CN107881373A - 一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法，是针对增强体颗粒与基体材料之间润湿性差、易发生团聚、分布不均，复合材料性能低的问题，采用高硬度和低表面能的铝铜铁准晶做增强体，以提高增强体颗粒与基体的润湿性，采用超声波辅助旋喷搅拌的方法制备准晶增强铝基复合材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，金相组织中初生α‑Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α‑Al基本消失，初生α‑Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸细化，抗拉强度达265Mpa，延伸率达9.5％，硬度达89HV，是先进的准晶增强铝基复合材料的制备方法。

Description

一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法，属有色金属材料制备及应用的技术领域。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料研究领域中的热点，当前已进入了颗粒增强铝基复合材料应用及开发阶段，并将颗粒增强铝基复合材料列为21世纪新材料研究应用的重要方向。
制备颗粒增强铝基复合材料常用搅拌铸造法，是将增强体加入到强烈搅拌的金属熔体中，搅拌后进行浇铸成型，制得复合材料；由于该制备工艺简单易行、成本低而被广泛研究，目前在航空航天、汽车工业、机械制造和体育器材方面有许多应用实例；然而，该工艺在制备过程中难以解决基体材料与增强体颗粒之间润湿性差的问题，在搅拌过程中增强体颗粒易聚集成团，造成分布不均，制得的材料易出现第二相偏析；同时，该工艺大多是将增强体颗粒从上部直接添加到金属熔体中，由于增强体颗粒与基体材料的密度不同以及重力因素，极易造成增强体颗粒团聚沉淀或上浮；在浇铸过程中，增强体颗粒由于失去外力作用与基体亲和度下降，团聚将会再次发生，进一步造成复合材料内分布不均匀，致使颗粒增强铝基复合材料的综合性能下降。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的不足，在铝基体中添加高硬度和低表面能的铝铜铁准晶为增强体，经熔炼炉熔炼、复合搅拌炉内超声波辅助旋喷搅拌，使准晶颗粒与半固态合金熔体进行混合，然后浇注成型，制得准晶增强铝基复合材料，以提高铝基复合材料的力学性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁准晶、无水乙醇、氩气、氧化锌脱模剂，其准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
铝合金：ZL101A 固态块体 15000g±1g
铝铜铁准晶：Al64Cu24Fe12 固态粉体 750g±1g
无水乙醇：C2H5OH 液态液体 3000mL±50mL
氩气：Ar 气态气体 800000cm3±100cm3
氧化锌脱模剂： 液态液体 150mL±5mL
制备方法如下：
(1)制备成型模具
成型模具用热作模具钢制造，模具型腔为圆筒形，型腔表面粗糙度均为：Ra0.08-0.16μm，型腔斜度角为5°；
(2)预处理铝铜铁准晶
球磨，将铝铜铁准晶750g±1g置于球磨机的球磨罐内，进行球磨，磨球与粉体的体积比为3:1，球磨时间3.5h，球磨后成铝铜铁准晶细粉；
筛选，将铝铜铁准晶细粉用400目筛网过筛，球磨、过筛反复进行，成铝铜铁准晶粉末；
(3)铝合金切块
将铝合金15000g±1g置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸≤10mm×20mm×20mm；
(4)熔炼铝合金液
铝合金液的熔炼是在熔炼炉内进行的，是在预热、熔炼、保温过程中完成的；
①清理熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚内部，使表面清洁，用无水乙醇清洗熔炼坩埚内表面，使其洁净；
②预热铝合金块，将切制的铝合金块置于预热炉内，进行预热，预热温度为200℃，备用；
③预热熔炼坩埚，开启熔炼炉加热器，预热熔炼坩埚，预热温度250℃；
④将预热的铝合金块置于预热的熔炼坩埚内，密闭熔炼炉，开始熔炼，熔炼温度750℃±1℃，恒温保温15min；
⑤降温至720℃±1℃，恒温保温10min，成铝合金液；
(5)超声辅助旋喷搅拌半固态合金熔体
①开启熔炼炉电磁泵，将铝合金液通过输料管输送到旋喷搅拌坩埚内；
②开启旋喷搅拌炉加热器，温度为585℃±1℃，恒温保温时间为5min，开启旋喷搅拌装置，调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转速为200r/min，恒温搅拌10min，成半固态合金熔体；
③开启超声波振动装置，超声波频率为80kHz，调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转速为300r/min；
④将铝铜铁准晶粉末放入氩气与准晶混合装置，开启氩气与准晶混合输入管，将混有准晶颗粒的氩气，通过旋喷搅拌装置加入到半固态合金熔体中，通过旋喷搅拌炉出气阀控制旋喷搅拌炉内压强，保持炉内压强为1个大气压；
⑤在超声波振动装置辅助下继续搅拌10min；
(6)浇铸成型
①将成型模具置于预热炉内进行预热，预热温度200℃；
②将150mL±5mL氧化锌脱模剂均匀的喷涂在成型模具表面，厚度为0.15mm；
③关闭旋喷搅拌装置，开启电磁密闭传输装置，将半固态合金熔体通过出料管浇铸到成型模具中，浇注后冷却至25℃；
(7)清理、清洗
①开模，取出铸件；
②将铸件置于钢质平板上，用机械清理各部及周边；
③用砂纸打磨铸件表面，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干，成准晶增强铝基复合材料；
(8)检测、分析、表征
对制备的准晶增强铝基复合材料的形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微镜进行金相组织分析；
用透射电子显微镜进行微观组织分析；
用X射线衍射仪进行XRD分析；
用电子万能试验机进行抗拉强度及延伸率分析；
用维氏硬度计进行硬度分析；
结论：准晶增强铝基复合材料为圆棒状，金相组织中初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸明显细化，抗拉强度达265Mpa，延伸率达9.5％，硬度达89HV。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对增强体颗粒与基体材料之间润湿性差、易发生团聚、分布不均，复合材料性能低的问题，采用高硬度和低表面能的铝铜铁准晶做增强体，以提高增强体颗粒与基体的润湿性，采用超声波辅助旋喷搅拌的方法制备准晶增强铝基复合材料，经过熔炼炉熔炼、超声波辅助旋喷搅拌，准晶颗粒与半固态合金熔体进行混合，然后浇铸到成型模具中，制得准晶增强铝基复合材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，金相组织中初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸细化，抗拉强度达265Mpa，延伸率达9.5％，硬度达89HV，是先进的准晶增强铝基复合材料的制备方法。
附图说明
图1、超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料状态图；
图2、准晶增强型铝基复合材料金相组织图；
图3、准晶增强型铝基复合材料透射电子衍射图；
图4、准晶增强型铝基复合材料X射线衍射强度图谱；
图中所示，附图标记清单如下：
1、总控制柜，2、熔炼炉，3、旋喷搅拌炉，4、旋喷搅拌炉电磁泵，5、旋喷搅拌装置，6、旋喷搅拌装置控制器，7、输料管，8、输料管保温套，9、旋喷搅拌炉出气阀，10、旋喷搅拌炉出气管，11、第一电缆，12、第二电缆，13、氩气瓶，14、熔炼坩埚，15、铝合金液，16、熔炼炉加热器，17、熔炼炉电磁泵，18、氩气与准晶混合装置，19、旋喷搅拌炉加热器，20、旋喷搅拌坩埚，21、超声波振动装置，22、半固态合金熔体，23、氩气，24、出料管，25、氩气与准晶混合输入管，26、搅拌电机，27、变速器，28、旋转接头，29、第三电缆，30、第四电缆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固。
整套制备装置主要由总控制柜1、熔炼炉2、熔炼炉电磁泵17、旋喷搅拌炉3、旋喷搅拌炉电磁泵4、旋喷搅拌装置5、旋喷搅拌装置控制器6组成；
总控制柜1通过第一电缆11、第二电缆12控制熔炼炉2、熔炼炉电磁泵17、旋喷搅拌炉3、旋喷搅拌炉电磁泵4的工作状态；
铝合金液15是在熔炼炉2的熔炼坩埚14内进行熔炼的，熔炼坩埚14周围设有熔炼炉加热器16，熔炼炉2依靠熔炼炉电磁泵17、输料管7与旋喷搅拌炉3相连接，输料管7外部设有输料管保温套8；开启熔炼炉电磁泵17，可将铝合金液15通过输料管7输送到旋喷搅拌炉3的旋喷搅拌坩埚20内；
旋喷搅拌炉3内的旋喷搅拌坩埚20周围设有旋喷搅拌炉加热器19，在旋喷搅拌坩埚20的下部设有超声波振动装置21，旋喷搅拌装置5的搅拌端部置于旋喷搅拌坩埚20内的半固态合金熔体22中；
旋喷搅拌装置5依靠搅拌电机26提供动力，搅拌电机26通过变速器27与旋喷搅拌装置5连接，旋喷搅拌装置控制器6通过第三电缆29来控制旋喷搅拌装置5的运动状态，旋喷搅拌装置控制器6通过第四电缆30与总控制柜1连接；
旋喷搅拌装置控制器6一端与氩气瓶13相连接，旋喷搅拌装置控制器6上设有氩气与准晶混合装置18，氩气与准晶混合装置18通过氩气与准晶混合输入管25、旋转接头28与旋喷搅拌装置5连接，混有准晶粉末的氩气23通过氩气与准晶混合输入管25、旋转接头28、旋喷搅拌装置5通入到半固态合金熔体22中，超声波振动装置21辅助半固态合金熔体22中的氩气23排出，由旋喷搅拌炉出气阀9和旋喷搅拌炉出气管10来调节旋喷搅拌炉3内的压强；
旋喷搅拌坩埚20与旋喷搅拌炉电磁泵4连接，半固态合金熔体22通过旋喷搅拌炉电磁泵4、出料管24浇铸到成型模具中。
图2所示，为准晶增强型铝基复合材料金相组织图，如图所示，采用超声辅助旋喷搅拌制备的准晶增强铝基复合材料，初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，且初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸明显细化。
图3所示，为准晶增强型铝基复合材料透射电子衍射图，如图所示，准晶增强型铝基复合材料存在5次旋转对称结构的二十面体准晶。
图4所示，为准晶增强型铝基复合材料X射线衍射强度图谱，如图所示，准晶增强型铝基复合材料中存在准晶相。

Claims (2)

1.一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法，其特征在于：
使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁准晶、无水乙醇、氩气、氧化锌脱模剂，其准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制备成型模具
成型模具用热作模具钢制造，模具型腔为圆筒形，型腔表面粗糙度均为：Ra0.08-0.16μm，型腔斜度角为5°；
(2)预处理铝铜铁准晶
球磨，将铝铜铁准晶750g±1g置于球磨机的球磨罐内，进行球磨，磨球与粉体的体积比为3:1，球磨时间3.5h，球磨后成铝铜铁准晶细粉；
筛选，将铝铜铁准晶细粉用400目筛网过筛，球磨、过筛反复进行，成铝铜铁准晶粉末；
(3)铝合金切块
将铝合金15000g±1g置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸≤10mm×20mm×20mm；
(4)熔炼铝合金液
铝合金液的熔炼是在熔炼炉内进行的，是在预热、熔炼、保温过程中完成的；
①清理熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚内部，使表面清洁，用无水乙醇清洗熔炼坩埚内表面，使其洁净；
②预热铝合金块，将切制的铝合金块置于预热炉内，进行预热，预热温度为200℃，备用；
③预热熔炼坩埚，开启熔炼炉加热器，预热熔炼坩埚，预热温度250℃；
④将预热的铝合金块置于预热的熔炼坩埚内，密闭熔炼炉，开始熔炼，熔炼温度750℃±1℃，恒温保温15min；
⑤降温至720℃±1℃，恒温保温10min，成铝合金液；
(5)超声辅助旋喷搅拌半固态合金熔体
①开启熔炼炉电磁泵，将铝合金液通过输料管输送到旋喷搅拌坩埚内；
②开启旋喷搅拌炉加热器，温度为585℃±1℃，恒温保温时间为5min，开启旋喷搅拌装置，调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转速为200r/min，恒温搅拌10min，成半固态合金熔体；
③开启超声波振动装置，超声波频率为80kHz，调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转速为300r/min；
④将铝铜铁准晶粉末放入氩气与准晶混合装置，开启氩气与准晶混合输入管，将混有准晶颗粒的氩气，通过旋喷搅拌装置加入到半固态合金熔体中，通过旋喷搅拌炉出气阀控制旋喷搅拌炉内压强，保持炉内压强为1个大气压；
⑤在超声波振动装置辅助下继续搅拌10min；
(6)浇铸成型
①将成型模具置于预热炉内进行预热，预热温度200℃；
②将150mL±5mL氧化锌脱模剂均匀的喷涂在成型模具表面，厚度为0.15mm；
③关闭旋喷搅拌装置，开启电磁密闭传输装置，将半固态合金熔体通过出料管浇铸到成型模具中，浇注后冷却至25℃；
(7)清理、清洗
①开模，取出铸件；
②将铸件置于钢质平板上，用机械清理各部及周边；
③用砂纸打磨铸件表面，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干，成准晶增强铝基复合材料；
(8)检测、分析、表征
对制备的准晶增强铝基复合材料的形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微镜进行金相组织分析；
用透射电子显微镜进行微观组织分析；
用X射线衍射仪进行XRD分析；
用电子万能试验机进行抗拉强度及延伸率分析；
用维氏硬度计进行硬度分析；
结论：准晶增强铝基复合材料为圆棒状，金相组织中初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸明显细化，抗拉强度达265Mpa，延伸率达9.5％，硬度达89HV。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助旋喷搅拌制备准晶增强铝基复合材料的方法，其特征在于：
初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，且初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸明显细化。
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