專利名稱：一種電流與磁場復合作用下合成顆粒增強復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及顆粒增強鋁基復合材料的制備技術領域，特別涉及到一種在電流與磁 場復合作用下熔體直接反應合成制備顆粒增強鋁基復合材料的方法。
背景技術：
顆粒增強鋁基復合材料因具有復合的結構特征和良好的理化及機械性能，逐漸成 為一種應用越來越廣泛的新型材料；顆粒增強鋁基復合材料的制備方法較成熟的主要有兩 種外加增強顆粒法和原位反應生成法。目前，熔體反應合成法是制備顆粒增強鋁基復合材料的重要方法，該方法是通過 向熔體內加入反應物(以鹽或氧化物為主)，通過反應物與鋁基體間的原位化學反應形成增 強顆粒相；該方法制備顆粒增強鋁基復合材料的優(yōu)點是顆粒相與基體界面不受污染、相界 面潤濕性好、相結合力強且工藝過程相對簡單等，因此日益受到國內外研究的重視。熔體反應合成法制備顆粒增強鋁基復合材料存在的主要問題是反應過程難控制， 表現在反應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) 模生產和應用；利用外場作用可以改善原位合成反應的熱力學與動力學條件，起到促進原 位反應進行的作用，同時，外場作用可以控制顆粒相的過分長大或偏聚團簇現象，因此，在 外場下原位合成鋁基復合材料越來越受到研究者的重視?，F有技術中，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 合材料；這些現有技術主要包括中國專利CN 1676641A (
公開日2005. 10. 5，發(fā)明名稱 制備金屬基納米復合材料的磁化學反應原位合成方法)提出在磁場(穩(wěn)恒磁場、交變磁場和 脈沖磁場)下進行原位磁化學反應合成；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生顆粒增強鋁基表面復合材料工藝)提出利用功率超聲制備內生 顆粒增強(Al3Ti相)鋁基表面復合材料，使增強相在基體的表層分布均勻，界面結合更好； 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合材料的方法，提 出在原位反應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合材料的方法，對熔體的原位反應合成過程施加由旋轉磁場和行波 磁場組合的磁場。從現有技術報道及生產實踐可知，熔體反應合成制備顆粒增強鋁基復合材料的過 程中施加電磁場、超聲場及其形成耦合外場，具有較好的顆粒細化和分散效果；從熔體直接 反應合成原位顆粒增強鋁基復合材料的反應特點可知反應鹽與金屬熔體之間的反應實質 是帶電離子顆粒與金屬熔體之間的反應，其中帶電離子顆粒的行為對原位反應的速率、產 率以及顆粒的析出、長大和分布等行為有決定性的影響，因此，原位反應合成過程中在熔體 內直接通入電流并對熔體施加磁場，利用電流與磁場交互作用形成的電磁振蕩效應直接作 用于參與熔體反應合成的熔體、帶電粒子(反應鹽)及顆粒相，對控制原位反應的速率、產率 以及顆粒的析出、長大和分布是一種非常有前景的方法，有望解決目前熔體直接反應合成 制備顆粒增強鋁基復合材料存在的反應過程難控制、反應速度和效率難以提高、生成的顆粒相形貌和分布難以控制等關鍵問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料 的新方法，解決目前熔體反應合成法制備顆粒增強鋁基復合材料存在的反應速度和效率難 以提高，生成的顆粒增強相易團聚長大等關鍵問題，實現高性能顆粒增強鋁基復合材料的 工業(yè)規(guī)模制備和應用。實現本發(fā)明目的的方法是在熔體直接反應法制備原位顆粒增強鋁基復合材料的 反應合成過程中在熔體內通入電流并同時對熔體施加磁場，可以采用交流電流與靜磁場組 合，也可以采用直流電流與交變磁場組合；利用電流與磁場之間的交互作用在熔體內產生 的電磁振蕩效應，電磁振蕩效應在熔體內產生能量起伏和運動動量起伏，改善原位合成反 應的熱力學和動力學條件，提高反應速率和產率，特別是促進原位反應中離子遷移和顆粒 形核，控制顆粒的形貌、尺寸及改善顆粒的分散性，最終實現控制熔體反應進行及控制顆粒 尺寸和行為的目的。以下結合本發(fā)明的示意圖(見圖1)，說明實現本發(fā)明的具體方案如下 一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的方法，主要包括以下步
驟
a)在保溫耐火材料制成的反應合成容器1內將基體金屬鋁或鋁合金熔煉、精煉拔渣后 調整到反應起始溫度，加入能與鋁熔體原位反應生成增強顆粒相的反應物，并攪拌均勻；
b)輸入熔體的電流由分別安裝在熔池底部和熔池上部的兩個平行插入的電極3引入， 磁場5安裝在反應合成容器1的外側，將電極插入熔體，然后依次接通輸入熔體電流的電源 4和磁場5，并調整電流參數和磁場參數到設定范圍；
c)本發(fā)明的電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的方法，一種方案是采 用交變電流與靜磁場復合，因此，熔體內通入的電流為交變電流，電流強度為10-1000A，電 流頻率為50-500HZ，與之對應的磁場采用靜磁場，磁場的強度為0. 1-5. OT ；
d)本發(fā)明的電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的方法，另一種 方案是采用直流電流與交變磁場復合，因此，熔體內通入的電流為直流電流，電流強度 為10-1000A，與之對應的磁場采用交變磁場，磁場的強度為0. 02-2. 0T,磁場的頻率為 50-500Hz ；
e)電流與磁場復合作用處理熔體的時間為2-lOmin，待反應結束，依次關閉輸入電流的 電源4和磁場電源，熔體靜置到澆注溫度后進行澆注，制得復合材料。采用本發(fā)明的關鍵特征是在熔體直接反應合成原位顆粒增強鋁基復合材料的 反應合成過程中在熔體內通入電流，同時對熔體施加磁場處理，即在電流與磁場復合作用 下合成復合熔體；當采用交變電流與靜磁場復合作用時，熔體內通入的電流為交變電流， 電流強度為10-1000A，電流頻率為50-500HZ，與之對應的磁場采用靜磁場，磁場的強度為 0. 1-5. OT ；當采用直流電流與交變磁場復合作用時，熔體內通入的電流為直流電流，電流 強度為10-1000A，與之對應的磁場采用交變磁場，磁場的強度為0. 02-2. 0T，磁場的頻率為 50-500Hz。與現有技術相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果1)本發(fā)明在原位反應合成過程中向熔體內直接通入電流并對熔體施加磁場，利用電流 與磁場交互作用形成的電磁振蕩效應直接作用于參加反應合成的熔體、帶電粒子以及顆粒 相，電磁振蕩作用在熔體內產生的能量起伏及對帶電粒子和顆粒的運動能量起伏，改善了 原位反應的熱力學與動力學，提高了反應的速率和產率，改善了顆粒的運動和分散效果；
2)在電流與磁場交互作用下，合成反應時間縮短，由不施加外場時的20-30min和采用 其它形式外場下合成12-20min，縮短到10-iaiiin，這主要是電磁振蕩效應改善了原位反應 的熱力學和動力學，從而提高了反應速率；
3)采用本發(fā)明，顆粒相的收得率即最終產率增加到95%以上，提高了反應鹽的利用率， 減少反應鹽消耗并減少了渣量。不施加磁場是，顆粒相收得率一般在80-85%，而現有技術中 采用其它形式的外場，其收得率也很難超過90% ；
4)本發(fā)明中輸入的電流與施加的磁場作用相耦合，其效果相互疊加互補增強，比單一 施加電流或磁場具有事半功倍的效果，從而使電流消耗和磁場消耗都降低，有利于降低能 源的消耗；
5)采用本發(fā)明的裝備成熟，價格相對低廉，操作簡單，特別是本發(fā)明可以處理大容量熔 體，是一種適合工業(yè)規(guī)模制備高性能顆粒增強復合材料的方法。


圖1脈沖電場下合成顆粒增強鋁基復合材料的示意圖注1反應合成容器；2復合材料熔體；3電極；4輸入電流的電源；5磁場 圖2實施例1制得復合材料的掃描電鏡圖； 圖3實施例2制得復合材料的掃描電鏡圖。
具體實施例方式以下結合實施例對本發(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 制備顆粒增強鋁基復合材料
原材料基體金屬鋁合金；固體粉末氟鋯酸鉀和氟硼酸鉀粉劑(純度為99%)，精煉脫 氣劑及扒渣劑；
電流與磁場電流采用交流電流，電流強度100A，頻率55Hz，磁場為靜磁場，磁場強度 1. OT0制備過程如下
(一)首先進行金屬熔煉及粉體制備
鋁合金50Kg在坩堝式電阻爐中熔化升溫到900°C，脫氣、扒渣；所用試劑均在200°C下 充分烘干，其中反應鹽研磨成細粉(粒度小于100//m)，稱量后待用，反應鹽加入的重量為金 屬重量的20% (其中氟鋯酸鉀與氟硼酸鉀的重量比為44 :56)。(二)熔體反應合成制備復合材料熔體
熔體溫度合格后，進行一次精煉，將精煉好且符合溫度要求(90(TC)的熔體傾入帶保 溫功能的熔體反應合成器1內，向熔體內加入固體反應物粉末，并用攪拌器攪拌均勻；將電 極3插入復合材料熔體內，開啟電源4，調整電流參數為100A，55Hz，然后開啟磁場5，調節(jié)磁場參數為磁場強度1. OT ；電流與磁場同時作用的時間為IOmin ；然后關閉電場與磁場電 源，靜置后將制得的復合材料熔體在750°C時澆注制得復合材料。取樣作組織分析，圖2是本實施例的制得復合材料的掃描電鏡圖，由圖2可見，復 合材料中增強顆粒尺寸在50-200nm，屬納米/亞微米跨尺度顆粒增強復合材料，顆粒形貌 完整，顆粒與基體間的界面潔凈清晰，分布均勻，說明本發(fā)明有非常好的顆粒形貌、尺寸及 分布控制效果，這些特征都有利于提高材料的綜合性能；另外，針對該反應體系，反應時間 由不施加外場時的20分鐘縮短到10分鐘，合成效率提高一倍，而顆粒相的數量有明顯增 加，約提高10%左右，說明反應的速率和產率提高。將本發(fā)明制得的復合材料經過T4處理，測定了材料的室溫拉伸性能，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，其結果見表1。表1實施例1與其他技術方案制得復合材料的性能對比
指標本發(fā)明無外場電磁場超聲場屈服強度，MPa365315345350抗拉強度，MPa540370480490延伸率，%15. 511. 513. 514. 0
因此，總結使用該發(fā)明的突出特點是
1)從微觀組織來看，顆粒的形貌圓整、尺寸均勻細小，且分布均勻，即顆粒形貌、尺寸及 分布得到有效控制；
2)從反應效率來看，反應時間由不施加外場時的20分鐘縮短到10分鐘，而顆粒相的數 量有明顯增加，說明反應的速率和產率提高；
3)從材料室溫拉伸性能來看，材料機械性能顯著提高。實施例2 制備(Al3Zris)+ Al2O3is))顆粒增強鋁基復合材料
原材料基體金屬鋁合金；固體粉末工業(yè)碳酸鋯(Zr(CO3)2)粉劑(純度為99. 20%), 精煉脫氣劑及扒渣劑；
原位反應方程式7A1 ⑴ +Zr (CO3) 2 (s) =Al3Zr (s) +2A1203 (s) 顆粒增強相A13& (s)禾口 A1203(S)
電流與磁場電流采用直流電流，電流強度100A，磁場為交變磁場，磁場強度0. 5T，磁 場頻率為55Hz。制備過程如下
(一)首先進行金屬熔煉及粉體制備
鋁合金50Kg在坩堝式電阻爐中熔化升溫到900°C，脫氣、扒渣；所用試劑均在300°C下 充分烘干，其中& (CO3)2研磨成細粉(粒度小于100//m)，稱量后待用，Zr(CO3)2加入的重量 為金屬重量的10%。(二)熔體反應合成制備復合材料熔體
熔體溫度合格后，進行一次精煉，將精煉好且符合溫度要求(900°C )的熔體傾入帶保溫 功能的熔體反應合成器1內，向熔體內加入固體反應物&(0)3)2粉末，并用攪拌器攪拌均 勻；將電極3插入復合材料熔體內，開啟直流電電源4，調整電流參數為輸出電流強度為 100A ；然后開啟磁場5，調節(jié)磁場參數為磁場強度0. 5T，磁場頻率55Hz ；直流電流與交變 磁場同時作用的時間為5min ；然后關閉直流電流電源和磁場電源，待反應結束后靜置到澆注溫度，在750°C時澆注制得復合材料。取樣分析，顆粒尺寸在50-200nm，大部分顆粒尺寸控制在IOOnm左右，屬納米/亞 微米跨尺度顆粒增強復合材料，特別是顆粒形貌完整，顆粒與基體間的界面潔凈清晰，這些 特征都有利于提高材料的綜合性能；圖3是本實施例制得復合材料的掃描電鏡使用該發(fā)明的突出特點是顆粒的形貌圓整、尺寸均勻細小，且分布均勻，即形貌得到 控制，另外，針對該反應體系，反應時間由不施加外場時的25分鐘縮短到10分鐘，而顆粒相 的數量有明顯增加，說明反應的速率和產率提高。實施例3 制備顆粒增強鋁基復合材料
本實施例所用的原材料及制備過程與實施實例1完全相同，不同的是采用的電流與 磁場的參數不同；所用電流為交變電流，交變電流的參數為電流強度500A，電流頻率為 200Hz ；所用磁場為靜磁場，磁場的磁感應強度為2T，電流與磁場同時作用的時間為5min。實施例4 制備(AlJris)+ ZrB2 (s))顆粒增強Al基復合材料
本實施例所用的原材料及制備過程與實施實例2完全相同，不同的是采用的電流與 磁場的參數不同；所用電流為交變電流，交變電流的參數為電流強度1000A，電流頻率為 50Hz ；所用磁場為靜磁場，磁場的磁感應強度為0. 1T，電流與磁場同時作用的時間為5min。實施例5 制備(AlJris)+ ZrB2 (s))顆粒增強Al基復合材料
本實施例所用的原材料及制備過程與實施實例2完全相同，不同的是采用的電流與 磁場的參數不同；所用電流為交變電流，交變電流的參數為電流強度10A，電流頻率為 500Hz ；所用磁場為靜磁場，磁場的磁感應強度為5T，電流與磁場同時作用的時間為lOmin。實施例6 制備顆粒增強鋁基復合材料
本實施例所用的原材料及制備過程與實施實例1完全相同，不同的是采用的電流與 磁場的類型及參數不同；所用電流為直流電流，直流電流的參數為電流強度IOA ；所用磁 場為交變磁場，磁場的磁感應強度為2T，磁場頻率為50Hz電流與磁場同時作用的時間為 2min。實施例7 制備(AlJris)+ ZrB2 (s))顆粒增強Al基復合材料
本實施例所用的原材料及制備過程與實施實例2完全相同，不同的是采用的電流與 磁場的參數不同；所用電流為直流電流，直流電流的參數為電流強度IOOOA ；所用磁場為 交變磁場，磁場的磁感應強度為0. 02T，磁場頻率為500Hz電流與磁場同時作用的時間為 3min。
權利要求
1.一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的方法，包括將鋁或鋁合 金熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的反應物進行合成 反應，待反應結束，靜置到澆注溫度后進行澆注，其方法特征在于在原位反應合成過程中 向熔體內通入電流并同時對熔體施加磁場處理，采用直流電流時同時施加交變磁場，采用 交變電流時同時施加靜磁場。
2.如權利要求1所述的一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的 方法，其特征是采用交變電流與靜磁場復合時，即熔體內通入的電流為交變電流，電流強 度為10-1000A，電流頻率為50-500HZ，與之對應的磁場采用靜磁場，磁場的強度為0. 1-5T。
3.如權利要求1所述的一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的 方法，其特征是采用直流電流與交變磁場復合時，即熔體內通入的電流為直流電流，電流 強度為10-1000A，與之對應的磁場采用交變磁場，磁場的強度為0. 02-2T，磁場的頻率為 50-500Hz。
4.如權利要求1所述的一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的 方法，其特征是所述電流與磁場復合作用處理熔體的時間為2-lOmin。
5.如權利要求1所述的一種在電流與磁場復合作用下合成顆粒增強鋁基復合材料的 方法，包括以下步驟a )在保溫耐火材料制成的反應合成容器內將基體金屬鋁或鋁合金熔煉、精煉拔渣后調 整到反應起始溫度，加入能與鋁熔體原位反應生成增強顆粒相的反應物，并攪拌均勻；b)輸入熔體的電流由分別安裝在反應合成容器的熔池底部和熔池上部的兩個平行插 入的電極弓丨入，磁場安裝在反應合成容器的外側，將電極插入熔體，然后依次接通輸入熔體 電流的電源和磁場，并調整電流參數和磁場參數到設定范圍；c)當采用交變電流與靜磁場復合時，電流強度為10-1000A，電流頻率為50-500HZ，磁 場的強度為0. 1-5. OT ；d)當采用直流電流與交變磁場復合時，電流強度為10-1000A，磁場的強度為 0. 02-2. 0T，磁場的頻率為 50-500HZ ；e)電流與磁場復合作用處理熔體的時間為2-lOmin，待反應結束，依次關閉輸入電流的 電源和磁場電源，熔體靜置到澆注溫度后進行澆注，制得復合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強鋁基復合材料的制備技術領域，特別涉及到一種在電流與磁場復合作用下熔體直接反應合成制備顆粒增強鋁基復合材料的方法。該方法的主要特征是在熔體直接反應法制備顆粒增強鋁基復合材料的合成過程中對熔體通入電流并施加磁場，目的是利用電流與磁場之間交互作用產生的電磁振蕩效應促進熔體反應及控制顆粒形貌、尺寸和運動及分布行為。本發(fā)明的方案可以是交流電流與靜磁場復合，也可以是直流電與交變磁場復合。采用本發(fā)明可以顯著提高合成反應速率和產率，并具有顯著的顆粒形貌控制和促進分散的效果，適合工業(yè)規(guī)模制備高性能顆粒增強復合材料。
文檔編號C22C21/00GK102140599SQ201110037708
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權日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