CN105983682B - 低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属基复合材料凝固控制领域，具体为一种低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法。该方法先将作为基体的镁合金或者铝合金在电阻炉中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降半固态温度，保温一段时间加入增强相晶须或碳纳米管并进行机械搅拌，再次升温至液相线以上并保温一段时间，将熔体注入经过预热的石墨模具并置于脉冲磁场和超声复合作用下进行处理，直至合金完全凝固。本发明通过采用低压脉冲磁场与超声共同作用进行处理实现了金属基复合材料的制备，获得了均匀分布的晶须或碳纳米管，解决目前在制备增强相长径比较大的金属复合材料过程中增强相在金属熔体中的分散问题，适用于制备各种长径比增强相的金属基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料凝固控制领域，具体为一种低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法。
背景技术
金属基复合材料是现代工业中重要的结构材料之一，由于晶须和碳纳米管所具有的超高强度，近年来采用晶须或者碳纳米管作为增强相成为金属基复合材料研究的重要方向。然而，由于晶须和碳纳米管的长径比非常大，且与金属熔体的润湿性差，在复合材料的制备过程中极易发生团聚，因而如何将其在熔体中进行均匀分散成为金属基复合材料关键技术难题之一。
采用超声熔体处理在金属基复合材料制备领域已经研究多年，由于超声可在金属熔体中产生空化和声流等效应，不仅可改善增强相与金属熔体的润湿性，而且可以引起熔体的局部强制对流，有利于增强相在金属熔体中均匀分散并细化晶粒组织。然而，超声处理的局限性在于其作用区域较小，超声声压随距离浸入熔体的超声工具杆端面距离的增大而急剧减小，只有在工具杆端面附近才能获得理想的超声处理效果。因此，单独采用超声处理不适于制备较大尺寸的金属基复合材料坯锭。
在金属凝固过程中施加脉冲磁场可在熔体中引起强烈的周期性震荡和对流，其电磁力作用区域可达整个熔体，对熔体的整体作用效果非常显著。近年来，国内多家单位相继开展了脉冲磁场凝固控制研究并取得了大量积极成果。申请人经多年研究结果表明：采用低压脉冲磁场可显著细化镁合金、铝合金、铜合金、硅钢以及高温合金凝固组织，为脉冲磁场在金属复合材料制备方面的应用提供了新的思路。然而，脉冲磁场在熔体中难以产生像超声空化效应那种在局部产生巨大的冲击力，对增强相与熔体间的润湿性没有明显影响。
在金属基复合材料坯锭制备过程中同时施加脉冲磁场与超声，可以同时发挥这两种外场的独特作用优势，利用脉冲磁场引起的强烈流动将超声在局部产生的空化与声流效果扩展至整个熔体区域，从而获得增强相整体分布均匀且晶粒细化、尺寸均匀的金属基复合材料坯锭。但目前关于低压脉冲磁场和超声复合作用对金属基复合材料坯锭组织的影响尚待研究，特别是对于采用长径比较大的晶须和碳纳米管作为增强相在金属基复合材料中的分布规律尚不清楚，限制了脉冲磁场和超声复合作用在金属基复合材料坯锭制备的应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于一种低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，解决目前在制备增强相长径比较大的金属复合材料过程中增强相在金属熔体中的分散问题，通过改善增强相在基体中分散状态、细化晶粒并可同时提高其强度和塑性，以满足日益苛刻的工业需求。
本发明的技术方案如下：
一种低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，采用低压脉冲磁场与超声耦合作用实现金属基复合材料坯锭的制备，先将作为基体的金属在电阻炉中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至半固态温度，保温一段时间加入作为增强相的晶须或碳纳米管并进行机械搅拌，然后再次升温至液相线以上并保温一段时间，将熔体注入经过预热的石墨模具并置于脉冲磁场和超声复合作用下进行处理，直至合金完全凝固。其中，脉冲磁场励磁电压为50～300V，磁场频率为0.5～10Hz；超声功率为500～3000W，频率为1.0～2.5kHz。
所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，脉冲磁场与超声复合作用处理开始时熔体过热温度20～100℃。
所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，同时施加脉冲磁场与超声进行熔体处理和凝固过程处理，脉冲磁场与超声复合作用处理时间为3～15min。
所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，石墨模具预热温度300～600℃。
所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，该方法用于包括以晶须或碳纳米管在内的各种长径比增强相的金属基复合材料坯锭的制备。
本发明的设计思想如下：
本发明通过在金属基复合材料坯锭制备过程中同时施加脉冲磁场与超声，同时发挥这两种外场的作用优势，利用脉冲磁场引起的强烈流动将超声在局部产生的空化与声流效果扩展至整个熔体区域，从而获得增强相整体分布均匀且晶粒细化均匀的金属基复合材料坯锭。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
1.采用本发明不仅可显著改善增强相在基体中的分散状况，而且可整体细化基体金属的晶粒组织，具有设备简单、操作方便、安全易行、可以制备各种长径比增强相的金属基复合材料坯锭等优点。
2.与单独采用超声处理相比，采用本发明可在更大区域获得良好的增强相分散和晶粒均匀细化效果，因此可制备较大尺寸的金属基复合材料坯锭。
3.与采用机械搅拌等方法相比，采用本发明能改善增强相与熔体润湿性，增强相分散效果更好。
4.与较高电压的电磁场凝固方法相比，本发明采用的脉冲磁场电压低，安全性高，设备体积小，易在工业中推广应用。
附图说明
图1为本发明脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料示意图。图中，1超声发生器；2超声工具杆；3超声电源；4脉冲磁场电源；5熔体；6模具；7励磁线圈；8模具台。
图2为未施加磁场和超声(a)与实施例1单独施加超声(b)和施加脉冲磁场和超声(c)获得的硼酸镁晶须增强AZ91D镁合金坯锭凝固组织。
具体实施方式
如图1所示，本发明低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料装置主要包括：超声发生器1、超声工具杆2、超声电源3、脉冲磁场电源4、模具6、励磁线圈7、模具台8等，具体结构如下：
超声发生器1的输入端与超声电源3连接，超声发生器1的输出端与超声工具杆2的一端连接，超声工具杆2的另一端伸至模具6内的熔体5中，模具6的外侧设置励磁线圈7，励磁线圈7与低压脉冲磁场电源4连接，模具6设置于模具台8上。
该装置的具体使用过程如下：
1.将所述超声发生器1放于支架上，超声由超声发生器1产生，并通过超声工具杆2导入熔体5，超声发生器1由超声电源3供电。将熔体5注入模具6中并置于模具台8上。励磁线圈7置于模具6外侧，励磁线圈7比熔体5高度略低(一般略低5～100mm)，励磁线圈7与低压脉冲磁场电源4相连。
2.浇注前将模具6置于保温炉中，在300～600℃预热0.5～1h。
3.先将作为基体的金属在电阻炉中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至半固态温度(液相线以下10℃左右，一般为液相线以下5～20℃)，保温一段时间(10～20分钟)加入作为增强相的晶须或碳纳米管并进行机械搅拌，晶须是指硼酸镁晶须等；然后，再次升温至液相线以上并保温一段时间(15～25分钟)。
4.将熔体注入经过预热的石墨模具并置于脉冲磁场和超声复合作用下进行处理，脉冲磁场与超声复合作用处理开始时熔体过热温度20～100℃，直至合金完全凝固。所用脉冲磁场励磁电压为50～300V，磁场频率为0.5～10Hz；超声功率为500～3000W，频率为1.0～2.5kHz。
该方法具有增强相分布均匀、晶粒细化效果明显、低成本、安全易实现等优点，适用于制备各种长径比增强相的金属基复合材料，可显著提高其强度和塑性，以满足日益苛刻的工业需求。
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中，将AZ91D镁合金在低碳钢坩埚中加热至700℃，保温后降温至590℃，加入烘干的硼酸镁晶须并进行机械搅拌，搅拌时间5分钟。机械搅拌结束后加大加热功率，将熔体温度提高至650℃并保温20分钟后浇入预热温度为600℃的石墨模具，在坯锭的凝固过程中全程施加脉冲磁场和超声。磁场励磁电压100V，频率2Hz，超声功率1000W，频率2.0kHz。如图2所示，从未施加磁场和超声(a)与单独施加超声(b)和施加脉冲磁场和超声(c)获得的硼酸镁晶须增强AZ91D镁合金坯锭凝固组织可以看出，通过施加脉冲磁场和超声复合作用，不仅显著改善了增强相硼酸镁晶须的分散状况，而且作为基体的镁合金晶粒尺寸也获得了明显的细化效果。
实施例结果表明，通过施加脉冲磁场和超声复合作用，实现了增强相整体分布均匀且晶粒细化的金属基复合材料坯锭制备，获得了优化的脉冲磁场与声场参数。将基体金属在电阻炉中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至半固态温度，保温一段时间加入作为增强相的晶须或碳纳米管并进行机械搅拌，然后再次升温至液相线以上并保温一段时间，将熔体注入经过预热的石墨模具并置于脉冲磁场和超声复合作用下进行处理，直至合金完全凝固。采用本发明不仅显著改善增强相在基体中的分散状况，而且可整体细化基体金属的晶粒组织，具有设备简单、操作方便、安全易行等优点，可用于制备各种长径比增强相的金属基复合材料坯锭，具有重要的工业应用价值。
Claims (3)
1.一种低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，其特征在于，该方法通过在金属基复合材料坯锭制备过程中同时施加脉冲磁场与超声，同时发挥这两种外场的作用优势，利用脉冲磁场引起的强烈流动将超声在局部产生的空化与声流效果扩展至整个熔体区域，从而获得增强相整体分布均匀且晶粒细化均匀的金属基复合材料坯锭；
低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的装置包括：超声发生器、超声工具杆、超声电源、脉冲磁场电源、模具、励磁线圈、模具台，具体结构如下：超声发生器的输入端与超声电源连接，超声发生器的输出端与超声工具杆的一端连接，超声工具杆的另一端伸至模具内的熔体中，模具的外侧设置励磁线圈，励磁线圈与低压脉冲磁场电源连接，模具设置于模具台上；
采用低压脉冲磁场与超声耦合作用实现金属基复合材料坯锭的制备，先将作为基体的金属在电阻炉中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至半固态温度，保温一段时间加入作为增强相的晶须或碳纳米管并进行机械搅拌，再次升温至液相线以上并保温一段时间，将熔体注入经过预热的石墨模具并置于脉冲磁场和超声复合作用下进行处理，直至合金完全凝固；其中，所用脉冲磁场励磁电压为50～300V，磁场频率为0.5～10Hz；超声功率为500～3000W，频率为1.0～2.5kHz；
脉冲磁场与超声复合作用处理开始时熔体过热温度20～100℃，同时施加脉冲磁场与超声进行熔体处理和凝固过程处理，脉冲磁场与超声复合作用处理时间为3～15min。
2.按照权利要求1所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，其特征在于：石墨模具预热温度300～600℃。
3.按照权利要求1所述的低压脉冲磁场与超声复合作用制备金属基复合材料的方法，其特征在于：该方法用于包括以晶须或碳纳米管在内的各种长径比增强相的金属基复合材料坯锭的制备。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |