CN104131196B - 一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，属于金属基复合材料领域。采用铝合金和陶瓷颗粒为原料，铝合金熔化保温后，将陶瓷颗粒放入超声钟罩内并预热，将装有陶瓷颗粒的超声钟罩浸入铝合金熔体中，开启超声波装置，使超声钟罩内的陶瓷颗粒在超声波的作用下分散进入铝合金熔体中，超声作用完毕后，进行熔体处理、浇铸、冷却等后续处理，即得颗粒增强的铝基复合材料。本发明克服了公知熔体复合技术存在的铝合金熔体与陶瓷颗粒之间的润湿、陶瓷颗粒需预处理、铝合金表面氧化层对颗粒的吸附、原位反应温度高反应量大反应残留物污染等问题，提供了一种工艺简单、低成本的颗粒增强铝基复合材料制备方法。

Description

一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有高比强、耐磨、高温性能好、组织性能可设计性强等优点，在汽车、航天航空、体育器材、耐磨材料、高温结构材料等领域具有广阔的应用市场。
目前公知的颗粒增强铝基复合材料的主流制备方法主要有熔体复合及粉末冶金复合两种方法。
熔体复合法从熔体途径出发，铝合金熔化后，通过机械搅拌等方法，将陶瓷颗粒分散到铝合金熔体中。该方法存在陶瓷颗粒与铝合金熔体之间的润湿问题，造成陶瓷颗粒，特别是高含量陶瓷颗粒的加入困难，往往需要对陶瓷颗粒进行预处理，使工艺过程复杂，提高了成本。在熔体复合法中采用超声波，利用超声波能，可以解决陶瓷颗粒与铝合金熔体之间的润湿性问题，使陶瓷颗粒加入到铝合金熔体中，但常规的超声波熔体复合方法，由于铝熔体表面存在氧化层，对陶瓷颗粒有吸附作用，阻碍了颗粒的加入。另外，在熔体复合法中采用铝合金熔体内的金属盐进行原位反应，也可解决陶瓷颗粒与铝合金熔体之间的润湿问题获得颗粒增强铝基复合材料，但存在反应温度高、需要添加的金属盐的量较大、反应残留物会污染熔体等不足。
粉末冶金复合法，是从粉末途径出发，将铝合金粉末与陶瓷颗粒混合、压制后，加热到一定温度进行烧结。该方法受粉末冶金工艺的限制，在制作大批量、大尺寸构建上存在不足；另外，由于铝合金的活性较大，容易氧化，故烧结时需要严格的气氛保护或者高真空条件。
发明内容
为克服上述公知颗粒增强铝基复合材料制备技术的不足，本发明提供一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，该方法具有工艺简单、低成本的特点，可实现规模化工业化生产。
本发明的技术方案是：采用铝合金和陶瓷颗粒为原料，铝合金熔化保温后，将陶瓷颗粒放入超声钟罩内并预热，后将装有陶瓷颗粒的超声钟罩浸入铝合金熔体中，开启超声波装置，使超声钟罩内的陶瓷颗粒在超声波的作用下分散进入铝合金熔体中，超声作用完毕后，进行熔体处理、浇铸、冷却等后处理，即得颗粒增强的铝基复合材料。具体步骤如下：
（1）铝合金熔化保温：采用铝合金为原料，将铝合金加热到750～850℃，保温20～60min，获得铝合金熔体；
（2）超声钟罩准备：将粒度为0.5～20μm、质量为铝合金熔体质量的5～30%的陶瓷颗粒用铝箔包裹后装入超声钟罩中，一起加热到600℃预热10～30min备用；
（3）超声钟罩复合：将步骤（2）获得的超声钟罩浸入到步骤（1）获得的铝合金熔体中，开启超声波装置进行超声钟罩复合，得到陶瓷颗粒和铝合金熔体的复合熔体；
（4）复合熔体处理、浇铸、冷却及热处理：将步骤（3）得到的复合熔体冷却到比铝合金熔点高30～60℃的温度，进行熔体处理，后进行浇铸，铸件空冷到室温，对可热处理强化的铝合金进行热处理，即得颗粒增强铝基复合材料。
所述铝合金为Al与Si、Cu、Mg、Zn、Mn、Ni、Ag、Li中的一种或几种元素构成的合金。
所述陶瓷颗粒为SiC、Al2O3、TiB2、TiC、Si3N4、BC或AlN颗粒中的任意一种。
所述超声钟罩包括变幅杆、多孔刚玉钟罩；其中，超声波功率为1000～2000W，频率为20KHz，超声波作用时间为2～6min。
所述熔体处理为铝合金常规熔体处理，包括除气、除渣及变质处理。
所述热处理为铝合金的T4、T5或T6热处理中的一种，其中T4为固溶+自然时效处理，T5为固溶+不完全人工时效处理，T6为固溶+人工时效处理，T4、T5或T6热处理方法的选用，与常规铝合金的热处理方法相同。
本发明的有益效果是：
采用超声钟罩实现铝合金熔体中增强陶瓷颗粒的加入，兼备超声波熔体复合和钟罩技术的优点，克服了公知熔体复合技术存在的铝合金熔体与陶瓷颗粒之间的润湿、陶瓷颗粒需预处理、铝合金表面氧化层对颗粒的吸附、原位反应温度高反应量大反应残留物污染等问题，提供了一种工艺简单、低成本的颗粒增强铝基复合材料制备方法。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明的超声钟罩及其工作状态示意图；
图中：1-换能器和超声波发生器接口，2-变幅杆，3-多孔刚玉钟罩，4-陶瓷颗粒，5-铝合金熔体，6-坩埚。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
（1）铝合金熔化保温：采用Al-Si9合金为原料，将Al-Si9合金加热到750℃，保温20min，获得Al-Si9合金熔体；
（2）超声钟罩准备：将粒度为0.5～5μm、质量为铝合金熔体质量的5%的SiC颗粒用铝箔包裹后装入超声钟罩中，一起加热到600℃预热10min备用；
（3）超声钟罩复合：将步骤（2）获得的超声钟罩浸入到步骤（1）获得的Al-Si9合金熔体中，开启超声波装置进行超声钟罩（包括变幅杆2、多孔刚玉钟罩3、坩埚6，如图2所示）复合，超声波功率为1000W，频率为20KHz，超声波作用时间为2min，得到SiC颗粒和Al-Si9合金熔体的复合熔体；
（4）复合熔体处理、浇铸、冷却、热处理：将步骤（3）得到的复合熔体冷却到640℃进行除气、除渣及变质处理，后进行浇铸，铸件空冷到室温，即得屈服强度230MPa、抗拉强度260MPa、延伸率4%的SiC颗粒增强Al-Si9基复合材料（Al-Si9合金为不可热处理强化合金，无需进行热处理）。
实施例2
本实施例所述颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
（1）铝合金熔化保温：采用A356合金为原料，将A356合金加热到800℃，保温40min，获得A356合金熔体；
（2）超声钟罩准备：将粒度为5～10μm、质量为铝合金熔体质量的10%的TiB2颗粒用铝箔包裹后装入超声钟罩中，一起加热到600℃预热20min备用；
（3）超声钟罩复合：将步骤（2）获得的超声钟罩浸入到步骤（1）获得的A356合金熔体中，开启超声波装置进行超声钟罩复合，超声波功率为1500W，频率为20KHz，超声波作用时间为4min，得到TiB2颗粒和A356合金熔体的复合熔体；
（4）复合熔体处理、浇铸、冷却、热处理：将步骤（3）得到的复合熔体冷却到650℃进行除气、除渣及变质处理，后进行浇铸，铸件空冷到室温，然后进行T6热处理，即得屈服强度430MPa、抗拉强度450MPa、延伸率3%的TiB2颗粒增强A356基复合材料。
实施例3
本实施例所述颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
（1）铝合金熔化保温：采用6061合金为原料，将6061合金加热到850℃，保温60min，获得6061合金熔体；
（2）超声钟罩准备：将粒度为10～20μm、质量为铝合金熔体质量的30%的Al2O3颗粒用铝箔包裹后装入超声钟罩中，一起加热到600℃预热30min备用；
（3）超声钟罩复合：将步骤（2）获得的超声钟罩浸入到步骤（1）获得的6061合金熔体中，开启超声波装置进行超声钟罩复合，超声波功率为2000W，频率为20KHz，超声波作用时间为6min，得到Al2O3颗粒和6061合金熔体的复合熔体；
（4）复合熔体处理、浇铸、冷却、热处理：将步骤（3）得到的复合熔体冷却到700℃进行除气、除渣及变质处理，后进行浇铸，铸件空冷到室温，然后进行T6热处理，即得屈服强度570MPa、抗拉强度720MPa、延伸率2%的Al2O3颗粒增强6061基复合材料。

Claims (3)

1.一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）铝合金熔化保温：采用铝合金为原料，将铝合金加热到750～850℃，保温20～60min，获得铝合金熔体；
（2）超声钟罩准备：将粒度为0.5～20μm、质量为铝合金熔体质量的5～30%的陶瓷颗粒用铝箔包裹后装入超声钟罩中，一起加热到600℃预热10～30min备用；
（3）超声钟罩复合：将步骤（2）获得的超声钟罩浸入到步骤（1）获得的铝合金熔体中，开启超声波装置进行超声钟罩复合，得到陶瓷颗粒和铝合金熔体的复合熔体；
（4）复合熔体处理、浇铸、冷却、热处理：将步骤（3）得到的复合熔体冷却到比铝合金熔点高30～60℃的温度，进行熔体处理，后进行浇铸，铸件空冷到室温，对可热处理强化的铝合金进行热处理，对不可热处理强化的铝合金则不需进行热处理，即得颗粒增强铝基复合材料；
所述铝合金为Al与Si、Cu、Mg、Zn、Mn、Ni、Ag、Li中的一种或几种元素构成的合金；
所述陶瓷颗粒为SiC、Al2O3、TiB2、TiC、Si3N4、BC或AlN颗粒中的任意一种；
所述超声钟罩包括变幅杆、多孔刚玉钟罩；其中，超声波功率为1000～2000W，频率为20KHz，超声波作用时间为2～6min。
2.根据权利要求1所述颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，其特征在于：所述熔体处理为铝合金常规熔体处理，包括除气、除渣及变质处理。
3.根据权利要求1所述颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法，其特征在于：所述热处理为铝合金的T4、T5或T6热处理中的一种，其中T4为固溶+自然时效处理，T5为固溶+不完全人工时效处理，T6为固溶+人工时效处理。
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