一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法
【專利摘要】本發明公開一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，屬于金屬基復合材料領域。采用鋁合金和陶瓷顆粒為原料，鋁合金熔化保溫后，將陶瓷顆粒放入超聲鐘罩內并預熱，將裝有陶瓷顆粒的超聲鐘罩浸入鋁合金熔體中，開啟超聲波裝置，使超聲鐘罩內的陶瓷顆粒在超聲波的作用下分散進入鋁合金熔體中，超聲作用完畢后，進行熔體處理、澆鑄、冷卻等后續處理，即得顆粒增強的鋁基復合材料。本發明克服了公知熔體復合技術存在的鋁合金熔體與陶瓷顆粒之間的潤濕、陶瓷顆粒需預處理、鋁合金表面氧化層對顆粒的吸附、原位反應溫度高反應量大反應殘留物污染等問題，提供了一種工藝簡單、低成本的顆粒增強鋁基復合材料制備方法。
【專利說明】一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，屬于金屬基復合材料領域。
【背景技術】
[0002]顆粒增強鋁基復合材料具有高比強、耐磨、高溫性能好、組織性能可設計性強等優點，在汽車、航天航空、體育器材、耐磨材料、高溫結構材料等領域具有廣闊的應用市場。
[0003]目前公知的顆粒增強鋁基復合材料的主流制備方法主要有熔體復合及粉末冶金復合兩種方法。
[0004]熔體復合法從熔體途徑出發，鋁合金熔化后，通過機械攪拌等方法，將陶瓷顆粒分散到鋁合金熔體中。該方法存在陶瓷顆粒與鋁合金熔體之間的潤濕問題，造成陶瓷顆粒，特別是高含量陶瓷顆粒的加入困難，往往需要對陶瓷顆粒進行預處理，使工藝過程復雜，提高了成本。在熔體復合法中采用超聲波，利用超聲波能，可以解決陶瓷顆粒與鋁合金熔體之間的潤濕性問題，使陶瓷顆粒加入到鋁合金熔體中，但常規的超聲波熔體復合方法，由于鋁熔體表面存在氧化層，對陶瓷顆粒有吸附作用，阻礙了顆粒的加入。另外，在熔體復合法中采用鋁合金熔體內的金屬鹽進行原位反應，也可解決陶瓷顆粒與鋁合金熔體之間的潤濕問題獲得顆粒增強鋁基復合材料，但存在反應溫度高、需要添加的金屬鹽的量較大、反應殘留物會污染熔體等不足。
[0005]粉末冶金復合法，是從粉末途徑出發，將鋁合金粉末與陶瓷顆粒混合、壓制后，加熱到一定溫度進行燒結。該方法受粉末冶金工藝的限制，在制作大批量、大尺寸構建上存在不足；另外，由于鋁合金的活性較大，容易氧化，故燒結時需要嚴格的氣氛保護或者高真空條件。
【發明內容】
[0006]為克服上述公知顆粒增強鋁基復合材料制備技術的不足，本發明提供一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，該方法具有工藝簡單、低成本的特點，可實現規模化工業化生產。
本發明的技術方案是:采用鋁合金和陶瓷顆粒為原料，鋁合金熔化保溫后，將陶瓷顆粒放入超聲鐘罩內并預熱，后將裝有陶瓷顆粒的超聲鐘罩浸入鋁合金熔體中，開啟超聲波裝置，使超聲鐘罩內的陶瓷顆粒在超聲波的作用下分散進入鋁合金熔體中，超聲作用完畢后，進行熔體處理、澆鑄、冷卻等后處理，即得顆粒增強的鋁基復合材料。具體步驟如下:
(1)鋁合金熔化保溫:采用鋁合金為原料，將鋁合金加熱到750~850°C，保溫20~60min，獲得鋁合金熔體；
(2)超聲鐘罩準備:將粒度為0.5~20 μ m、質量為鋁合金熔體質量的5~30%的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后裝入超聲鐘罩中，一起加熱到600°C預熱10~30min備用；
(3)超聲鐘罩復合:將步驟(2)獲得的超聲鐘罩浸入到步驟(1)獲得的鋁合金熔體中，開啟超聲波裝置進行超聲鐘罩復合，得到陶瓷顆粒和鋁合金熔體的復合熔體；
(4)復合熔體處理、澆鑄、冷卻及熱處理:將步驟(3)得到的復合熔體冷卻到比鋁合金熔點高30~60°C的溫度，進行熔體處理，后進行澆鑄，鑄件空冷到室溫，對可熱處理強化的鋁合金進行熱處理，即得顆粒增強鋁基復合材料。
[0007]所述鋁合金為Al與S1、Cu、Mg、Zn、Mn、N1、Ag、Li中的一種或幾種元素構成的合金。
[0008]所述陶瓷顆粒為SiC、Al203、TiB2、TiC、Si3N4、BC或AlN顆粒中的任意一種。
[0009]所述超聲鐘罩包括變幅桿、多孔剛玉鐘罩；其中，超聲波功率為1000~2000W，頻率為20KHz，超聲波作用時間為2~6min。
[0010]所述熔體處理為鋁合金常規熔體處理，包括除氣、除渣及變質處理。
[0011]所述熱處理為鋁合金的T4、T5或T6熱處理中的一種，其中T4為固溶+自然時效處理，T5為固溶+不完全人工時效處理，T6為固溶+人工時效處理，T4、T5或T6熱處理方法的選用，與常規鋁合金的熱處理方法相同。
[0012]本發明的有益效果是:
采用超聲鐘罩實現鋁合金熔體中增強陶瓷顆粒的加入，兼備超聲波熔體復合和鐘罩技術的優點，克服了公知熔體復合技術存在的鋁合金熔體與陶瓷顆粒之間的潤濕、陶瓷顆粒需預處理、鋁合金表面氧化層對顆粒的吸附、原位反應溫度高反應量大反應殘留物污染等問題，提供了一種工藝簡單、低成本的顆粒增強鋁基復合材料制備方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的工藝流程圖；
圖2是本發明的超聲鐘罩及其工作狀態示意圖；
圖中:1-換能器和超聲波發生器接口，2-變幅桿，3-多孔剛玉鐘罩，4-陶瓷顆粒，5-鋁合金熔體，6- ?甘禍。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
本實施例所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，如圖1所示，具體包括以下步驟:
(1)鋁合金熔化保溫:采用Al-Si9合金為原料，將Al-Si9合金加熱到750°C，保溫20min，獲得Al-Si9合金熔體；
(2)超聲鐘罩準備:將粒度為0.5~5 μ m、質量為鋁合金熔體質量的5%的SiC顆粒用鋁箔包裹后裝入超聲鐘罩中，一起加熱到600°C預熱1min備用；
(3)超聲鐘罩復合:將步驟(2)獲得的超聲鐘罩浸入到步驟(1)獲得的Al-Si9合金熔體中，開啟超聲波裝置進行超聲鐘罩(包括變幅桿2、多孔剛玉鐘罩3、坩堝6，如圖2所示)復合，超聲波功率為1000W，頻率為20KHz，超聲波作用時間為2min，得到SiC顆粒和Al_Si9合金熔體的復合熔體；
(4)復合熔體處理、澆鑄、冷卻、熱處理:將步驟(3)得到的復合熔體冷卻到640°C進行除氣、除渣及變質處理，后進行澆鑄，鑄件空冷到室溫，即得屈服強度230MPa、抗拉強度260MPa、延伸率4%的SiC顆粒增強Al_Si9基復合材料(Al_Si9合金為不可熱處理強化合金，無需進行熱處理)。
實施例2
本實施例所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，如圖1所示，具體包括以下步驟:
(1)鋁合金熔化保溫:采用A356合金為原料，將A356合金加熱到800°C，保溫40min，獲得A356合金熔體；
(2)超聲鐘罩準備:將粒度為5~10μ m、質量為鋁合金熔體質量的10%的TiB2顆粒用鋁箔包裹后裝入超聲鐘罩中，一起加熱到600°C預熱20min備用；
(3)超聲鐘罩復合:將步驟(2)獲得的超聲鐘罩浸入到步驟(1)獲得的A356合金熔體中，開啟超聲波裝置進行超聲鐘罩復合，超聲波功率為1500W，頻率為20KHz，超聲波作用時間為4min，得到TiB2顆粒和A356合金熔體的復合熔體；
(4)復合熔體處理、澆鑄、冷卻、熱處理:將步驟(3)得到的復合熔體冷卻到650°C進行除氣、除渣及變質處理，后進行澆鑄，鑄件空冷到室溫，然后進行T6熱處理，即得屈服強度430MPa、抗拉強度450MPa、延伸率3%的TiB2顆粒增強A356基復合材料。
實施例3
本實施例所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，如圖1所示，具體包括以下步驟:
(1)鋁合金熔化保溫:采用6061合金為原料，將6061合金加熱到850°C，保溫60min，獲得6061合金熔體；
(2)超聲鐘罩準備:將粒度為10~20μ m、質量為鋁合金熔體質量的30%的Al2O3顆粒用鋁箔包裹后裝入超聲鐘罩中，一起加熱到600°C預熱30min備用；
(3)超聲鐘罩復合:將步驟(2)獲得的超聲鐘罩浸入到步驟(1)獲得的6061合金熔體中，開啟超聲波裝置進行超聲鐘罩復合，超聲波功率為2000W，頻率為20KHz，超聲波作用時間為6min，得到Al2O3顆粒和6061合金熔體的復合熔體；
(4)復合熔體處理、澆鑄、冷卻、熱處理:將步驟(3)得到的復合熔體冷卻到700°C進行除氣、除渣及變質處理，后進行澆鑄，鑄件空冷到室溫，然后進行T6熱處理，即得屈服強度570MPa、抗拉強度720MPa、延伸率2%的Al2O3顆粒增強6061基復合材料。
【權利要求】
1.一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)鋁合金熔化保溫:采用鋁合金為原料，將鋁合金加熱到750~850°C，保溫20~60min，獲得鋁合金熔體； (2)超聲鐘罩準備:將粒度為0.5~20 μ m、質量為鋁合金熔體質量的5~30%的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后裝入超聲鐘罩中，一起加熱到600°C預熱10~30min備用； (3)超聲鐘罩復合:將步驟(2)獲得的超聲鐘罩浸入到步驟(1)獲得的鋁合金熔體中，開啟超聲波裝置進行超聲鐘罩復合，得到陶瓷顆粒和鋁合金熔體的復合熔體； (4)復合熔體處理、澆鑄、冷卻、熱處理:將步驟(3)得到的復合熔體冷卻到比鋁合金熔點高30~60°C的溫度，進行熔體處理，后進行澆鑄，鑄件空冷到室溫，對可熱處理強化的鋁合金進行熱處理，對不可熱處理強化的鋁合金則不需進行熱處理，即得顆粒增強鋁基復合材料。
2.根據權利要求1所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于:所述招合金為Al與S1、Cu、Mg、Zn、Mn、N1、Ag、Li中的一種或幾種元素構成的合金。
3.根據權利要求1所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于:所述陶瓷顆粒為Sic、A1203、TiB2, TiC、Si3N4, BC或AlN顆粒中的任意一種。
4.根據權利要求 1所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于:所述超聲鐘罩包括變幅桿、多孔剛玉鐘罩；其中，超聲波功率為1000~2000W，頻率為20KHz，超聲波作用時間為2~6min。
5.根據權利要求1所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于:所述熔體處理為鋁合金常規熔體處理，包括除氣、除渣及變質處理。
6.根據權利要求1所述顆粒增強鋁基復合材料的超聲鐘罩制備方法，其特征在于:所述熱處理為鋁合金的T4、T5或T6熱處理中的一種，其中T4為固溶+自然時效處理，Τ5為固溶+不完全人工時效處理，Τ6為固溶+人工時效處理。
【文檔編號】C22C1/10GK104131196SQ201410346625
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】左孝青, 羅曉旭, 楊皓, 劉占勇, 陸建生, 劉榮佩, 陳冬華 申請人:昆明理工大學