CN111266585A - 一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法 - Google Patents

一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，该方法包括如下步骤：(1)熔炼：将复合材料中熔点相对较低、易于熔炼的一种金属通过中频感应炉在真空条件下熔炼；(2)气雾化制熔滴：将上述金属熔体通过高压气雾化喷头雾化；(3)热喷涂制熔滴：在沉积室内同时配置热喷涂喷头，将复合材料中难熔的一种金属以粉末形式送入热喷涂设备，通过热喷涂制滴；(4)沉积：将气雾化喷嘴和热喷涂喷头制得的两种飞散的熔滴共沉积在水冷沉积盘上。本发明通过将气雾化沉积与热喷涂相结合，来实现液相不混溶的两相的混合与凝固；该方法不仅可随意调整复合材料中两相的体积分数，而且所制取的复合材料杂质含量很低，组织均匀可控。

Description

一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体地，涉及一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法。
背景技术
对于液相不混溶的两种金属所形成的复合材料的制备来讲，如Cu-40Cr合金，W-Cu复合材料，通过熔铸法来制备通常是不可能的，因为这类材料其中一相的熔点很高，如Cu-40Cr合金中的Cr和W-Cu复合材料中的W，普通的熔铸装备很难将其熔化，即便通过电弧熔炼等方法熔化了，之后如果采用普通的铸造方法来铸造，也会由于液相不混溶的特性而导致两相在凝固过程中发生分离而在复合材料中产生宏观偏析。这类复合材料通常采用粉末冶金法来制备，而粉末冶金法会导致复合材料坯锭中O等杂质含量偏高，并且会产生组织不均匀等问题。
例如专利号为CN201410587450.5的中国发明专利公开了一种增强钛基粉末冶金复合材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：a：按照重量百分比称取镍粉、铬粉、氧化锌、锰粉、铌粉、氧化铝、钼粉和钛粉，然后于60-85℃下干燥3-4小时；b：按照重量百分比称取TiB2和NdB6，然后与步骤a中干燥后的组分混合均匀，在冲击能量与混合粉末重量之比为(180-240J)：(1-2g)，冲击速度为5.6-6.8m/s的条件下压制生坯；c、再于900-1250℃条件下烧结3-5小时，冷却后即得增强钛基粉末冶金复合材料。该方法采用粉末冶金法来制备复合材料，会导致复合材料坯锭中O等杂质含量偏高，并且会产生组织不均匀等问题。
发明内容
为了解决解决上述的技术问题，本发明提供了一种能够制备液相不混溶的金属复合材料的方法，该方法通过将气雾化沉积与热喷涂相结合，来实现液相不混溶的两相的混合与凝固。这种方法不仅可随意调整复合材料中两相的体积分数，而且所制取的复合材料杂质含量很低，组织均匀可控。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，其主要工序包括相对低熔点的一种金属熔炼与气雾化制熔滴、高熔点金属热喷涂制熔滴、两种金属熔滴共沉积使两相均匀混合并凝固等步骤。
其中，熔炼工序的具体步骤为：将复合材料中熔点相对较低，易于熔炼的一种金属通过中频感应炉在真空条件下熔炼，熔炼后在高于其熔点100-150℃的温度保温，用于随后的气雾化制熔滴；
气雾化制熔滴工序的具体步骤为：将上述熔炼后的金属熔体通过高压气雾化喷头，在1-5MPa气压，气液质量比为2-5的条件下，在惰性气体喷吹作用下制成尺寸非常细小的熔滴，飞散到雾化制粉炉的沉积室中用于沉积复合材料；
热喷涂制熔滴工序的具体步骤为：在沉积室内同时配置热喷涂喷头，然后将复合材料中难熔的一种金属以粉末形式送入热喷涂设备，再通过热喷涂喷头中的等离子气体快速加热，并从热喷涂喷头飞散而出，从而在沉积室内将难熔的一相也制成飞散的熔滴；
在沉积室内将气雾化喷嘴和和热喷涂喷头制得的两种飞散的熔滴共沉积在水冷沉积盘上，水冷沉积盘的水冷强度从复合材料坯锭沉积初始到结束应由弱到强，以实现沉积锭上表面的冷却强度较为恒定，从而实现两液相不混溶金属的混合和凝固，制备出均质、组织与致密度可控的复合材料。沉积过程中通过控制沉积盘的旋转速度、下拉速度来控制两液相在复合沉积过程中的组织与坯锭致密度。沉积盘旋转速度10-50转每分钟，下拉速度10-50mm每分钟。
本发明的有益效果：
1、本发明通过中频熔炼和热喷涂等离子体熔化，实现了两种熔点差别大的金属的同时熔化，同时避免熔点相对较低的金属在此过程中发生过度蒸发。
2、本发明通过两种方法来制备两种金属的熔滴，然后通过熔滴气雾共沉积这种形式，实现了两种液相不混溶金属在微观层次上很均匀地混合并凝固到一起。
3、本发明所采用的方法比起常用的粉末冶金法，所制备的复合材料杂质含量非常低，且组织可控，实验结果重复性好。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
Cu-40Cr合金坯锭的制备
Cu-40Cr合金主要用于电触头，由于具有良好的导电导热性，不易粘连和打火，所以在高压开关、高端焊机焊极上具有不可替代的应用，目前生产中主要通过粉末冶金法来制备，制备成本高，效率低，且对于含40％的Cr的电触头，通常存在组织不均匀的问题。通过如下工序来制备这种复合材料，其主要工序包括铜的熔炼、铜液气雾化制熔滴、铬粉通过热喷涂喷头制熔滴、两种金属熔滴共沉积使两相混合并凝固；
熔炼工序具体步骤：将易于熔炼的铜通过中频感应炉在真空条件下熔炼，熔炼后在1200℃保温，用于随后的气雾化制熔滴工序。
气雾化制熔滴工序具体步骤：将上述熔炼后的铜液通过高压气雾化喷头，在2MPa气压，气液质量比为2的条件下，在惰性气体氩气喷吹作用下制成尺寸非常细小的熔滴，飞散下落到雾化制粉炉的沉积室中用于沉积复合材料。
热喷涂制熔滴工序具体步骤：在雾化制粉炉的沉积室内同时配置热喷涂喷头，然后将铬以粉末形式送入热喷涂设备，再通过热喷涂喷头中的等离子气体快速加热熔化，并从热喷涂喷头飞散而出，从而在沉积室内将难熔的铬也制成飞散的熔滴。
在沉积室内将气雾化喷嘴和和热喷涂喷头制得的铜熔滴与铬熔滴共沉积在水冷沉积盘上，水冷沉积盘的水冷强度从复合材料坯锭沉积初始到结束应由弱到强，以实现沉积锭上表面的冷却强度较为恒定，从而实现两液相不混溶金属的混合和凝固，制备出均质、组织与致密度可控的复合材料。沉积过程中控制沉积盘的旋转速度为15转每分、下拉速度为15mm每分，最终制备的Cu-40Cr合金坯锭致密度高于98％，组织细小，成分均匀。
实施例2
W-Cu复合材料的制备
钨铜复合材料在电子封装领域具有重要的应用，通常采用熔渗法来制备，熔渗法难于生产大尺寸的坯锭，且坯锭组织也不是很均匀。本实施例通过下述工艺来制备钨铜复合材料坯锭，主要工序包括铜的熔炼、铜液气雾化制熔滴、高熔点金属钨热喷涂制熔滴、两种金属熔滴共沉积使两相混合并凝固。
熔炼工序具体步骤：将纯铜锭在中频感应炉中于真空条件下熔炼，熔炼后在1200℃保温，用于随后的气雾化制熔滴工序。
气雾化制熔滴工序具体步骤：将上述熔炼后的金属熔体通过高压气雾化喷头，在2MPa气压，气液质量比为2的条件下，在惰性气体氩气喷吹作用下制成尺寸非常细小的熔滴，飞散下落到雾化制粉炉的沉积室中用于沉积复合材料。
热喷涂制熔滴工序具体步骤：在沉积室内同时配置热喷涂喷头，然后将钨粉送入热喷涂设备，再通过热喷涂喷头中的等离子气体快速加热熔化，并从热喷涂喷头飞散而出，从而在沉积室内将钨粉也制成飞散的熔滴。
在沉积室内将气雾化工序和和热喷涂工序制得的铜熔滴与钨熔滴共沉积在水冷沉积盘上，水冷沉积盘的冷却强度从复合材料坯锭沉积初始到结束应由弱到强，以实现沉积锭上表面的冷却强度较为恒定，从而实现这两种液相不混溶金属的均匀混合和凝固，制备出均质、组织与致密度可控的复合材料。沉积过程中沉积盘的旋转速度为20转每分、下拉速度为10mm每分，最终制得钨铜复合材料坯锭致密度高于97％，组织均匀可控。
本方法中控制W-Cu复合材料的组织主要是通过控制钨粉的粒径，初始钨粉粒径约大，复合材料坯锭的组织也越粗大。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)熔炼：将复合材料中熔点相对较低、易于熔炼的一种金属通过中频感应炉在真空条件下熔炼，得到金属熔体，熔炼后的金属熔体进行保温，用于随后的气雾化制熔滴；
(2)气雾化制熔滴：将上述步骤(1)熔炼后的金属熔体通过高压气雾化喷头，在惰性气体喷吹作用下制成熔滴，飞散到雾化制粉炉的沉积室中用于后续的沉积；
(3)热喷涂制熔滴：在沉积室内同时配置热喷涂喷头，然后将复合材料中难熔的一种金属以粉末形式送入热喷涂设备，再通过热喷涂喷头中的等离子气体快速加热，并从热喷涂喷头飞散而出，在沉积室内将制得难熔的金属熔滴；
(4)沉积：在沉积室内将气雾化喷嘴和热喷涂喷头制得的两种飞散的熔滴共沉积在水冷沉积盘上，制备得到所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)熔炼后得到的金属熔体在高于其熔点100-150℃的条件下保温。
3.根据权利要求1所述的一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)气雾化的条件为：1-5MPa气压、气液质量比为2-5:1。
4.根据权利要求1所述的一种制备液相不混溶的金属复合材料的方法，其特征在于，步骤(4)沉积过程中水冷沉积盘旋转速度为10-50转每分钟，下拉速度10-50mm每分钟。
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