CN1261612C - 强磁场下制备铝基复合材料的方法及装置 - Google Patents

强磁场下制备铝基复合材料的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法及其装置，其制备方法是先将金属基体铝加热至850℃，保温30分钟，再加入增强体Al2O3颗粒或短纤维，搅拌15分钟后，将金属铝基熔体放入固定铸模中，在强磁场控制系统中凝固20分钟至640℃后空冷至室温，获取金属铝基复合材料；制备装置有一个金属包1，加热系统2，热电偶3，增强体输送管4，搅拌线圈5，固定铸模9，支座10，滑动水口12，真空室或保护气氛室13，其特征是采用了一个能使金属铝熔体凝固的，由强磁场发生器6，冷却水管7，报警及温控装置8，保温层11组成的强磁场控制系统，本发明显著的效果是改善了材料的凝固组织，提高了增强颗粒分布均匀度和增强短纤维的择优取向系数，从而改善金属基复合材料的质量，提高了其综合性能；本装置同时还适用于其它金属基复合材料和难混熔合金的生产。

Description

强磁场下制备铝基复合材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及金属基复合材料，特别是涉及一种高性能铝基复合材料的制备方法及装置。
背景技术
金属基复合材料兼备金属和增强材料的性能特点，具有良好的综合性能，是外层空间结构及汽车制造领域等一些工业领域中有着广泛应用前景的材料。由于金属基复合材料研究较晚，总的来说，金属基复合材料的制备技术水平大部分还处于实验室研究阶段，只有一小部分实现了工业化。目前，在晶须(短纤维)、颗粒增强的金属基复合材料生产中，已开发出粉末冶金、搅拌熔铸、压力浸渍、共喷沉积和原位生成等生产工艺。其中，粉末冶金法虽然工艺相对成熟，但材料成本较高，制造尺寸大的坯料有一定的困难。液态金属铸造法适合于工业规模的生产，工艺过程简单，制造成本低廉。但在利用液态金属铸造法制备金属基复合材料的过程中，由于增强颗粒的沉积、漂浮和团聚造成增强颗粒在金属基体中分布不均匀；由于晶须或者短纤维等增强材料在金属基体中往往成无序杂乱分布状态，造成增强材料排列取向系数不高。这些问题恰恰是提高金属基复合材料综合性能的关键所在，它们严重阻碍着金属基复合材料的进一步发展和广泛应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述金属基复合材料所存在的问题，研制出一种铝基复合材料的制备方法及其装置，达到增强颗粒在金属基体中均匀分布，增强短纤维定向排列，提高铝基复合材料的综合性能。
实现本发明目的的技术方案是：首先取金属铝作为金属基体，加入金属包中，加热至850℃，保温30分钟，以10～30％(体积)的比例加入经过表面处理的Al2O3颗粒，搅拌15分钟，放入固定铸模中，在强磁场控制系统中凝固20分钟至640℃后空冷至室温，最终制取铝基复合材料。
上述铝基复合材料的制备装置是由一个金属包1，加热系统2，热电偶3，增强体输送管4，搅拌线圈5，固定铸模9，支座10，及真空室或保护气氛室13构成，其特征是采用了一个能使金属熔体凝固的、由强磁场发生器6，冷却水管7，报警及温控装置8组成的强磁场控制系统。
本发明与已有技术相比，最大的优点是，在制备铝基复合材料过程中，利用了强磁场的微(超)重力效果，晶体择优取向效果和对流抑制效果以及交流磁场引起的电磁搅拌效果来改善材料的凝固组织，其显著的效果是提高了增强颗粒分布均匀度，促进晶须或短纤维等增强材料的结晶取向效果，使增强晶须或短纤维按要求的方向择优排列，从而达到提高复合材料的综合性能效果。本发明制备装置同时还适用于其它金属基复合材料和难混溶合金的生产，不仅可以生产出如上述铝基复合材料同样优良效果的金属基复合材料，同时对难混溶合金可以达到改善密度偏析现象，并促进第二相的弥散分布。此外，还可以通过大小和方向可控的磁力，促使金属基复合材料中的增强颗粒和合金中的某一组元在所要求的金属或合金表面富集或贫化。
附图说明
图1是本发明的制备装置结构示意图；
图2是报警及温控装置示意图。
图1中所示，1金属包，2加热系统，3热电偶，4增强体输送管，5搅拌线圈，6强磁场发生器，7冷却水管，8报警及温控装置，9固定铸模，10支座，11保温层，12滑动水口，13真空室或保护气氛室，14金属溶体，15报警及控制装置探头。
图2中所示8a、8b、8e、8f、8g均为数控温度仪的接线柱
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细阐述：图1中，其装置的构成分上下两部分，上部分由金属包1，电阻加热或者感应加热系统2，热电偶3(市场购置)通过密封圈固定在真空室13的外壁上，在其加热系统2外围绕有铜制的搅拌线圈5或者在金属包1内装配机械搅拌器，增强体输送管4通过密封圈固定在真空室13的外壁上；下部分的固定铸模9，固定在支座10上，固定铸模9内装有一个热电偶3，其外壁上包有保温材料11，选用硅酸铝纤维，保温层厚度为25mm。在固定铸模9与强磁场发生器6(市场购买，可用强磁场空间为φ10cm～1m，磁场感应强度0～20T)之间，装有进、出冷却水管7，通过法兰、螺丝固定在真空室13的外壁上，在冷却水管7外壁上装有报警与温控装置8的探头15，探头15通过导线与真空室13外的报警与温控装置8上的8a、8b接线柱连接。上、下两部分之间通过滑动水口12使金属包1下面出口与固定铸模9进口连接；其上、下两部分全部封闭在真空室13内。上述整个制备装置的各种部件均选用非磁性材料，如不锈钢304，铜及耐火材料等。
制备本发明铝基复合材料，首先取金属铝作为金属基体，加入到金属包中，加热至850℃，保温30分钟，以10～30％(体积)的比例加入经过表面超声波洗净处理的Al2O3颗粒，电磁搅拌15分钟，搅拌频率30Hz，搅拌电流强度1500A，在金属熔体14充分熔化后，打开滑动水口12，将金属熔体14放入固定铸模9中，使金属熔体14置于强磁场控制系统中凝固，强磁场发生器的磁场感应强度最佳选用10T，凝固速度10.5℃/min，凝固20分钟至640℃后空冷至室温，最终制取铝基复合材料。
上述铝基复合材料的制备过程的报警及温度控制是通过报警及温控装置8来实施。如图2所示，当报警及控制装置探头15测到的温度传至数控温度仪接线柱8a、8b后，若温度低于或高于设定的控制温度，通过接线柱8e传至蜂鸣器，蜂鸣器报警，通过继电器自动控制水冷却系统7的开关闭合，调整温度达到控制温度范围，以保证正常的生产过程，获得最终合格的产品。

Claims (8)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征是以金属铝作为金属基体，Al2O3颗粒为增强体，首先将金属铝加热至850℃，保温30分钟，按体积百分比以10～30％的比例加入经过表面处理的Al2O3颗粒，搅拌15分钟后，将金属铝基熔体放入固定铸模，在强磁场控制系统中凝固20分钟至640℃后空冷至室温，获取金属铝基复合材料。
2.按照权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征是Al2O3颗粒经过表面超声波洗净处理后加入金属铝基熔体中。
3.按照权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征是采用电磁搅拌，搅拌频率小于或等于50赫兹，搅拌电流强度为1000～2500A。
4.按照权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征是金属铝基熔体在强磁场控制系统中的凝固速度为10.5℃/min。
5.按照权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征是强磁场控制系统中的强磁场发生器的磁感应强度选用10T。
6.权利要求1所述铝基复合材料制备方法采用的制备装置，其特征是该装置的构成分上下两部分，上部分由金属包(1)，电阻加热或者感应加热系统(2)，热电偶(3)通过密封圈固定在真空室(13)的外壁上，在其加热系统(2)外围绕有铜制的搅拌线圈(5)或者在金属包(1)内装配机械搅拌器，增强体输送管(4)通过密封圈固定在真空室(13)的外壁上；下部分的固定铸模(9)固定在支座(10)上，固定铸模(9)内装有一个热电偶(3)，其外壁上包有保温材料(11)，选用硅酸铝纤维，在固定铸模(9)与强磁场发生器(6)之间，装有进、出冷却水管(7)，通过法兰、螺丝固定在真空室(13)的外壁上，在冷却水管(7)外壁上装有报警与温控装置(8)的探头(15)，探头(15)通过导线与真空室(13)外的报警与温控装置(8)上的接线柱(16)和接线柱(17)连接，上、下两部分之间通过滑动水口(12)使金属包(1)下面出口与固定铸模(9)进口连接；其上、下两部分全部封闭在真空室(13)内。
7.按照权利要求6所述的铝基复合材料制备方法采用的制备装置，其特征是强磁场发生器(6)可用强磁场空间为φ10cm～1m，磁感应强度小于或等于20T。
8.按照权利要求6或7所述的铝基复合材料制备方法采用的制备装置，其特征是强磁场发生器(6)的磁感应强度选用10T。
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