CN106498204A - 一种内生铝基复合材料铸件制备方法 - Google Patents

Abstract

一种内生铝基复合材料铸件制备方法，属于金属成形领域。本发明方法具体为：首先将高熔点组元制备成中间合金，然后与低熔点组元制备成母合金，通过感应加热的方式，调节加热温度，重熔母合金，控制内生相的体积分数，快速冷却，得到内生铝基复合材料铸件。本发明的技术方案可以有效解决铸件内生相在金属液内容易聚结、偏析，以及内生相体积分数调节必须通过更改配方的问题。实现内生铝基复合材料铸件组织均匀、内生相体积分数可调和变体积分数的目标，开辟制备内生铝基金属复合材料铸件的新途径。

Description

一种内生铝基复合材料铸件制备方法

技术领域

本发明属于内生铝基材料铸件制备技术领域，特别涉及一种具有组织均匀、内生相体积分数可调和变体积分数的铝基复合材料铸件制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。与传统的金属材料相比，具有较高的比强度与比刚度，而与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，又具有高韧性和高冲击性能。铝基复合材料具有高比强度、高比模量、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐冲击、耐冲蚀、低的热膨胀系数、良好的热稳定性和导电导热性，在航空航天、汽车工业、电子业等领域中具有广阔的应用前景。

由于内生复合克服了外加复合的一些不足，因此内生铝基复合材料的研究发展较快，成为金属基复合材料研究中的一个热点。内生复合的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的增强相，从而达到强化金属基体的目的。内生铝基复合材料具有一下优点：①增强体在铝基体上原位形核长大具有增强界面结合良好的互容性；②省去了增强物质的预处理，简化了工艺流程，成本也相对降低；③增强相颗粒细小，往往处于微米级或微米级以下，能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能，而且有很高的强度和弹性模量；④能与铸造工艺结合，直接制造出形状复杂，尺寸变化大的近终形产品。

然而，内生铝基复合材料铸件存在内生相的均化问题，对于那些在长时间熔炼保温的金属液，已形成的内生相在金属液内容易聚结、偏析，而且在浇注模具后慢速凝固过程中，内生相常偏析于树枝晶间或晶粒边界，对材料组织和性能产生不良影响。同时，内生相的体积分数，主要是通过调整材料的配方进行控制，造成工艺繁琐，成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明是通过提供一种内生铝基复合材料铸件制备方法，实现内生铝基复合材料铸件组织均匀、内生相体积分数可调和变体积分数的目标，开辟制备内生铝基金属复合材料铸件的新途径。

本发明的技术方案是通过以下进行实现的，具体为：一种内生铝基复合材料铸件制备方法，其步骤包括：

第一步：合金配比；

第二步：将熔点组元制备成中间合金；

第三步：将中间合金破碎与低熔点组元熔炼制成母合金；

第四步：将母合金熔化，注入模具中；

第五步：采用加热方式，调节加热功率，控制加热温度，将母合金加热至完全融化状态，保温后浸入到冷却介质中，快速凝固成型。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、首先熔炼母合金锭，然后合金锭融化在模具中成型后，最后调节内生相的体积分数分。避免常规熔炼长时间保温过程中内生相在金属液内聚结、偏析的问题； 2、浸入冷却介质为冷却能力极强的液态合金，实现快速冷却，解决了现有的金属液注入模具缓慢冷却过程中，内生相偏析于树枝晶间或晶粒边界的问题；3、通过调节加热功率，控制加热温度，可以调节内生相的体积分数，与常规的通过变化配方调节内生相体积分数的方法相比，成本低、效率高；4、可以控制铸件不同部位的温度，实现同一试样不同部位的内生相的体积分发生变化。

附图说明

图1是本发明实施例内生铝基复合材料铸件制备流程；

图2是本发明实施例内生铝基复合材料铸件制备原理示意图；

图3是本发明实施例750℃内生铝基复合材料铸件微观组织；

图4是本发明实施例 800℃内生铝基复合材料铸件微观组织。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

结合图1、图2所示，图2中，1为感应加热装置， 2为模具，3为铸件熔化部分，4为铸件凝固部分 ，5为抽拉机构，6为冷却液；

一种内生铝基复合材料铸件制备方法，包括以下步骤：

第一步：合金配比；

根据铝基复合材料成分配方，计算各组元质量，采用高纯组元进行配比。

第二步：将熔点组元制备成中间合金；

首先将高熔点组元熔制成中间合金锭，以确保获得成分均匀的中间合金；

第三步：将中间合金破碎与低熔点组元熔炼制成母合金；

将中间合金破碎，与低熔点组元按设计成分配比混合后放入预处理过的坩埚内，熔炼成母合金。

第四步：将母合金熔化，注入模具中；

将适量母合金锭表面机械打磨放入坩埚中，加热重熔后，注入模具中。模具的几何尺寸和形状可根据产品的要求进行调整。

第五步：采用感应线圈加热方式加热模具，调节加热功率，控制加热温度，加热温度为750-950℃,保温时间10分钟，将母合金加热至完全融化状态，保温后浸入到冷却Ga-In-Sn液态合金中，浸入冷却介质的速率控制在10-20mm/s，快速凝固成型。

采用感应线圈加热方式加热模具，将模具内的合金加热到完全融化（模具未融化）。由于内生相的固溶度与温度相关，因此不同温度条件下内生相的体积分数是不同的。通过调节加热功率控制温度，调整内生相的体积分数，浸入冷却介质为冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金，快速冷却。

实施例1

(1) 合金配比

本发明制备内生相TiB2增强ZAlCu5MnA铝基复合材料，高熔点组元重量百分比见表1，低熔点组元重量百分比见表2，高熔点组元与低熔点组员重量之比为4:1。

表1高熔点组元重量百分比(%)

组元	Al	Cu	Mn	Ti
					重量/%	其余	4.8-5.3	0.6-1.0	0.15-0.35

表2低熔点组元重量百分比(%)

组元	K2TiF6	KBF4
			重量/%	34	66

(2) 母合金的制备

将高熔点组元Al、Cu、Mn、Ti的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照选定/设计好的成分配比料备料，熔化获得中间合金；

第二步将去除氧化皮后的中间合金破碎，与低熔点组元K2TiF6、KBF4按设计成分配比混合后放入预处理过的坩埚内，在感应炉中熔炼成母合金。

(3) 试样成型

将母合金锭表面机械打磨，熔化后注入模具中。

（4）快速凝固

将装有母合金的模具放入感应熔炼装置中，调节加热功率加热到750℃，内生相的体积分数为10%，保温10min，然后以15mm/s的抽拉速率浸入冷却介质为冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金。

图3为750℃快速凝固条件下，内生铝基复合材料铸件微观组织扫描照片。通过图片可以看出内生相分布均匀，不存在聚结和偏析于晶界的问题。

实施例2

合金配比、母合金制备和试样成型采用与实施例1相同的制备方法，快速凝固工序中加热温度为800℃，内生相的体积分数为8%，见图4。

事实证明，通过调调节加热功率，控制重熔温度，可以调节内生相的体积分数。

实施例3

合金配比、母合金制备和试样成型采用与实施例1相同的制备方法，快速凝固工序中试样的下半部加热到750℃，浸入冷却介质为冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金，得到内生相体积分数为10%的组织。试样的上半部在感应加热的区域加热到800℃，浸入冷却介质为冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金，得到内生相体积分数为8%的组织。实现变体积分数试样的制备。

Claims (5)

1.一种内生铝基复合材料铸件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：合金配比；

第二步：将熔点组元制备成中间合金；

第三步：将中间合金破碎与低熔点组元熔炼制成母合金；

第四步：将母合金熔化，注入模具中；

第五步：采用加热方式，调节加热功率，控制加热温度，将母合金加热至完全融化状态，保温后浸入到冷却介质中，快速凝固成型。

2.根据权利要求1所述的内生铝基复合材料制备方法，其特征在于：第五步中所述加热方式为感应加热。

3.根据权利要求1所述的内生铝基复合材料制备方法，其特征在于：第五步中加热温度为750-950℃,保温时间10分钟。

4.根据权利要求1所述的内生铝基复合材料制备方法，其特征在于：第五步中浸入冷却介质的速率控制在10-20mm/s。

5.根据权利要求1所述的内生铝基复合材料制备方法，其特征在于：第五步中冷却介质为Ga-In-Sn液态合金。