專(zhuān)利名稱(chēng)：功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種表面復(fù)合材料制備工藝，特別是涉及一種功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝。
背景技術(shù)：
超聲波在冶金及金屬材料領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，如超聲波探傷、細(xì)化凝固組織、去除金屬液中的氣體及固體夾雜、減少宏觀及微觀偏析等。除此之外，超聲波還可用于金屬基復(fù)合材料的制作。通常大多數(shù)金屬液對(duì)陶瓷增強(qiáng)相不潤(rùn)濕，這是金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中的一大難題，常引起復(fù)合材料制備工藝不穩(wěn)定、組織分布不均勻、界面結(jié)合強(qiáng)度差等問(wèn)題。在超聲波的作用下，陶瓷增強(qiáng)相與金屬液間的潤(rùn)濕性能被改善，增強(qiáng)相能更容易地分散到金屬液中，從而制得組織分布均勻的金屬基復(fù)合材料。
金屬基表面復(fù)合材料是采用某種工藝把高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量、耐磨、耐蝕的陶瓷顆粒或纖維復(fù)合在金屬材料表面層中，在金屬材料表面形成強(qiáng)化層。其制備方法主要有粉末冶金法、擠壓鑄造法、鑄滲法、負(fù)壓鑄造法、離心鑄造法等。粉末冶金法的特點(diǎn)是工藝穩(wěn)定、性能好，不足之處是成本高、材料的形狀及尺寸受到一定限制。擠壓鑄造法的突出優(yōu)點(diǎn)是工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、組織致密、性能優(yōu)良，不足之處是工藝參數(shù)選擇控制不當(dāng)時(shí)增強(qiáng)相易受損傷，生產(chǎn)的構(gòu)件的規(guī)格和形狀也受限制，而且只適用于低熔點(diǎn)的金屬基體。鑄滲法由于采用了粘結(jié)劑和熔劑，所以其突出缺點(diǎn)是表面復(fù)合層易產(chǎn)生氣孔和夾雜(渣)，工藝穩(wěn)定性也較差，因而在一定程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用。負(fù)壓鑄造法的特點(diǎn)是不用粘結(jié)劑和熔劑，氣孔和夾渣缺陷少，復(fù)合層較厚，但需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和造型技術(shù)，工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)率也較低。離心鑄造法的特點(diǎn)是設(shè)備較簡(jiǎn)單，但鑄件的形狀僅限于回轉(zhuǎn)體。除此之外，電磁攪拌法及原位反應(yīng)生成法等也可用于制備表面復(fù)合材料。
超聲波的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是固液兩相的超聲分離。超聲分離的原理是超聲聲波在液體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生駐波，由于粒子具有不同的聲學(xué)特性，聲輻射力的作用，會(huì)聚集于超聲駐波場(chǎng)中的聲壓節(jié)和聲腹節(jié)，從而使固體粒子與液體進(jìn)行分離處理。該分離純化技術(shù)在化工、食品、冶金、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用較多，目的是將懸浮在液體中的固體粒子清除。但目前超聲處理技術(shù)還沒(méi)有應(yīng)用到制備顆粒增強(qiáng)表面復(fù)合材料上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用超聲波對(duì)熔體和其中的顆粒的聲學(xué)作用不同，使顆粒偏聚于熔體的一側(cè)并發(fā)生凝固，提供一種功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合


如下
本發(fā)明將變幅坩堝的振頭向上，利用功率超聲制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)鋁基表面復(fù)合材料，首先根據(jù)變幅坩堝體積及所要得到表面層厚度的大小，在一定加入量的K2TiF6鹽和純鋁的重量比例下，熔融后發(fā)生反應(yīng)得到含有TiAl3顆粒的熔體，將裝有熔體的變幅坩堝置于超聲處理裝置中，在改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)的工藝條件下，在功率超聲的作用下，TiAl3顆粒向表面移動(dòng)，獲得不同表面層厚度的顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料。
具體技術(shù)方案如下一種功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，按以下步驟進(jìn)行第一步，根據(jù)需要制備鋁基表面顆粒增強(qiáng)層的厚度，確定所要加入的內(nèi)生顆粒增強(qiáng)TiAl3相的含量，按相同摩爾的TiAl3相需要相同摩爾的K2TiF6鹽的用量確定鹽的加入量，按所要熔煉純鋁的坩堝的大小選擇適量的純鋁鑄錠；第二步，把純鋁鑄錠放入加熱爐中加熱熔化后保溫，使熔體達(dá)到平衡；第三步，將已稱(chēng)量好的干燥的K2TiF6鹽加入到已經(jīng)平衡的鋁熔體中，勻速攪拌，充分反應(yīng)，然后對(duì)反應(yīng)后的熔體進(jìn)行先期熔體的凈化，除渣處理；第四步，把反應(yīng)制得的含有TiAl3的熔體均勻攪拌之后，取少量注入已保溫在650～700℃“變幅坩堝”內(nèi)，進(jìn)行超聲處理，超聲功率為45～60W，處理時(shí)間為5～10min，然后移出保溫系統(tǒng)，停止超聲處理，進(jìn)行快速水冷，獲得顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)鋁基表面復(fù)合材料。
上述第一步中所說(shuō)的鹽的用量根據(jù)公式確定。
上述第一步中所說(shuō)的選擇適量的純鋁鑄錠應(yīng)考慮到熔體凝固的收縮性，接近于坩堝的端口。
上述第二步中所說(shuō)的加熱爐采用設(shè)定溫度為680～780℃數(shù)字電阻加熱爐，熔化后保溫20～30min。
上述第三步中所說(shuō)的干燥的K2TiF6鹽，可在20～30min內(nèi)，分2～3次加入到已經(jīng)平衡的鋁熔體中。
這種制備表面復(fù)合材料的方法，工藝穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，增強(qiáng)相在基體的表層分布非常均勻，由于顆粒增強(qiáng)TiAl3相是內(nèi)生反應(yīng)產(chǎn)生的，與基體界面結(jié)合很好。顆粒增強(qiáng)鋁基的表面復(fù)合層的厚度，可以根據(jù)加入相互反應(yīng)的鹽和純鋁的反應(yīng)量，在相應(yīng)的功率超聲的處理參數(shù)作用下獲得。此方法使熔體中內(nèi)生顆粒偏聚于熔體的一側(cè)，凝固后，制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料。
與傳統(tǒng)的制備顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料的方法相比，如粉末冶金法、擠壓鑄造法、鑄滲法、負(fù)壓鑄造法、離心鑄造法等，成本較低、操作簡(jiǎn)單復(fù)雜，工藝穩(wěn)定性好，內(nèi)生增強(qiáng)相與鋁基體界面結(jié)合性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1(a)為制備的顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)表面復(fù)合材料層與基體相接的金相照片，可以看出在超聲的作用下，內(nèi)生增強(qiáng)顆粒在基體的表層中分布非常均勻，表面層與基體的界面平整，結(jié)合很好。
圖1(b)為圖2(a)中的顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)表面復(fù)合材料層中的電鏡照片，內(nèi)生增強(qiáng)顆粒分布均勻。
圖2(a)為光學(xué)顯微鏡下的顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)表面復(fù)合材料層中的增強(qiáng)相的金相照片，TiAl3相的大小均在20μm左右。
圖2(b)為圖2(a)中的顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)表面復(fù)合材料層中的電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
1.要獲得表層為5～6mm的顆粒增強(qiáng)層，根據(jù)所要加入的內(nèi)生顆粒增強(qiáng)TiAl3相的含量，在相應(yīng)的工藝參數(shù)下來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。
2.所使用的K2TiF6鹽為商業(yè)用鹽，純鋁用商業(yè)用鋁。
3.根據(jù)所要熔煉純鋁的坩堝的大小，選擇適量的純鋁鑄錠是320～350g，4.要獲得8～10％的TiAl3內(nèi)生增強(qiáng)相，因而需要獲得32～35g的TiAl3相。
5.根據(jù)公式，相同摩爾的TiAl3相需要相同摩爾的K2TiF6鹽，因而需要大約55～65g左右的K2TiF6鹽。
6.把純鋁鑄錠放入設(shè)定溫度為680～780℃數(shù)字電阻加熱爐中加熱，熔化后保溫20～30min以使熔體達(dá)到平衡。
7.將已稱(chēng)量好的干燥的K2TiF6鹽在20～30min內(nèi)分2～3次加入到已經(jīng)平衡的鋁熔體中，勻速攪拌，充分反應(yīng)。
8.把反應(yīng)后的熔體進(jìn)行除渣處理，進(jìn)行先期熔體的凈化。
9.把反應(yīng)制得的含有TiAl3的熔體均勻攪拌之后，取少量注入已保溫在650～700℃“變幅坩堝”內(nèi)。
10.倒入坩堝內(nèi)的熔體，考慮到熔體凝固的收縮性，接近于坩堝的端口，“變幅坩堝”的容積大約為6.37×10-5(m3)。
11.在超聲功率為45～60W，超聲處理時(shí)間為5～10min。
12.然后移出保溫系統(tǒng)，停止超聲處理，進(jìn)行快速水冷，獲得顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)鋁基表面復(fù)合材料。
13.所制得的鑄錠試樣的體積為大約為3.5～4.5×10-5(m3)，獲得的內(nèi)生表面復(fù)合層為4～6mm。
權(quán)利要求
1.一種功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，其特征在于按以下步驟進(jìn)行第一步，根據(jù)需要制備鋁基表面顆粒增強(qiáng)層的厚度，確定所要加入的內(nèi)生顆粒增強(qiáng)TiAl3相的含量，按相同摩爾的TiAl3相需要相同摩爾的K2TiF6鹽的用量確定鹽的加入量，按所要熔煉純鋁的坩堝的大小選擇適量的純鋁鑄錠；第二步，把純鋁鑄錠放入加熱爐中加熱熔化后保溫，使熔體達(dá)到平衡；第三步，將已稱(chēng)量好的干燥的K2TiF6鹽加入到已經(jīng)平衡的鋁熔體中，勻速攪拌，充分反應(yīng)，然后對(duì)反應(yīng)后的熔體進(jìn)行先期熔體的凈化，除渣處理；第四步，把反應(yīng)制得的含有TiAl3的熔體均勻攪拌之后，取少量注入已保溫在650～700℃“變幅坩堝”內(nèi)，進(jìn)行超聲處理，超聲功率為45～60W，處理時(shí)間為5～10min，然后移出保溫系統(tǒng)，停止超聲處理，進(jìn)行快速水冷，獲得顆粒增強(qiáng)(TiAl3相)鋁基表面復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，其特征在于第一步中所說(shuō)的鹽的用量根據(jù)公式確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，其特征在于第一步中所說(shuō)的選擇適量的純鋁鑄錠應(yīng)考慮到熔體凝固的收縮性，接近于坩堝的端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，其特征在于第二步中所說(shuō)的加熱爐采用設(shè)定溫度為680～780℃數(shù)字電阻加熱爐，熔化后保溫20～30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝，其特征在于第三步中所說(shuō)的干燥的K2TiF6鹽，可在20～30min內(nèi)，分2～3次加入到已經(jīng)平衡的鋁熔體中。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種表面復(fù)合材料制備工藝，特別是涉及一種功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料工藝。該工藝?yán)霉β食曋苽鋬?nèi)生顆粒增強(qiáng)(TiAl
文檔編號(hào)B22D27/00GK1958816SQ20061013167
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者于思榮, 馮海闊, 劉耀輝, 李英龍 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)