CN103710560B - 一种连续制备铝基原位复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝基复合材料，特指一种连续制备铝基原位复合材料的方法。其特征在于：首先将经过预热的固体反应物与处于近液相线温度的铝合金通过螺旋流变挤压装置进行混合，挤出后在高温区进行化学反应，反应得到的高温铝基复合材料连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度较低的铝合金熔体，通过电磁搅拌进行混合，降低铝基原位复合材料浆料的温度至基体合金的通常浇注温度并保证其均匀性，然后采用常规浇注方法成型，冷却后获得铝基原位复合材料铸锭或者铸件。该方法有效组合了现有技术的优势，核心技术成熟、容易实现，便于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料，特指一种连续制备铝基原位复合材料的方法。
背景技术
与传统的外加颗粒增强铝基复合材料相比，铝基原位复合材料具有增强体热力学稳定高、增强体与铝或铝合金基体界面结合好、增强体表面洁净无脆性产物等优势，具有十分广阔的应用前景。目前，铝基原位复合材料的主要制备方法包括熔体反应法、气-液反应法、自蔓延高温合成法、反应烧结法等。其中，熔体反应法因具有反应过程可控、反应生成的复合材料易于采用传统工艺成型、制备成本低等优点，受到了越来越多的重视。不同的研究者，通过在熔体反应过程中引入磁场、超声场等作用，试图改善熔体的化学反应，达到控制反应产物形态、尺寸和在基体中的分布均匀性等目的，目前已经取得了一定的效果。但是，无论是磁场还是超声场均存在作用强度和作用范围等方面的限制，在工业规模应用上受到了制约。同时，目前常用的Al-Si-O、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Zr-B等反应体系的反应温度都比较高，通常在850℃以上，有些甚至超过1000℃。熔体原位反应的温度太高，不仅使设备维护成本和难度加大，而且铝及铝合金熔体吸气严重，使铝基原位复合材料整体品质下降。
因此，迫切需要提出一种适合于铝基原位复合材料的连续制备方法，要求该方法既能够保证熔体中化学反应进行完全，又能保证生成的增强颗粒尺寸、形态和在基体中的分布可控，同时制备过程成本较低、操作比较容易实现。
发明内容
本发明提出一种连续制备铝基原位复合材料的方法，其原理是：通过螺旋流变混合方法将粉末状固体反应物与处于近液相线的铝合金进行混合，促使反应物混合均匀；然后，将混合物送到高温区域进行化学反应，保证反应充分进行；由高温反应得到的复合材料与温度较低的铝合金熔体通过电磁搅拌进行混合，使铝基复合材料的温度降低到铝合金通常的成型温度范围，同时保证铝基原位复合材料浆料的均匀性。
一种连续制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：首先将经过预热的固体反应物与处于近液相线温度的铝合金通过螺旋流变挤压装置进行混合，挤出后在高温区进行化学反应，反应得到的高温铝基复合材料连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度较低的铝合金熔体，通过电磁搅拌进行混合，降低铝基原位复合材料浆料的温度至基体合金的通常浇注温度并保证其均匀性，然后采用常规浇注方法成型，冷却后获得铝基原位复合材料铸锭或者铸件。
所述的经过预热的固体反应物，是指经过300~350℃、30~50min加热处理的能与铝生成或者在铝合金熔体中生成氧化物、碳化物或硼化物增强颗粒的反应物粉末，其加入量占铝合金熔体质量的20~30%。
所述的处于近液相线温度的铝合金，是指温度在液相线温度以上10~20℃范围内适合铸造生产的铝合金。
所述的螺旋流变挤压装置，是指采用热作模具钢制作，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理的半固态浆料处理装置，采用双螺旋形式，螺旋节距2~5mm，内腔直径20~40mm，使用过程中该装置内腔的温度与进入该装置的铝合金熔体温度保持一致，螺旋旋转速度为100~300r/min。
所述的在高温区进行化学反应，是指在与螺旋流变挤压装置出口相连的温度为850~900℃的高温加热管内进行固体反应物与铝合金之间的化学反应，固体反应物与铝合金的混合物由螺旋流变挤压装置出口连续进入高温加热管，反应时间由高温加热管的有效长度、内腔尺寸与螺旋流变挤压装置的尺寸、螺旋推进速度共同确定。
所述的高温加热管，是指采用耐高温且不与铝熔体发生反应的陶瓷材料制作的内腔有效长度800~1000mm、宽50~100mm、高10~15mm的管状区域。
所述的连续进入复合材料熔池，是指反应获得的高温铝基复合材料通过封闭的流槽进入到复合材料熔池，流槽温度保持在铝合金熔体液相线以上80~120℃。
所述的温度较低的铝合金熔体，是指温度保持在液相线以上10~20℃，成分与进入螺旋流变挤压装置的铝合金熔体相同的铝合金，其加入量为高温铝基复合材料质量的50~150%。
所述的通过电磁搅拌进行混合，是指通过交变电磁场实现高温铝基复合材料与温度较低的铝合金熔体的搅拌，交变电磁线圈布置在复合材料熔池外，交变电流强度为10~30A，电磁搅拌装置连续工作。
本发明将铝基原位复合材料制备过程中的反应物混合、高温熔体化学反应和反应生成物的分散等几个关键步骤分开处理，充分利用已有技术在不同步骤中的优势，将这些技术方法有机地组合在一起，实现了铝基原位复合材料的连续制备，核心技术成熟、容易实现，便于工业化应用。
附图说明
图1本发明方法的过程示意图
1温度较低的铝合金熔体，2反应物粉体，3加料口，4螺旋流变挤压装置，5高温加热管，6流槽及高温铝基复合材料，7电磁搅拌装置，8复合材料熔池
图2由本发明方法制备的铝基原位复合材料的显微组织。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
本实施例具体实施一种连续制备氧化铝颗粒增强铝基原位复合材料的方法，具体过程为：将经过300℃、50min预热处理的平均尺寸为15μm的SiO2粉末与温度为630℃的ZL101A合金加入螺旋流变挤压装置进行混合；其中，SiO2粉末的加入量占ZL101A合金熔体质量的20%，螺旋流变挤压装置采用热作模具钢制作，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，采用双螺旋形式，螺旋节距2mm，内腔直径20mm，使用过程中该装置内腔温度保持为630℃，螺旋旋转速度为100r/min；挤出的混合物在与螺旋挤出装置出口相连的内进行化学反应，高温加热管温度为900℃，采用氮化硅陶瓷材料制作，内腔有效长度800mm、宽50mm、高10mm，反应时间为10min；反应得到的高温铝基复合材料通过封闭的流槽连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度为630℃的质量为高温铝基复合材料的100%的ZL101A铝合金熔体，并通过连续交变电磁场搅拌实现高温铝基复合材料与温度较低的铝合金熔体之间的混合，使铝基原位复合材料浆料的温度保持在730℃，交变电磁线圈布置在复合材料熔池外，交变电流强度为30A；然后采用将铝基原位复合材料浆料浇注到金属型铸锭模中，冷却获得铝基原位复合材料铸锭。
图1为本发明方法的过程示意图，图2为由本发明方法制备的铝基原位复合材料的显微组织；图2中灰色颗粒为氧化铝颗粒，可见氧化铝颗粒在铝合金基体上的分布比较均匀。
实施例2
本实施例具体实施一种连续制备TiC颗粒增强铝基原位复合材料的方法，具体过程为：将经过350℃、30min预热处理的平均尺寸为30μm的钛粉和平均尺寸为10μm的石墨粉的混合物与温度为635℃的ZL102合金加入螺旋流变挤压装置进行混合；其中，钛粉和石墨粉的质量比为4:1，混合物粉末的加入量占ZL102合金熔体质量的25%，螺旋流变挤压装置采用热作模具钢制作，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，采用双螺旋形式，螺旋节距5mm，内腔直径40mm，使用过程中该装置内腔温度保持为635℃，螺旋旋转速度为300r/min；挤出的混合物在与螺旋挤出装置出口相连的高温加热管内进行化学反应，高温加热管温度为850℃，采用高刚玉材料制作，内腔有效长度1000mm、宽100mm、高15mm，反应时间为5min；反应得到的高温铝基复合材料通过封闭的流槽连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度为635℃的质量为高温铝基复合材料的50%的ZL102铝合金熔体，并通过连续交变电磁场搅拌实现高温铝基复合材料与温度较低的铝合金熔体之间的混合，使铝基原位复合材料浆料的温度保持在720℃，交变电磁线圈布置在复合材料熔池外，交变电流强度为10A；然后采用将铝基原位复合材料浆料浇注到金属型铸中，冷却获得铝基原位复合材料铸件。
所制备的铝基原位复合材料显微组织与图2类似，从该复合材料的显微组织中可以发现TiC颗粒在基体上的分布比较均匀。
实施例3
本实施例具体实施一种连续制备TiB2颗粒增强铝基原位复合材料的方法，具体过程为：将经过320℃、40min预热处理的平均尺寸为30μm的钛粉和平均尺寸为10μm的B2O3粉的混合物与温度为625℃的ZL105合金加入螺旋流变挤压装置进行混合；其中，钛粉和B2O3粉的质量比为2:3，混合物粉末的加入量占ZL105合金熔体质量的30%，螺旋流变挤压装置采用热作模具钢制作，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，采用双螺旋形式，螺旋节距4mm，内腔直径30mm，使用过程中该装置内腔温度保持为625℃，螺旋旋转速度为200r/min；挤出的混合物在与螺旋挤出装置出口相连的高温加热管内进行化学反应，高温加热管温度为880℃，采用高刚玉材料制作，内腔有效长度900mm、宽70mm、高12mm，反应时间为8min；反应得到的高温铝基复合材料通过封闭的流槽连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度为625℃的质量为高温铝基复合材料的150%的ZL105铝合金熔体，并通过连续交变电磁场搅拌实现高温铝基复合材料与温度较低的铝合金熔体之间的混合，使铝基原位复合材料浆料的温度保持在710℃，交变电磁线圈布置在复合材料熔池外，交变电流强度为20A；然后采用将铝基原位复合材料浆料浇注到金属型中，冷却获得铝基原位复合材料铸件。
所制备的铝基原位复合材料显微组织与图2类似，从该复合材料的显微组织中可以发现TiB2颗粒在基体上的分布比较均匀。
Claims (2)
1.一种连续制备铝基原位复合材料的方法，首先将经过预热的固体反应物与处于近液相线温度的铝合金通过螺旋流变挤压装置进行混合，挤出后在高温区进行化学反应，反应得到的高温铝基复合材料连续进入复合材料熔池，同时向熔池中引入温度较低的铝合金熔体，通过电磁搅拌进行混合，降低铝基原位复合材料浆料的温度至基体合金的通常浇注温度并保证其均匀性，然后采用常规浇注方法成型，冷却后获得铝基原位复合材料铸锭或者铸件；其特征在于：所述的处于近液相线温度的铝合金，是指温度在液相线温度以上10~20℃范围内适合铸造生产的铝合金；所述的螺旋流变挤压装置，是指采用热作模具钢制作，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理的半固态浆料处理装置，采用双螺旋形式，螺旋节距2~5mm，内腔直径20~40mm，使用过程中该装置内腔的温度与进入该装置的铝合金熔体温度保持一致，螺旋旋转速度为100~300r/min；所述的在高温区进行化学反应，是指在与螺旋流变挤压装置出口相连的温度为850~900℃的高温加热管内进行固体反应物与铝合金之间的化学反应，固体反应物与铝合金的混合物由螺旋流变挤压装置出口连续进入高温加热管，反应时间由高温加热管的有效长度、内腔尺寸与螺旋流变挤压装置的尺寸、螺旋推进速度共同确定；所述的高温加热管，是指采用耐高温且不与铝熔体发生反应的陶瓷材料制作的内腔有效长度800~1000mm、宽50~100mm、高10~15mm的管状区域；所述的连续进入复合材料熔池，是指反应获得的高温铝基复合材料通过封闭的流槽进入到复合材料熔池，流槽温度保持在铝合金熔体液相线以上80~120℃；所述的温度较低的铝合金熔体，是指温度保持在液相线以上10~20℃，成分与进入螺旋流变挤压装置的铝合金熔体相同的铝合金，其加入量为高温铝基复合材料质量的50~150%；所述的通过电磁搅拌进行混合，是指通过交变电磁场实现高温铝基复合材料与温度较低的铝合金熔体的搅拌，交变电磁线圈布置在复合材料熔池外，交变电流强度为10~30A，电磁搅拌装置连续工作。
2.如权利要求1所述的一种连续制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的经过预热的固体反应物，是指经过300~350℃、30~50min加热处理的能与铝生成或者在铝合金熔体中生成氧化物、碳化物或硼化物增强颗粒的反应物粉末，其加入量占铝合金熔体质量的20~30%。
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