为合金熔体体积的10～30%。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，向合金熔体中加入合金熔体体积10～30%的增强相颗粒，增强相颗粒在合金熔体中形成的梯度，分布范围大、连续性好。

作为本发明的优选方案，步骤（2）中，选用直径与铸模的内径之比为0.5～1的超声工具头对合金熔体和增强相颗粒施加超声振动，超声工具头由合金熔体的上端浸入合金熔体中5～30mm。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，选用直径与铸模的内径之比为0.5～1的超声工具头对合金熔体和增强相颗粒施加超声振动，超声工具头由合金熔体的上端浸入合金熔体中5～30mm，既不会引起合金熔体表面的剧烈晃动，导致合金熔体大面积被氧化；又能提高超声能量的利用率。超声工具头浸入合金熔体中的深度小于5mm，会引起合金熔体面产生较大波动，合金熔体表面氧化膜被破坏，合金熔体被氧化的部分增多，同时破裂的氧化膜被带入熔体内部，成为夹渣，使制备出的梯度材料的性能改变；将超声工具头浸入合金熔体中的深度超过30mm，在相同功率和频率的超声振动作用下，超声波在合金熔体中传递时，超声波传递能效降低。超声工具头的直径与所述铸模的内径比﹤0.5时，铸模中的合金熔体容易发生晃动，合金熔体熔体表面的氧化层被破坏，合金熔体与空气的接触面积增大，合金熔体被氧化的部分增多，影响梯度材料的性能。

作为本发明的优选方案，步骤（2）中，所述增强相颗粒为B₄C、SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiX或ZrO₂颗粒中的一种。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，增强相颗粒的熔点远远高于合金熔体的熔化温度，增强相颗粒在合金熔体中不熔化。选用不同种类的增强相颗粒，可制得的具有不同结构和性能的功能梯度材料，B₄C、SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiX和ZrO₂材料各自具有不同的优异性能，且熔点高，选用增强相颗粒为B₄C、SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiX或ZrO₂颗粒中的一种，能制备得到不同优异性能的功能梯度材料。

作为本发明的优选方案，步骤（3）中，降温速率为0.1～10℃/s。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，步骤（3）中，降温速率为0.1～10℃/s，得到的半固态固液混合物中，析出的固态金属颗粒尺寸小（﹤100μm）、形状圆整，在合金熔体中分布均匀。降温速率﹥10℃/s，合金熔体中析出的固态金属颗粒形状不规整、呈枝晶状，且降温速率过快，合金熔体各部温差大，金属颗粒在合金熔体中分布不均匀，会影响增强相颗粒在合金熔体中的定向迁移，进而导致增强相颗粒在合金熔体中的梯度分布不明显、连续性差；降温速率为﹤0.1℃/s时，合金熔体中析出的固态金属颗粒尺寸偏大，影响增强相颗粒在合金熔体中的定向迁移，增强相颗粒在合金熔体中的梯度分布不明显、连续性不好。

作为本发明的优选方案，步骤（3）中，降温速率为1～5℃/s。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，步骤（3）中，降温速率为1～5℃/s时，合金熔体中析出的固态金属颗粒粒度小、大小均匀，且在合金熔体体中分布均匀。

作为本发明的优选方案，加入的增强相颗粒占合金熔体体积的6～30%时，步骤（3）中，调节固液混合物中固相率为20～40%。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，加入的增强相颗粒占合金熔体体积的6～30%，步骤（3）中调节固液混合物中固相率为20～40%，对固液混合物施加超声驻波场后，增强相颗粒在合金熔体中的梯度分布明显，且连续性好。

作为本发明的优选方案，步骤（4）中，对步骤（3）所得的固液混合物施加超声驻波场时，同时对固液混合物进行冷却速率为1～5℃/s的降温。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，施加超声驻波场时，同时对固液混合物进行冷却速率为1～5℃/s的降温，控制增强相颗粒在合金熔体中的迁移时间和迁移范围，可得增强相颗粒在大块（厘米级）梯度材料范围内良好地梯度分布。

作为本发明的优选方案，步骤（4）中，施加驻波场后，冷却速率为1～3℃/s。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法，步骤（4）中，施加驻波场后，对固液混合物进行冷却速率为1～3℃/s的冷却，可在较短时间内，制得性能良好的铸态大块梯度材料。

本发明的目的还在于提供用于上述铸态大块梯度材料的制备方法所用的装置，包括超声发生装置和铸模，所述超声发生装置包括超声工具头，所述铸态大块梯度材料的制备方法所用的装置还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括温度控制测量仪、热电偶和加热/冷却系统，所述热电偶位于铸模内，所述温度控制测量仪接受所述热电偶的信号，测量所述铸模内的浆液的温度，所述温度控制测量仪控制所述加热/冷却系统对所述铸模内的料浆加热或冷却。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法所用的装置，制备大块梯度材料时，将熔融状态下的合金熔体浇入铸模中，并向合金熔体中加入增强相颗粒。将超声工具头浸入合金熔体5～30mm处，启动超声发生装置，对铸模内的合金熔体施加超声振动，通过调节超声波的功率和频率，使增强相颗粒表面受空化效应作用，被合金熔体润湿；同时会在合金熔体内形成强烈声流效应，增强相颗粒与合金熔体均匀混合；然后通过所述温度控制测量仪，降低所述铸模中合金熔体的温度至合金材料的半固态温度区间，合金熔体中的固相含量；重新调节超声波的功率和频率，在合金熔体和增强相颗粒中形成超声驻波场，通过超声驻波的超声辐射力的作用，增强相颗粒在超声辐射力的作用下在合金熔体中产生定向迁移，并成梯度分布，冷却后，得到大块梯度材料。

上述过程中，温度的调节通过温度控制测量仪调节，温度控制测量仪接收位于铸模中的所述热电偶的信号，测量铸模中料浆的温度，当铸模中的料浆温度高于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪启动所述加热/冷却系统的冷却系统对所述铸模中料浆进行冷却，至生产所需温度；当铸模中的料浆温度低于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪启动所述加热/冷却系统的加热系统对所述铸模中料浆进行加热，至生产所需温度。通过所述温度控制系统，可以调节料浆处于恒定的温度下，或调节铸模内的料浆在特定的冷却速度下降温或升温。

优选的，所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为0.5～1。

本发明的铸态大块梯度材料制备方法所用的装置，在制备铸态大块梯度材料时，将所述超声工具头由所述铸模上端开口，将超声工具头由铸模上端开口浸入合金熔体中，所述超声工具头的径向尺寸与所述铸模的内径比为0.5～1时，超声的定向驱动能力好，超声振动和超声辐射力的方向易控制，而且不会引起合金熔体有较大的波动。超声工具头的直径与所述铸模的内径比﹤0.5时，铸模中的合金熔体容易发生晃动，合金熔体熔体表面的氧化层被破坏，合金熔体与空气的接触面积增大，合金熔体被氧化的部分增多，影响梯度材料的性能。

优选的，超声工具头的材料为钛合金或铌合金。在制备铸态大块梯度材料时，所述超声工具头浸入合金熔体中，合金熔体温度高，超声工具头的材料选择钛合金或铌合金，超声工具头在浸入合金熔体中，不会融化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）相比于现有技术中，利用超声技术只能制备梯度组织为毫米级（1～2mm）的梯度材料；本发明的铸态大块梯度材料制备方法，通过将合金熔体与增强相颗粒混合均匀；并调节合金熔体的固相含量，增大对增强相颗粒的粘滞阻力，减小增强相颗粒在合金熔体中的运动速度，可以增大增强相颗粒在合金熔体中的分布范围，能实现增强相颗粒在合金材料大尺度范围内（厘米级）的梯度分布，制备出铸态大块梯度材料（梯度组织在1厘米以上）。

（2）本发明的铸态大块梯度材料制备方法，操作过程简单，易于控制。

（3）本发明的铸态大块梯度材料制备方法，可以避免液面的剧烈波动，从而液面的氧化杂质不会卷入合金熔体中，制备出的梯度材料性能良好。

（4）由于超声具有脱气、除杂、提高合金熔体对增强相颗粒进行润湿的能力，相比于现有技术制备的大块梯度材料，本发明的铸态大块梯度材料制备方法，制备的梯度材料孔隙率低、组织致密。

附图说明：

图1为本发明的铸态大块梯度材料制备方法所用的装置结构图；

图2为本发明实施1制备的大块铝基梯度材料的微观组织。

（a）近表面处；（b）距表面10mm处

图3为本发明实施1制备的大块铝基梯度材料，增强相SiC颗粒在基材A356铝合金内的梯度分布曲线（梯度组织中0～2cm内，增强相SiC颗粒在合金基材中的密度分布曲线）。

图4为本发明对比例制备的铝基梯度材料的微观组织。

图中标记：1-超声发生装置，101-超声发生控制器，102-换能器，103-变幅杆，104-超声工具头，2-铸模，3-温度控制系统，301温度控制测量仪，302-热电偶，303-加热/冷却系统。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明制备铸态大块梯度材料的装置，包括超声发生装置1、铸模2和温度控制系统3，所述超声发生装置1包括超声发生控制器101、换能器102、变幅杆103、超声工具头104，所述超声工具头104的直径与所述铸模2的内径比为0.9；所述温度控制系统3包括温度控制测量仪301、热电偶302和加热/冷却系统303，所述热电偶302位于铸模2内，所述温度控制测量仪301接受所述热电偶302的信号，测量所述铸模2内的料浆的温度，所述温度控制测量仪301控制所述加热/冷却系统303对所述铸模2内的料浆加热或冷却。

利用本发明的制备铸态大块梯度材料的装置，制备铸态大块梯度材料，包括以下步骤：

步骤（1）：取A356铝合金材料，（A356铝合金的液相线温度为616℃，固相线温度567℃）将合金材料在电阻炉内熔化为合金液，利用温度控制装置将合金液温度保持在680℃左右，备用；

步骤（2）：取适量由步骤（1）所得合金液，倒入所述铸模2中，并向合金液中加入粒度为10～100μm、合金溶液体积百分比的20%的SiC颗粒,将超声工具头104浸入合金液中10mm处，同时对合金液和SiC颗粒施加超声振动，超声频率为15KHz，功率为100W/cm²，使SiC颗粒被合金液润湿，并与合金液均匀混合，得SiC颗粒和合金液的固液混合物；

步骤（3）：降低步骤（2）所得固液混合物的温度，通过温度控制系统3控制降温速率为1℃/s，将固液混合物的温度降到600℃～605℃；

步骤（4）：对步骤（3）所得固液混合物施加频率为50KHz，功率为5W/cm²的超声驻波场，同时对固液混合物降温，降温速率为1℃/s；20s后，通过温度控制系统3对固液混合物进行冷却，冷却速率为0.5℃/s，待固液混合物完全凝固后，即获得铸态大块梯度材料，如图2所示。图2为在普通光学金相显微镜下观察到的，本发明实施例1制备的大块铝基梯度材料的微观组织（沿梯度变化方向，分别在近表面处（a）；距表面10mm处（b），观察到的大块铝基梯度材料的微观组织）。

图3为通过image plus软件对各处多张金相图片统计分析得出的，增强相SiC颗粒在A356铝合金内的含量沿厚度方向的梯度分布曲线。所述多张金相图片为从本发明实施例1制备的大块铝基梯度材料中，沿梯度材料厚度方向的不同位置，在普通光学金相显微镜下观察到的金相图片。由图3可以看到所制备的大块铝基梯度材料的增强相SiC颗粒的分布沿梯度材料厚度方向呈连续梯度变化,梯度组织厚度在2cm以上，越接近底部，SiC颗粒越密集，制备的梯度材料组织致密。

对比例：

本对比例采用的金属材料是Zn-Al合金，其成分百分比（重量百分比）如表1所示：

表1对比例采用的Zn-Al合金中各组分的百分含量（wt.%）

Zn-Al合金的固-液相线为366～380℃。

所采用的第二相增强颗粒为SiC。平均尺寸为12μm，SiC增强相占体积比为20%。

将Zn-Al合金加入铸模中，启动感应加热元件将该合金加热到400℃，待其完全熔化后，将第二相增强颗粒为SiC加入到Zn-Al合金液中，同时启动超声振动，超声频率为20KHz，振幅为10μm，超声振动20s后，停止加热，空冷条件下一直施加超声振动，至材料凝固即可得到SiC颗粒增强的Zn基梯度复合材料，如图4所示。图4为本发明对比例制备的铝基梯度材料的微观组织。由图4可以看到，由对比例所制备的铝基梯度材料的增强相SiC颗粒的分布沿材料厚度方向的梯度变化不明显，且第二相增强颗粒在基材中的分布在1～2mm内。

Claims (8)

1.铸态大块梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：选用具有半固态温度区间的合金材料，将合金材料加热使合金材料完全熔化，得合金熔体；

所述具有半固态温度区间的合金材料是指，组分相同时，合金材料的液相线温度和固相线温度的差值大于0；

步骤(2)：向步骤(1)所得合金熔体中加入合金熔体体积百分比的6～60％、粒度为1μm～500μm的增强相颗粒,对所述合金熔体和增强相颗粒施加功率为100W～1000W/cm²，频率为15～30KHz的超声振动，使增强相颗粒被合金熔体润湿，并与合金熔体均匀混合，得固液混合物；

步骤(3)：降低步骤(2)所得固液混合物的温度，至合金半固态温度区间，调节固液混合物中固相率为6～61％；

步骤(4)：对步骤(3)所得固液混合物施加频率为20～200KHz、功率为2～100W/cm²的超声驻波场，2～1200s后，对固液混合物以0.1～5℃/s的冷却速率进行冷却，凝固后即可获得大块梯度材料。

2.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述合金材料为具有半固态温度区间的Al、Sn、Zn、Cu合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，向合金熔体中加入的增强相颗粒，为合金熔体体积的10～30％。

4.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，选用直径与铸模的内径之比为0.5～1的超声工具头对合金熔体和增强相颗粒施加超声振动，超声工具头由合金熔体的上端浸入合金熔体5～30mm。

5.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述增强相颗粒为B₄C、SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN或ZrO₂颗粒中的一种。

6.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，降温速率为0.1～10℃/s。

7.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：加入的增强相颗粒占合金熔体体积的6～30％时，步骤(3)中，调节固液混合物中固相率为20～40％。

8.根据权利要求1所述的铸态大块梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，对步骤(3)所得的固液混合物施加超声驻波场时，同时对固液混合物进行冷却速率为1～5℃/s的降温。