CN105331853A - 一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法 - Google Patents

一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法，将基体铝合金和SiC预制件放入坩埚内的托架上，基体铝合金加热熔化，当熔体达到设定温度后，超声工具头向熔体内辐射超声波，熔体逐渐浸渗入SiC预制件内，浸渗完成后，停止加热和超声振动，当熔体冷却到高于基体铝合金液相线温度30～50℃后，将浸渗完成的预制件在空气中冷却，得到SiC/Al复合材料。通过优化超声工具头结构，增加阻隔垫等方法，使超声振动破坏熔体表面的氧化膜，改善熔体与SiC预制件之间的浸润性，浸渗温度和浸渗时间都明显低于普通无压浸渗过程，同时抑制了有害界面反应的发生，从而提高了无压浸渗制备SiC/Al复合材料的效率和质量。

Description

一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备与加工技术领域，特别涉及一种采用超声无压浸渗工艺制备SiC/Al复合材料的装置及方法。
背景技术
随着航空航天、交通运输、机械电子等行业对材料综合性能的要求越来越高，金属基复合材料的应用也越来越广泛。在现有的多种金属基复合材料制备技术中，无压浸渗是近年来逐渐发展起来一项技术，用该技术可以制备出高体积分数的金属基复合材料，其性能基本能够满足相关行业的要求，同时制造成本低于粉末冶金、压力浸渗等技术。
但是，在常规无压浸渗工艺中，由于铝合金熔体极易氧化，熔体表面氧化膜的存在使熔体与SiC的界面浸润性很差，现有的无压浸渗工艺只能通过提高液态金属温度的方法改善浸润性，需要在惰性气体保护下将铝合金加热至很高温度，利用高温破坏氧化膜完整性，从而改善界面浸润性，实际采用的加热温度通常高于基体金属液相线温度400～500℃，而且整个浸渗过程缓慢，浸渗过程需要持续较长时间。长时间高温保温不仅使生产效率较低，而且在浸渗期间，高温铝合金熔体与碳化硅直接接触会发生严重的界面反应，生成的反应产物Al4C3存在于材料内部，导致复合材料性能下降。因此需要通过新方法降低完成浸渗过程所需的温度和时间，提高复合材料的性能和生产效率。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法。
一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，该装置包括坩埚3，坩埚3外侧设有加热装置2，坩埚3的盖上设有进气口和出气口，以及一个热电偶插孔，热电偶1由该孔插入坩埚3中，坩埚3内放置托架4，托架4为H型，托架4的托盘上设有多个小孔，坩埚3底部安装有超声工具头8，坩埚3底部外侧设有保温层5，超声工具头8的工具杆依次穿过坩埚3和保温层5，与超声变幅杆9连接，超声变幅杆9下端与超声换能器11相连。
优选地，在坩埚3底部安装有1至多个超声工具头8，超声工具头8的端面设计为平面或圆弧面。
优选地，超声工具头8与坩埚3之间设有阻隔垫12。
优选地，超声变幅杆9外侧安装有循环水冷罩10，工作时用于超声变幅杆9的冷却。
使用上述装置制备SiC/Al复合材料的方法，包括以下步骤：
1)将SiC颗粒与粘结剂混合，然后在模具内压制成一定形状、尺寸的预制件6；
2)将超声工具头8固定在坩埚3底部，之后连接超声变幅杆9和超声换能器11，然后将托架4放入坩埚3底部，在托架4上依次放上基体铝合金7和SiC预制件6，其中SiC预制件6放置在基体铝合金7上面；
3)封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入惰性气体，开启加热装置2对坩埚3加热，基体铝合金7逐渐熔化，熔体通过托盘上的小孔流下，与超声工具头8接触；
4)当热电偶1显示熔体温度达到设定温度后，开启超声换能器11，超声工具头8向熔体内辐射超声波，熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件6内部；
5)浸渗完成后，断开加热装置2和超声换能器11的电源，停止加热和超声振动，当熔体冷却到高于基体铝合金7液相线温度30～50℃后，将浸渗完成的预制件6在空气中冷却，最终得到SiC/Al复合材料。
其中，步骤2)中所述基体铝合金为Al-Si-Mg系合金，不排除包含其他元素。
优选地，步骤3)中所述加热，升温速率为3～10℃/min。
优选地，步骤4)中所述设定温度为700～900℃。
优选地，步骤4)中超声工具头8的工作频率为20～30kHz。
优选地，步骤4)中浸渗时间为30～90min。
本发明的有益效果为：本发明将超声振动作用在熔体与SiC的界面上，利用超声振动破坏铝合金熔体表面氧化膜的完整性，从而在较低熔体温度下就能获得良好的界面浸润性，降低了浸渗温度并减少了浸渗时间，抑制了有害的界面反应的发生。本发明在坩埚底部安装超声工具头，并将超声工具头端面设计为平面或圆弧面，有利于超声波向熔体内均匀辐射，在超声工具头与坩埚底面间安装阻隔垫，一方面起到密封作用，另一方面能够阻止超声振动向坩埚壁传递，从而提高超声振动向熔体内传送的效率。结果表明该方法能高效率低成本的制造出高性能SiC/Al复合材料。
附图说明
图1为超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料系统示意图；
图2为超声工具头及其与坩埚连接示意图；
图3为实施例1得到的SiC/Al复合材料微观组织分析图。
标号说明：1-热电偶；2-加热装置；3-坩埚；4-托架；5-保温层；6-预制件；7-基体金属；8-超声工具头；9-超声变幅杆；10-循环水冷罩；11-超声换能器，12-阻隔垫，13-螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，如图1所示，该装置包括坩埚3，坩埚3外侧设有加热装置2，坩埚3的盖上设有进气口和出气口，以及一个热电偶插孔，热电偶1由该孔插入坩埚3中，坩埚3内放置托架4，托架4为H型，托架4的托盘上设有多个小孔，坩埚3底部安装有多个超声工具头8，超声工具头8由螺母13固定在坩埚3底部，其端面设计为圆弧面，有利于超声波向熔体内均匀辐射，超声工具头8与坩埚3之间设有阻隔垫12，一方面起密封作用，另一方面能够阻止超声振动向坩埚壁传递，从而提高超声振动向熔体内传送的效率。坩埚3底部外侧设有保温层5，以减少底部散热，超声工具头8的工具杆依次穿过坩埚3和保温层5，与超声变幅杆9连接，超声变幅杆9下端与超声换能器11相连，超声变幅杆9外侧安装有循环水冷罩10，工作时用于对超声变幅杆9的冷却。
具体实施过程中，先利用螺母13将超声工具头8和阻隔垫12固定在坩埚3底部，然后将超声工具头8与超声变幅杆9连接，超声变幅杆9下端与超声换能器11连接；之后将托架4放入坩埚3底部，在托架4上依次放上基体铝合金7和SiC预制件6，其中SiC预制件6放置在基体铝合金7上面，各部分安放到位后封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入氮气，开启加热装置2对坩埚3进行加热，同时在循环循环水冷罩10内通入冷却水。坩埚3内的基体铝合金7受热逐渐熔化，熔体通过托盘上的小孔流下，与超声工具头8接触，当热电偶1显示熔体温度达到设定温度后，接通超声换能器11电源，超声工具头8向熔体内辐射超声波，超声振动的作用下，SiC预制件6与基体铝合金7的界面浸润性得到改善，超声振动与预制件6内固液界面的毛细作用相结合，促进了熔体渗入到预制件6内部。当浸渗完成后，断开加热装置2和超声换能器11的电源，停止加热和超声振动，当熔体冷却到高于基体铝合金液相线温度30～50℃时，将托架4从坩埚3内取出，浸渗完成的预制件6在空气中冷却，最终得到所需SiC/Al复合材料。
实施例1
将SiC颗粒与硅溶胶混合，然后在模具内压制成一定形状尺寸的预制件6，基体铝合金7选用Al-Si-Mg合金，超声工具头8的端面为圆弧面，坩埚3底部安装好超声工具头8、阻隔垫12，并连接超声变幅杆9及超声换能器11后，将托架4放入坩埚3内，然后将基体铝合金7及SiC预制件6依次放在托架4上，且SiC预制件6放于基体铝合金7上面；封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入氮气保护，开始进行加热，升温速率为5℃/min，基体铝合金7逐渐熔化，熔体通过托盘上的小孔流下，与超声工具头8接触；加热的同时在循环循环水冷罩10内通入冷却水。当热电偶1温度显示坩埚3内熔体达到900℃时，接通超声换能器11的电源，超声工具头8向熔体内均匀辐射超声波，熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件6内部，其中超声换能器11和超声工具头8工作频率均为20kHz。浸渗30min后，浸渗过程完成，停止加热和超声振动。当热电偶1温度显示熔体温度为630℃时，取出托架4，浸渗完成的预制件6在空气中冷却得到所需的SiC/Al复合材料。对制备出的SiC/Al复合材料进行微观组织分析，结果显示材料内部组织致密，而且无Al4C3相生成。

Claims (10)

1.一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，该装置包括坩埚(3)，坩埚(3)外侧设有加热装置(2)，坩埚(3)的盖上设有进气口和出气口，以及一个热电偶插孔，热电偶(1)由该孔插入坩埚(3)中，坩埚(3)内放置托架(4)，托架(4)为H型，托架(4)的托盘上设有多个小孔，坩埚(3)底部安装有超声工具头(8)，坩埚(3)底部外侧设有保温层(5)，超声工具头(8)的工具杆依次穿过坩埚(3)和保温层(5)，与超声变幅杆(9)连接，超声变幅杆(9)下端与超声换能器(11)相连。
2.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，在坩埚(3)底部安装有1至多个超声工具头(8)，超声工具头(8)的端面设计为平面或圆弧面。
3.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，超声工具头(8)与坩埚(3)底部之间设有阻隔垫(12)。
4.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，超声变幅杆(9)外侧安装有循环水冷罩(10)，工作时用于超声变幅杆(9)的冷却。
5.使用权利要求1-4中任一权利要求所述装置制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将SiC颗粒与粘结剂混合，然后在模具内压制成预制件(6)；
2)将超声工具头(8)固定在坩埚(3)底部，之后连接超声变幅杆(9)和超声换能器(11)，然后将托架(4)放入坩埚(3)底部，在托架(4)上依次放上基体铝合金(7)和SiC预制件(6)，其中SiC预制件(6)放置在基体铝合金(7)上面；
3)封闭坩埚(3)，在坩埚(3)内插入热电偶(1)并通入惰性气体，开启加热装置(2)对坩埚(3)加热，基体铝合金(7)逐渐熔化，熔体通过托盘上的小孔流下，与超声工具头(8)接触；
4)当热电偶(1)显示熔体温度达到设定温度后，开启超声换能器(11)，超声工具头(8)向熔体内辐射超声波，熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件(6)内部；
5)浸渗完成后，断开加热装置(2)和超声换能器(11)的电源，停止加热和超声振动，当熔体冷却到高于基体铝合金(7)液相线温度30～50℃后，将浸渗完成的预制件(6)在空气中冷却，最终得到SiC/Al复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，步骤2)中所述基体铝合金为Al-Si-Mg系合金。
7.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，步骤3)中所述加热，升温速率为3～10℃/min。
8.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，步骤4)中所述设定温度为700～900℃。
9.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，步骤4)中超声工具头(8)的工作频率为20～30kHz。
10.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，步骤4)中浸渗时间为30～90min。
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