CN101717905B

CN101717905B - 脉冲磁场下制备高性能铝基复合材料的方法和装置

Info

Publication number: CN101717905B
Application number: CN2009102326813A
Authority: CN
Inventors: 王宏明; 李桂荣; 赵玉涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: CN101717905A

Abstract

本发明提供一种脉冲磁场作用下利用原位结晶法制备高性能铝基复合材料的方法和装置，属材料制备技术领域。其制备方法是：先熔炼合成复合材料熔体，合成温度高于熔体液相线温度10～200℃，熔体浇注于特殊设计的结晶器内在脉冲磁场作用下凝固，脉冲磁场关键参数为脉宽1～500ms，磁场幅值强度0.1～50T，本发明利用脉冲磁场对熔体的凝固过程施加脉冲电磁力，促使复合材料的基体组织和颗粒增强相同时进行细化，并控制颗粒相的团簇长大，提高颗粒相与基体的界面结合强度，能显著提高复合材料的性能。

Description

脉冲磁场下制备高性能铝基复合材料的方法和装置

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，特别涉及到一种脉冲磁场作用下利用原位结晶法制备高性能原位自生铝基复合材料的方法和装置。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及机械性能，逐渐成为一种应用越来越广泛的新型材料。目前，原位复合法是制备颗粒增强铝基复合材料的重要方法。由于原位复合法的增强相从铝基体中原位形核析出，具有较高的热力学稳定性，且复合相与基体结合界面洁净度高，润湿性好，结合强度高，在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，较大幅度地提高了材料的强度和弹性模量，所以，原位复合法是制备高性能复合材料具有性能优势，备受重视。

原位复合法按照增强体的生成方式不同，又可分为原位反应复合法与原位结晶复合法。原位反应复合是通过向熔体内加入反应物，通过反应物与基体金属的原位化学反应形成细小稳定的增强颗粒相的方法；原位结晶复合法则是利用二元或多元合金凝固过程中的相变，从合金液中析出增强体颗粒来制备铝基复合材料。原位结晶复合法的主要优点是可以通过控制凝固结晶时间和结晶温度及熔体成分过冷等手段来控制析出颗粒相的种类、数量，所以原位结晶过程较容易控制。

随着经济的发展，人类对提高材料性能的要求是无止境的。目前，制约颗粒增强铝基复合材料性能进一步提高的关键因素有两方面：一是金属基体的组织、性能以及与颗粒相的匹配需要改善，其关键是要细化基体的晶粒组织，提高基体的性能；二是增强颗粒相的尺寸要进一步细化、颗粒相形貌要更规整，其在基体中的分布要更均匀以及颗粒相与基体的结合界面强度需要进一步提高。

中国专利CN101391291A提出一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，对熔体的原位反应合成过程施加由旋转磁场和行波磁场组合的磁场，以促进原位反应进行，但没有对熔体的凝固过程进行控制。中国专利CN101391290A提出一种磁场与超声场耦合作用下熔体反应合成金属基复合材料的方法，也没有提及对熔体的凝固过程进行控制。中国专利：CN 101199989，异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，提出在凝固过程施加异频(低频、高频)复合磁场，低频磁场用于克服颗粒的团簇，高频磁场用于提高铸坯表面质量，但由于增强颗粒是在原位反应阶段形成和长大，低频磁场使熔体内颗粒的细化效果不明显。以上现有技术都是针对通过原位反应生成增强颗粒的方法制备复合材料，这种原位反应生成的颗粒是在复合熔体合成过程生成的，在后续的凝固成型过程中容易团簇长大，且长大的增强相颗粒强度很高，很难对其细化。

中国专利CN100345224C提出脉冲磁场作用下原位自生MgB₂超导材料的制备方法，该发明是采用粉末冶金的方法，可以控制基体组织和防止颗粒团簇和偏聚，但该制备方法需要磨粉、压模封装、抽真空、充氮等过程，制备工艺复杂，成本偏高，最重要的不足是粉末冶金法制备工艺最重要的环节——烧结过程中试样内外温度差异因素难以克服，所以粉末冶金方法还难以制备大尺寸的坯料以生产大型结构件。金属熔体合成复合材料并通过铸造成型的方法制备复合材料适合于工业规模生产，工艺过程相对简单，制造成本相对低廉。但目前缺少复合材料熔体铸造成型凝固过程细化基体凝固组织和控制颗粒相团簇长大和偏聚不均匀的有效方法。中国专利CN1261612C(发明名称：强磁场下制备铝基复合材料的方法及装置)提出在铝基复合材料熔体凝固过程施加强磁场，提高增强颗粒分布均匀度和增强短纤维的择优取向系数，从而提高复合材料综合性能。虽然该发明并未说明其使用的强磁场为何种形式的强磁场，但从该发明利用磁场的“微(超)重力效果(即磁悬浮)、晶体择优取向效果和对流抑制效果”来判断，其使用的强磁场为稳恒强磁场。复合材料熔体凝固过程施加稳恒强磁场，增强晶须或短纤维的择优取向效果明显，但稳恒强磁场难以使增强颗粒相和基体的晶粒细化。

综上所述，对原位反应生成颗粒法制备复合材料和采用颗粒外加法制备复合材料，由于颗粒在复合熔体制备过程已经形核或长大，在凝固过程中还会出现团簇和长大，所以本发明采用原位结晶法制备复合材料，并提出在熔体凝固结晶过程，也是增强颗粒形核析出过程，施加脉冲磁场，可以促进结晶形核，使晶粒组织有效细化并同时增加原位结晶颗粒瞬时形核速率，使复合材料的颗粒增强相和基体金属晶粒同时细化，并控制颗粒相团簇长大和偏聚不均匀的方法，对提高颗粒增强铝基复合材料的性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲磁场作用下利用原位结晶法制备高性能颗粒增强铝基复合材料的方法和装置，即在复合熔体的凝固结晶过程施加脉冲磁场，利用脉冲磁场的脉冲电磁力作用和脉冲感应热冲击作用细化铝基体的凝固组织以及同时对原位结晶颗粒相进行细化、控制颗粒相的团簇长大，并克服颗粒偏聚不均匀分布问题，以制备超高性能颗粒增强复合材料。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：

第一步：复合材料熔体的制备

原位结晶法制备复合材料的熔体制备主要是合金化过程，先将铝或铝合金熔化，根据增强相种类和要求的增强相体积分数确定合金熔体的成分进行合金化，合金化温度根据元素溶解度和合金熔化温度确定，合金化温度要比合金熔体液相线温度高10～200℃，增强体可选择Si相、Al₃Ti或Mg₂Si。

复合熔体制备过程开启电磁搅拌磁场1进行电磁搅拌，电磁搅拌磁场的频率调节范围为1～30Hz，电流强度调节范围为：100～750A，通过控制电流强度和电流频率，使熔体有合适的搅拌强度，既能促进成分、温度均匀，又不破坏熔池表面覆盖剂或氧化膜层。

第二步：复合材料熔体在脉冲磁场作用下凝固

本发明采用常规使用的脉冲磁场发生装置，使用关键参数为脉宽1～500ms，产生的脉冲磁场幅值强度0.1～50T。结晶器采用专门设计的脉冲磁场下凝固用结晶器，结晶器按材质从上至下分为三段：上段为耐火陶瓷，主要功能是缓冷，中段为石墨环，即保证冷却，又保证结晶器不变形和一定的强度，下段为水冷紫铜，保证强冷，三段之间的高度比例为1∶2∶1，脉冲磁场线圈安装于结晶器石墨段，线圈中心与石墨段中心在同一高度。

采用本发明的操作过程特征为：在熔炼合成反应器内制备复合材料熔体，熔炼合成过程开启电磁搅拌磁场进行搅拌，促进成分温度均匀，复合熔体制备好以后，打开控流塞棒(或流槽挡板)，复合熔体经下注水口(或流槽)注入浇铸热顶内，当液位升至一定高度后，启动抽锭装置，同时，开启脉冲磁场装置，复合熔体在脉冲磁场作用下在专用结晶器内凝固，通过控制抽锭速度和控流塞棒(或流槽挡板)的位置，即维持浇铸热顶内的液面稳定，又保证金属主要在脉冲磁场作用范围内凝固。

与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：

1)原位结晶法制备颗粒增强铝基复合材料，在原位结晶过程施加脉冲磁场，利用脉冲磁场的脉冲电磁力冲击效果和脉冲感应热冲击效果改变颗粒相的原位结晶过程和基体金属的凝固过程，脉冲磁场增大了粒子的能量起伏，使原位结晶相的形核速度和形核率提高，并能通过脉冲作用打碎大的颗粒，使颗粒细化；

2)对基体金属凝固而言，脉冲磁场促使凝固前沿和枝晶间结晶雨回流振荡速度增加，细化了晶核尺寸，增加了晶核数目，促使基体的凝固组织细化；

3)凝固过程的脉冲电磁力的振荡作用有利于颗粒相与基体晶粒间的匹配和界面结合，润湿性好，提高了颗粒相与基体的结合强度。

因此，脉冲磁场作用于原位结晶过程，同时实现了对基体组织和原位增强相的细化和原位结晶颗粒增强相的分散，而且提高了颗粒相与基体的界面结合强度，有效提高了颗粒增强复合材料的综合性能。

附图说明：

图1脉冲磁场下原位结晶法制备高性能铝基复合材料装置示意图

图注：1电磁搅拌磁场；2加热***；3熔炼合成反应器；4控流塞棒(或流槽挡板)；5复合熔体；6下注水口(或流槽)；7测温和控温***；8浇铸用热顶；9专用结晶器陶瓷段；10专用结晶器石墨环段；11专用结晶器纯铜段；12底模和抽锭装置；13半固态铸坯(锭)；14脉冲磁场装置；15液位监测和控制；

图2是施加脉冲磁场前后原位结晶Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。(a)不采用本发明；(b)采用本发明；(c)XRD检测结果。

图3是施加脉冲磁场前后原位结晶Al₃Ti颗粒增强铝基(A356)复合材料的凝固组织和XRD检测结果。(a)不采用本发明；(b)采用本发明；(c)XRD检测结果。

图4是施加脉冲磁场前后20％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。(a)不采用本发明；(b)采用本发明；(c)XRD检测结果。

图5是施加脉冲磁场前后10％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。(a)不采用本发明；(b)采用本发明；(c)EDS检测结果。

图6对比了采用本发明的实施例2与不采用本发明是得到的Al₃Ti颗粒增强铝基(A356)复合材料的基体晶粒尺寸对比结果。(a)不采用本发明；(b)采用本发明。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施实例1脉冲磁场下原位结晶制备初晶硅增强铝基复合材料

用纯铝和结晶硅制备高硅铝合金Al-18％Si，合成温度850℃，制备过程电磁搅拌磁场的参数为15Hz，电流250A。凝固过程脉冲磁场的脉宽为10ms，脉冲磁场强度为30T，抽锭速度为15cm/min，制得初晶硅增强的铝基复合材料。

图2是施加脉冲磁场前后Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。由图2可见：(1)由XRD可见，凝固组织中相的类型为α(Al)和Si相；(2)在合金成分相同情况下，施加脉冲磁场后Si颗粒生成数量增加，颗粒尺寸由50～60μm减小到10～20μm，细化效果明显，颗粒尺寸均匀，在基体中分布的均匀化程度提高；(3)α(Al)相得以细化，即基体金属晶粒尺寸减小，不施加脉冲磁场时的晶粒平均尺寸在100～120μm范围，施加脉冲磁场后晶粒平均尺寸细化到30～50μm。综合看来：凝固过程中施加脉冲磁场后复合材料的凝固组织得以明显改善。

实施实例2脉冲磁场下原位结晶法制备Al₃Ti颗粒增强铝基(A356)复合材料

用A356铝合金和铝-钛合金在840℃下合成铝钛合金熔体Al-5％Ti，合成过程电磁搅拌磁场参数为1Hz，电流350A。凝固过程脉冲磁场的脉宽为500ms，脉冲磁场强度为10T，抽锭速度为10cm/min，制得Al₃Ti颗粒增强A356基复合材料。

图3是施加脉冲磁场前后Al₃Ti颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。由图可见：(1)由XRD图得出凝固组织中相的类型为α(Al)和Al₃Ti相；(2)在合金成分相同情况下，施加脉冲磁场后Si颗粒生成数量增加，颗粒尺寸由10～20μm减小到2～5μm，细化效果明显，颗粒尺寸均匀程度变好，且在基体中分布的均匀化程度提高；(3)α(Al)相得以细化，即基体金属晶粒尺寸减小，不施加脉冲磁场时的晶粒平均尺寸在80～110μm范围，施加脉冲磁场后晶粒平均尺寸细化到10～20μm(对比结果见图6)。综合看来：凝固过程中施加脉冲磁场后复合材料的凝固组织得以明显改善。

实施实例3脉冲磁场下原位结晶法制备20％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料

用纯铝、纯硅和Al-Mg合金制备Al-20％Mg₂Si合金，合成温度750℃，制备过程电磁搅拌磁场参数为30Hz，电流150A。凝固过程脉冲磁场的脉宽为100ms，脉冲磁场强度为2T，抽锭速度为10cm/min，制得20％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料。

图4是施加脉冲磁场前后Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和XRD检测结果。由图可见：(1)由XRD图得出凝固组织中相的类型为α(Al)和Mg₂Si相；(2)在合金成分相同情况下，施加脉冲磁场后Mg₂Si颗粒生成数量增加，颗粒尺寸由30～50μm减小到10～25μm，细化效果明显，颗粒尺寸均匀程度变好，且在基体中分布的均匀化程度提高；(3)α(Al)相得以细化，即基体金属晶粒尺寸减小，不施加脉冲磁场时的晶粒平均尺寸在100～120μm范围，施加脉冲磁场后晶粒平均尺寸细化到40～60μm。综合看来：凝固过程中施加脉冲磁场后复合材料的凝固组织得以明显改善。

实施实例4脉冲磁场下原位结晶法制备10％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料

用纯铝、纯硅和Al-Mg合金制备Al-10％Mg₂Si合金，合成温度700℃，制备过程电磁搅拌磁场参数为30Hz，电流120A。凝固过程脉冲磁场的脉宽为150ms，脉冲磁场强度为1T，抽锭速度为10cm/min，制得10％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料。

图5是施加脉冲磁场前后10％Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料的凝固组织和能谱检测结果。由图5可见：(1)由颗粒相的能谱分析图可见，凝固组织中相的类型为α(Al)和AlMgSi相(分析对象为图5(a)(b)所示圆整颗粒)，鉴于颗粒组分中Mg∶Si＝2∶1(原子比)，则可判定为颗粒相是Mg₂Si；(2)在合金成分相同情况下，施加脉冲磁场后Mg₂Si颗粒生成数量增加，颗粒尺寸由30～50μm减小到20～30μm，虽然细化效果不是十分明显，但可见颗粒生成数量明显增加，尺寸均匀，在基体中分布的均匀化程度提高；(3)α(Al)相得以细化，即基体金属晶粒尺寸减小，不施加脉冲磁场时的晶粒平均尺寸在100～120μm范围，施加脉冲磁场后晶粒平均尺寸细化到50～60μm。综合看来：凝固过程中施加脉冲磁场后复合材料的凝固组织得以明显改善。

Claims

1.脉冲磁场下制备高性能铝基复合材料的方法，其特征在于：铝基复合材料熔体在电磁搅拌磁场作用下合成后，在脉冲磁场下凝固结晶；所述铝基复合材料熔体在电磁搅拌磁场作用下合成的工艺为：先将铝或铝合金熔化，根据增强相种类和要求的增强相体积分数确定合金熔体的成分进行合金化，合金化温度根据元素溶解度和合金熔化温度确定，合金化温度要比合金熔体液相线温度高10~200℃，增强体为Si相、Al₃Ti或 Mg₂Si，基体为Al或Al基合金；复合材料熔体熔炼合成制备过程采用电磁搅拌，电磁搅拌的强度以不破坏熔池表面覆盖剂或氧化膜层为准，电磁搅拌磁场的频率调节范围为1~30Hz，电流强度调节范围为：100~750A；所述复合材料熔体在脉冲磁场下凝固的工艺为：脉冲磁场的脉宽为1~500ms，脉冲磁场幅值强度0.1~50T；所述复合材料熔体在脉冲磁场作用下在专用结晶器内凝固，结晶器按材质从上至下分为三段：上段为耐火陶瓷，主要功能是缓冷，中段为石墨环，既保证冷却，又保证结晶器不变形和一定的强度，下段为水冷紫铜，保证强冷，三段之间的高度比例为1：2：1，脉冲磁场线圈安装于结晶器石墨段，线圈中心与石墨段中心在同一高度。