專利名稱：高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種高能超聲 與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強鋁基復(fù)合材料由于具有復(fù)合的結(jié)構(gòu)特征而兼?zhèn)淞己玫牧W(xué)性能和理化 性能，在先進的電工電子器件、航空航天器、機械、橋梁隧道工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前 景，已成為近年來鋁基復(fù)合材料的研究熱點之一；目前，熔體直接反應(yīng)合成是制備顆粒增強 鋁基復(fù)合材料的主要方法，該方法的原理是在鋁基體熔液中加入能生成第二相的合金元素 或化合物，在一定溫度下與金屬熔液發(fā)生原位反應(yīng)生成顆粒相而制得內(nèi)生顆粒增強復(fù)合材 料；該方法制備復(fù)合材料由于顆粒相原位生成，其與基體金屬結(jié)合界面干凈，潤濕性好，結(jié) 合強度高。目前，熔體反應(yīng)合成法制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料存在的主要問題是反應(yīng)過程難 控制，表現(xiàn)在反應(yīng)速度和效率難以提高，生成的顆粒增強相易團聚長大，嚴重影響材料的工 業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。利用外場作用可以改善原位合成反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)條件，起到促進原位反應(yīng) 進行的作用，同時，外場作用可以控制顆粒相的過分長大或偏聚團簇現(xiàn)象，因此，在外場下 原位合成鋁基復(fù)合材料越來越受到研究者的重視。現(xiàn)有技術(shù)中，提出了采用電磁場、超聲場及其組合外場下制備顆粒增強金屬基復(fù) 合材料；這些現(xiàn)有技術(shù)主要包括中國專利CN 1676641A (
公開日2005. 10. 5，發(fā)明名稱 制備金屬基納米復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)原位合成方法)提出在磁場(穩(wěn)恒磁場、交變磁場和 脈沖磁場)下進行原位磁化學(xué)反應(yīng)合成；中國專利CN 1958816 (
公開日2007. 05. 09，發(fā)明 名稱功率超聲法制備內(nèi)生顆粒增強鋁基表面復(fù)合材料工藝)提出利用功率超聲制備內(nèi)生 顆粒增強(Al3Ti相)鋁基表面復(fù)合材料，使增強相在基體的表層分布均勻，界面結(jié)合更好； 中國專利CN 101391290A，一種磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復(fù)合材料的方法，提 出在原位反應(yīng)過程施加磁場與超聲的耦合場；中國專利CN10139U91A提出一種組合電磁 場下原位合成金屬基復(fù)合材料的方法，對熔體的原位反應(yīng)合成過程施加由旋轉(zhuǎn)磁場和行波 磁場組合的磁場。從現(xiàn)有技術(shù)報道及生產(chǎn)實踐可知，熔體反應(yīng)合成制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的 過程中施加電磁場、超聲場及其組合形成耦合或復(fù)合外場，具有較好的顆粒細化和分散效 果；但是，從熔體直接反應(yīng)合成原位顆粒增強金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)特點可知反應(yīng)鹽與 金屬熔體之間的反應(yīng)實質(zhì)是帶電離子顆粒與金屬熔體之間的反應(yīng)，其中帶電離子顆粒的行 為對原位反應(yīng)的速率、產(chǎn)率以及顆粒的析出、長大和分布有決定性影響，因此，原位反應(yīng)合 成過程直接施加外電場，直接影響帶電離子顆粒的行為，對控制原位反應(yīng)的速率、產(chǎn)率以及 顆粒的析出、長大和分布是一種非常有前景的制備方法；在諸多形式的電場中，脈沖電場具 有節(jié)能、峰值電流密度高以及具有沖擊振蕩效應(yīng)等優(yōu)勢，具備節(jié)能、高效等優(yōu)勢。
同時，考慮到熔體直接反應(yīng)合成過程反應(yīng)物與熔體之間的混合對反應(yīng)過程也至關(guān) 重要，生成的顆粒相在熔體內(nèi)的分布狀態(tài)對材料性能也有決定性影響，而單一施加電場對 反應(yīng)熔池的攪拌、反應(yīng)鹽的分散以及與熔體的混勻作用較弱，因此，在施加電場的同時，對 熔體施加功率超聲場進行振動式攪拌是一種比較理想的方案；新近的研究表明功率超聲 場對金屬熔體內(nèi)的反應(yīng)鹽及生成的顆粒相具有雙重作用，當(dāng)超聲功率較弱時，熔體內(nèi)的超 聲駐波增加了熔體內(nèi)異相顆粒振動、碰撞直至聚合長大的機會，對復(fù)合材料的制備是不利 的，只有當(dāng)超聲場功率較強時，超聲波對熔體內(nèi)顆粒不再是聚集作用，而是使大顆粒細化、 分散均勻化。綜上所述，為解決目前采用熔體直接反應(yīng)合成法制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料存在 的主要問題，彌補現(xiàn)有外場下制備技術(shù)的不足，提出一種在高能超聲場與脈沖電場耦合作 用下制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，對材料的制備以及外場利用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在高能功率超聲場與電場組合作用下熔體直接原位反 應(yīng)制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料的新方法，解決目前采用熔體直接反應(yīng)合成法制備顆粒增強 鋁基復(fù)合材料存在的反應(yīng)效率低、生成的顆粒粗大且分散不均勻等制約材料制備和性能提 高的關(guān)鍵問題，實現(xiàn)高性能顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工業(yè)規(guī)模制備和應(yīng)用。實現(xiàn)本發(fā)明的原理是在原位顆粒增強鋁基復(fù)合材料的反應(yīng)合成過程對熔體同時 施加高能功率超聲場和脈沖電場；主要利用高能功率超聲場在熔體內(nèi)產(chǎn)生的聲空化和聲 流沖擊等聲化學(xué)效應(yīng)促進熔體內(nèi)反應(yīng)鹽及生成增強顆粒的分散，從而改善原位反應(yīng)的動力 學(xué)，提高反應(yīng)速率和改善顆粒相在熔體內(nèi)分布，另外，高能功率超聲場通過聲流沖擊和聲空 化原理轉(zhuǎn)化為原位反應(yīng)的化學(xué)效應(yīng)，形成局部的高溫高壓，增加了反應(yīng)體系的能量起伏，對 改善原位反應(yīng)的熱力學(xué)也是有利的；同時施加的脈沖電場在熔體內(nèi)產(chǎn)生電勢振蕩，這種電 勢振蕩增加了反應(yīng)原位反應(yīng)粒子的能量起伏，改善了原位反應(yīng)的熱力學(xué)，同時，脈沖電場的 沖擊效應(yīng)在熔體內(nèi)部分轉(zhuǎn)化為熱效應(yīng)和瞬態(tài)力效應(yīng)對促進原位反應(yīng)中離子的遷移、顆粒相 的形核、析出長大及運動分散都有促進作用；因此，在熔體直接原位反應(yīng)合成制備顆粒增強 復(fù)合材料的過程中，對熔體施加高能超聲場與脈沖電場的耦合作用，可以改善原位顆粒生 成反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)，促進反應(yīng)物與熔體之間的混合并控制顆粒形貌尺寸在微納米尺 度，同時控制顆粒在熔體中的分散效果，適合制備高性能微納米顆粒增強復(fù)合材料。以下結(jié)合本發(fā)明的示意圖(見圖1)，說明實現(xiàn)本發(fā)明的具體方案如下
一種在高能功率超聲場與脈沖電場耦合作用下合成鋁基顆粒復(fù)合材料的新方法，主要 包括以下步驟
a)在具有加熱和保溫功能的由耐火材料制成的反應(yīng)容器3內(nèi)將基體金屬熔煉、精煉后 調(diào)整到反應(yīng)合成的起始溫度并恒溫，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物，并攪拌 均勻；
b)將超聲變幅桿4浸入熔體，開啟功率超聲場電源，調(diào)整到規(guī)定參數(shù)，施加超聲處理；
c)接通脈沖電場的電源1，并調(diào)整到規(guī)定參數(shù)，對熔體施加脈沖電場處理；
d)作用時間到后，依次關(guān)閉脈沖電場與超聲場的電源，取出超聲場變幅桿，直至反應(yīng)結(jié) 束后進行澆注，制得復(fù)合材料；實現(xiàn)本發(fā)明的裝置方面的特征是
e)引入功率超聲場的變幅桿為絕緣的陶瓷材質(zhì)；
f)引入功率超聲場的變幅桿由熔體上方插入熔體，其浸入深度控制在2-5mm；
g)施加的脈沖電場由安裝在熔池側(cè)壁同一高度上的一對電極引入； 實現(xiàn)本發(fā)明的高能功率超聲場參數(shù)和脈沖電場參數(shù)方面的特征是
h)施加的高能功率超聲場的參數(shù)為超聲波頻率20-30kHz，超聲波強度為2-10 W/
2
cm ；
i)施加的脈沖電場的參數(shù)為脈沖電場的電流峰值密度為0.1-lOA/cm2，脈沖頻率為 0.I-IOHz ；
j)高能功率超聲場與脈沖電場同時作用的時間為1-lOmin。采用本發(fā)明的關(guān)鍵特征是在高能功率超聲場與脈沖電場耦合作用下合成鋁基顆 粒復(fù)合材料，引入超聲波的變幅桿采用陶瓷材質(zhì)，超聲波的參數(shù)范圍是超聲波頻率20-30 kHz，超聲波強度為2-10 ff/cm2 ；脈沖電場由安裝在熔池側(cè)壁同一高度上的一對電極引入， 脈沖電場的參數(shù)為脈沖電場的電流峰值密度為0. 1-lOA/cm2，脈沖頻率為0. 1-lOHz。應(yīng)當(dāng)指出，從熔池的其它位置向熔池內(nèi)引入功率超聲場和脈沖電場，即超聲變幅 桿和脈沖電場的電極換裝在熔池的其他部位，比如在熔池底部或側(cè)部引入超聲或電場電 極，也屬于本發(fā)明要保護的方案。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果
1)本發(fā)明利用高能功率超聲場和脈沖電場同時作用于顆粒增強復(fù)合材料的原位反應(yīng) 合成過程，高能功率超聲場通過聲化效應(yīng)促進熔體內(nèi)反應(yīng)鹽及生成增強顆粒的分散，從而 改善原位反應(yīng)的動力學(xué)，提高反應(yīng)速率和改善顆粒相在熔體內(nèi)分布，高能功率超聲場形成 局部的高溫高壓，增加了反應(yīng)體系的能量起伏，對改善原位反應(yīng)的熱力學(xué)也有利；脈沖電場 增加了反應(yīng)粒子的能量起伏，改善了反應(yīng)熱力學(xué)，脈沖電場的沖擊效應(yīng)在熔體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱 效應(yīng)和力效應(yīng)對促進原位反應(yīng)中離子的遷移、顆粒相的形核、析出長大及運動分散都有促 進作用；因此，在熔體直接原位反應(yīng)合成制備顆粒增強復(fù)合材料的過程中，對熔體施加高能 超聲場與脈沖電場的耦合作用，可以改善原位顆粒生成反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)，提高了反 應(yīng)的速率和產(chǎn)率，促進反應(yīng)物與熔體之間的混合并控制顆粒形貌尺寸在微納米尺度，同時 控制顆粒在熔體中的分散效果，適合制備高性能微納米顆粒增強復(fù)合材料；
2)高能功率超聲場與脈沖電場耦合作用，作用效果相互增強，可以處理大容量熔體，而 且本發(fā)明的裝備價格相對低廉，操作簡單安全，易于工業(yè)采用；
3)本發(fā)明中引入超聲的變幅桿采用陶瓷材質(zhì)，不會污染金屬，操作安全，克服了傳統(tǒng)超 聲處理采用金屬材質(zhì)變幅桿污染熔體的弊端；
4)采用的脈沖電場是瞬間放電，所以能源消耗小，生產(chǎn)成本低，與單一施加超聲場相 比，在熔體內(nèi)存在脈沖電場時，超聲場的作用效率顯著提高；
5)與單一施加電場相比，在高能超聲場作用下施加脈沖電場，其脈沖電場的作用效果 得到提高；
6)采用本發(fā)明，熔體原位反應(yīng)的合成時間縮短到10-12分鐘，比現(xiàn)有技術(shù)縮短50%以 上，反應(yīng)物的收得率提高到95%以上，比現(xiàn)有技術(shù)提高10-15%以上，顆粒的尺寸可控制在微 納米尺度，且分布均勻，特別是顆粒與基體界面潔凈，比現(xiàn)有技術(shù)有較大改善，有利于提高材料的機械性能。


圖1本發(fā)明方法的示意圖
圖注1脈沖電場電源；2加熱線圈；3反應(yīng)容器；4超聲變幅桿；5復(fù)合材料熔體；6電 極；7控制開關(guān)；8調(diào)壓電阻
圖2實施例1制備復(fù)合材料的SEM圖 圖3實施例1制備復(fù)合材料的EDS圖 圖4實施例2制備復(fù)合材料的SEM圖 圖5實施例2制備復(fù)合材料的XRD圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的闡述；實施例僅用于說明本發(fā)明，而不是以 任何方式來限制本發(fā)明。實施例1 高能功率超聲場與脈沖電場耦合作用下制備(AlJrfe)+顆粒增 強Al基復(fù)合材料
原材料基體金屬純Al ；反應(yīng)鹽K2&F6+KBF4粉劑(質(zhì)量比6. 2 7. 8)，精煉脫氣劑及 扒渣劑；
制備過程分兩步
(一)金屬熔煉及粉體制備
IOKg純Al在30kW電阻爐中熔化升溫到900°C，脫氣、扒渣；所用試劑均在250°C下充 分烘干，其中K2&F6+KBF4，研磨成細粉(粒度小于100目)，KJrF6+KBF4粉劑加入的重量為金 屬重量的20%。(二)原位反應(yīng)合成制備復(fù)合材料熔體
本實施例采用的實驗裝置如圖1所示，精煉好且符合反應(yīng)起始溫度要求(900°c)的金 屬液轉(zhuǎn)入由氧化鋁制成的反應(yīng)容器3中，反應(yīng)容器3外面繞IOkW的電阻絲加熱，使熔體 溫度恒定在900°C，脈沖磁場電極安裝在反應(yīng)容器側(cè)壁中部；用鐘罩將K2&F6+KBF4壓入到 鋁液中，將由氧化鋁制成的超聲變幅桿4浸入熔體中深度3mm，開啟功率超聲場電源，調(diào)整 參數(shù)為頻率20kHz，強度2.0 W/cm2，然后開啟脈沖電場電源1，調(diào)整脈沖電場參數(shù)為頻率 0. 1Hz，峰值電流密度為lOA/cm2。高能功率超聲場與脈沖電場同時作用的時間為Imin ；外場處理結(jié)束后，依次關(guān)閉 脈沖電場與超聲場的電源，取出超聲場變幅桿，I0min后停止保溫，將熔體轉(zhuǎn)入坩堝降溫到 720°C進行澆注，制得復(fù)合材料塊體試樣。取樣作微觀組織及相成分分析，通過SEM和EDS分析證實顆粒相為AlJr(s)和 Zr&(s)，其中顆粒相尺寸在400納米以下，顆粒均勻度高，顆粒與基體界面潔凈清晰；SEM及 EDS分析結(jié)果見圖2和圖3。將本發(fā)明制得的復(fù)合材料經(jīng)過T4處理，測定了材料在300°C的高溫拉伸性能，并 與不施加外場及施加其他形式外場，而其他條件與本實施例完全相同條件下制得的材料進 行了性能對比，其結(jié)果見表1。
表1實施例1與其他技術(shù)方案制得復(fù)合材料的高溫拉伸性能對比(300°C )
權(quán)利要求
1.高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，包括將鋁基熔體精煉后 調(diào)整到反應(yīng)起始溫度，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進行原位合成反應(yīng)，待 反應(yīng)結(jié)束，靜置到澆注溫度后進行澆注；其特征在于在原位反應(yīng)合成過程中對鋁基熔體 同時施加高能功率超聲場和脈沖電場，利用兩場耦合形成的聲電化效應(yīng)對原位反應(yīng)過程進 行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是施加的高能功率超聲場參數(shù)為超聲波頻率20-30 kHz，超聲波強度為2-10 W/cm2。
3.如權(quán)利要求1所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是脈沖電場的電磁參數(shù)為脈沖電場的電流峰值密度為0. 1-lOA/cm2，脈沖頻率為 0.I-IOHz0
4.如權(quán)利要求1所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是高能功率超聲場與脈沖電場同時作用的時間為1-lOmin。
5.如權(quán)利要求1所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方 法，其步驟為在具有加熱保溫功能耐火材料制成的反應(yīng)容器內(nèi)通過反應(yīng)鹽與鋁液直接反 應(yīng)合成原位顆粒增強復(fù)合材料熔體，當(dāng)金屬熔體溫度達到合成溫度后，加入反應(yīng)鹽并攪拌 均勻，然后將超聲變幅桿浸入金屬熔體液面下，依次開啟高能功率超聲場和脈沖電場的電 源，并調(diào)整超聲場與脈沖電場的控制參數(shù)到規(guī)定范圍，作用時間到后，依次關(guān)閉脈沖電場與 超聲場的電源，取出超聲場變幅桿，直至反應(yīng)結(jié)束后進行澆注，制得復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求5所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是引入高能功率超聲場的變幅桿為絕緣的陶瓷材質(zhì)。
7.如權(quán)利要求5所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是引入高能功率超聲場的變幅桿由熔體上方插入熔體，其浸入深度控制在2-5mm。
8.如權(quán)利要求5所述的高能超聲與脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征是施加的脈沖電場由安裝在熔池側(cè)壁同一高度上的一對電極引入。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種高能超聲場與脈沖電場下合成制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法。該方法的主要特征是在熔體直接反應(yīng)法制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料的原位反應(yīng)合成過程中對反應(yīng)熔體同時施加高能超聲場與脈沖電場。高能超聲場的參數(shù)為頻率為22-30kHz,強度1-10W/cm2；脈沖電場的參數(shù)為電流峰值密度為0.1-10A/cm2，脈沖頻率為0.1-10Hz。采用本發(fā)明的顯著優(yōu)勢是高能超聲場與脈沖電場耦合作用，改善原位顆粒生成反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)，促進反應(yīng)物與熔體之間的混合并控制顆粒形貌尺寸在微納米尺度，同時控制顆粒在熔體中的分散效果，適合制備高性能微納米顆粒增強復(fù)合材料。
文檔編號C22C1/10GK102121075SQ20111003770
公開日2011年7月13日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月15日
發(fā)明者張勛寅, 張廷旺, 李桂榮, 王宏明, 趙玉濤 申請人:江蘇大學(xué)