CN101829777A - 纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明为一种纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备，它是将纳米增强颗粒与基体金属和晶粒抑制剂共同在搅拌球磨机内混合后装入钢管中，与基体金属共同在水冷结晶器内进行熔铸或与金属液共同在铸型内进行铸造成型，经电磁搅拌和超声波震动后快速凝固和结晶，使二相材料达到了完全冶金结合，由于电磁搅拌和超声波震动作用，使二相材料的混合更加均匀，并可以进一步改善和提高复合材料的各项性能。使用该发明，生产工艺简单，成本低，效率高，产品性能好，工艺易于控制，产品的外形尺寸不受工艺限制，可以制造大尺寸的纳米颗粒增强金属基复合材料。

Description

纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种纳米金属复合材料及其制备方法，特别是一种纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备。

背景技术

现代科技的飞速发展，极大的促进了新材料的技术进步，随着新的材料制备技术的不断涌现，新材料不断崛起，各种非金属材料(高分子材料、陶瓷材料等)的发展达到了前所未有的速度。工程塑料的问世，提出了“向钢铁挑战”的口号，近年来美国的塑钢比已达到了25％以上；陶瓷材料在近二、三十年来发展也非常迅速，新品种层次不穷，特种陶瓷在许多方面突破了传统陶瓷的概念和范畴，出现了陶瓷发展史上的一次革命性变化，有人甚至提出，人类即将踏入第二个石器时代。各种材料迅速发展的态势，使得金属材料的主体地位受到了强有力的挑战，非金属材料在材料总量中的比重正逐步提高。因此从总体上看，金属作为主体材料在20世纪已达到了顶峰，21世纪将会是金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料并驾齐驱的时代。

时至今日，在各种材料不断涌现的今天，金属材料依然是主体，钢铁在金属材料中仍然占主导地位。目前，我国钢产量已超过5亿吨，除少数钢种外，已基本满足了我国经济建设的需要。据统计，为了达到上述钢的生产规模，几十年来，国家已先后投入约7000多亿人民币。钢铁生产工程之浩大，设备之笨重，能源消耗之惊人，环境污染之严重是人所共知的。专家预测，按现在钢的性能、质量，为了满足我国国民经济建设的需求，钢产量每年应以5％以上的速度递增。可想而知.如果只从钢的量上作文章，目前我国钢铁生产的整个***，从矿山→冶炼→加工，从投入→能源→消耗→环境污染，全得翻番，这样的前景是不堪设想的。

面对上述形势，冶金工作者正在探索一条新的途径，即在保持现有钢产量规模基本不变的条件下，努力使钢的性能提高一倍。如果一吨钢能当两吨用，在保持现有生产规模大体不变的情况下，钢材的供需矛盾就能得到解决了。

近几年，冶金工作者正在从提高钢的纯净度，细化钢的基体组织以及徽合金化等方面来提高钢的性能、质量，这是实现上述目标的措施之一。但是提高钢的纯净度也是一个***工程。纯净度与废钢和铁水质量，耐火材料质量，冶炼工艺和冶炼技术水平等诸多因素有关。因此提高钢的纯净度不仅是一项难度很大的工程，而且也将付出很高的代价。

为提高金属材料的强度和性能，减少钢材用量，20世纪90年代后期，日本、韩国、中国相继提出超细晶粒钢开发计划，将晶粒细化的作用提高到更加显著的地位。日本官方支持的国立研究机构进行了晶粒细化的基础研究，探讨晶粒细化的极限；而很多企业则利用晶粒细化的思想，进行不同等级、满足不同性能要求的具体材料的开发，已经开发出了工业规模不同性能和用途的细晶粒钢等。韩国以POSCO为代表，进行了高强度、耐腐蚀、可焊接的新一代钢铁材料的开发，并已经探索出工业应用的途径。与此同时，欧洲也进行了相应的应用研究。1999年，欧洲煤钢联盟(ECSC)确立了一项为期1年的超细晶钢可行性研究项目，随后在2001年又启动了名为“利用创新变形过程制造超细晶粒钢”的研究项目。这个项目的目的是研究钢材的变形过程，在工业规模上制造具有优良力学和使用性能、在后续加工中具有良好响应的新一代钢铁材料。该项目包括四个工作单元，分别涉及表面超细晶、低碳超细晶、中碳超细晶、高碳超细晶等几种重要的钢铁材料。该项目目前已取得重大进展。我国于1998年底启动了国家重大基础研究规划项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，在“努力实现钢铁材料均质化、纯净化、细晶化”的思想指导下，400、800、1500Mpa级超级钢等项研究取得了重大进展，并率先在世界上进行了工业化生产和应用，引起国际上的重视，标志着我国钢铁材料研究已进入了一个新的阶段。

但目前国内外所开发的超细晶粒钢主要采用大压下量轧制变形、高的应变速率、低的变形温度、快速热循环、复杂的工艺组合以及对工艺过程的精确控制等。这些要求多少超出了钢厂现有设备能力和生产能力，并使生产成本显著增加，从而成为限制超细晶粒钢工业化生产的主要问题之一，此外，超细晶粒钢还存在组织稳定性和塑性稳定性两个棘手的问题，因而现阶段绝大部分纳米及亚微米钢还仅限于实验室研究。另外，目前国内外所制造的超细晶粒钢材料仅适用于低温下普通用途的板材、线材及管材等，对于工具和模具行业，金属耐磨材料行业尚不适用，其应用领域受到了限制。

现代工业发展和技术进步对传统的结构材料提出了新的要求。特别是对使用量大、应用范围广的钢铁材料，人们希望利用最少的资源，最低的成本，生产制造出具有各项综合性能非常优异的先进钢铁材料，以满足生产发展和科技进步对新材料的特别需求。

颗粒增强金属基复合材料由于其具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及低成本而在精密和光学仪器中获得了广泛的应用。由于以往的研究中使用的增强颗粒存在尺寸偏大的问题(往往都在几个微米甚至于几十个微米以上)，给增强的幅度带来一定的局限性。

纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向。近年来，随着纳米科学的兴起，纳米材料已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。所谓纳米材料是由纳米量级的纳米粒子组成的固体材料，纳米粒子的大小一般不超过100nm，当粒子尺径进入纳米量级1～100nm时，由于纳米粒子的表面原子与体积总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，使其显示出4个基本效应：强烈的量子尺寸效应、表面与界面效应、体积效应和宏观量子隧道效应。这些特性使纳米材料呈现出许多奇特的性质而具有某些优异的性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性能等。纳米微粒尺寸很小，纳米粒子的表面原子数与其总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以纳米材料有高密度缺陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。纳米材料也因此具有许多特殊的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度、超强的耐磨性、自润滑性和超塑性等。由于纳米材料的特异性能，因而具有广泛而重要的应用前景。

金属基纳米复合材料(Metal matrix nanocom-posites，MMNC_s)是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。颗粒增强金属基一纳米复合材料，就是将纳米颗粒溶合到金属基体中，使纳米粒子与金属基体紧密结合，使之具有长期的稳定性。而且复合之后，在光学、机械性能等方面也可显示出更大的优势。把纳米材料与金属基体进行有机的复合，利用纳米材料与基体的相互作用产生的效应，还可以实现两者的优势互补，开发性能优异的新功能材料。实验表明：在钢中加入非金属纳米粉，能大量增加钢液中外来的异质核心，使钢中的夹杂物弥散化，减少或消除夹杂物的有害作用，这样就可以降低对钢纯净度的要求。钢中加入非金属纳米粉还有可能细化钢的基体组织，大量异质质点的存在，在钢中能起弥散强化的作用。因此，在钢中加入非金属纳米粉能大大提高钢的性能，改善钢的质量。具有力学性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热好、不吸湿、不吸气、尺寸稳定、不老化等优点，故以其优异的性能应用于自动化、航天、航空和汽车工业、先进制造业等高技术领域。

由于金属基纳米复合材料所具有的上述各项优良性能和所具有的广泛的市场前景，世界各国均在对其进行大力开发和研究，并开发出了各种制备工艺。目前，国内外所开发的制备金属基纳米复合材料的方法主要有机械合金化法(Mechanical alloying，MA)、熔融纺丝(Meltspun，MS)法、粉末冶金法(Powder metallurgy，PM)、机械诱发自蔓延高温合成(Self-propagatinghigh-temperature synthesis，SHS)反应法、真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法(Inert gas con-densation method combined with vacuum co-evaporation andin-situ compaction，ICVCSC)等，但上述几种制备方法均存在以下的缺点：

1)机械合金化法  工艺简单、增强体分布均匀、增强体体积分数范围较大、制品质量较好、产量高、能制备高熔点的金属和合金纳米材料。缺点是：在制备过程中易引入杂质、晶粒尺寸不均匀、球磨及氧化会带来污染。

2)熔融纺丝法  工艺简单、设备投资少、生产成本较低。缺点是：增强体体积分数有限(一般不超过20％)、有界面反应的可能性、增强体分布难达到均匀化、有气孔，需二次加工。

3)粉末冶金法  基本上不存在界面反应，质量稳定，增强体体积分数可较高，增强体分布均匀。缺点是：工艺程序多、制备周期长、成本高、降低成本的可能性小。

4)真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法  适用范围广、增强体分布均匀、制品质量好。缺点是：工艺设备昂贵、产量极低、制造大型零部件有困难，如冷却工序安排不妥善，可产生明显的界面反应，制备周期较长。

5)机械诱发自蔓延高温合成反应法  过程简单、不需要复杂的设备、产品纯度高、能获得复杂的相和亚稳定相。缺点是：不易获得高的产品密度、不能严格控制反应过程和产品性能。

6)原位反应复合法  成本较低、增强体分布均匀、基本上无界面反应、可以使用传统的金属熔融铸造设备，工艺周期较短。缺点是：工艺过程要求严格，较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制。

7)非晶合金晶化法  成本低、产量大、界面清洁致密、样品中无微孔隙、晶粒度变化易控制。缺点是只适用于非晶形成能力较强的合金系。

上述各种制备工艺它们各具特色，适用范围不尽相同，所制备出的各种金属基纳米复合材料在性能上与传统材料相比均有大幅度的提高，在发展传统复合材料与开发新型复合材料方面起着巨大的推动作用。但这些制备技术均存在自身局限性，其中大多数由于设备昂贵，工艺复杂且难以控制而仍集中于实验室研究阶段。

为实现纳米颗粒增强复合材料的制造，国内外均开展了大量的研究开发工作，不断的研究出了新的制备工艺，在制造有色金属纳米颗粒增强复合材料工艺上，中国发明专利ZL200510011568.4公开了一种纳米颗粒增强高强韧铸造镁合金及其制备成型工艺，该工艺所制造的镁合金基体组分及重量百分比含量为5.0～10.0％Al，0.1～1.0％Zn，0.05～0.5％Mn，限制元素Si≤0.05％，Fe≤0.005％，Cu≤0.01％，Ni≤0.002％，其余为镁。使用的颗粒为SiC纳米颗粒，粒径小于100nm，添加量为合金体积含量的0.1～3.0％。SiC纳米颗粒添加前要进行预处理，其预处理工艺为：

1、在容器中导入适量分析纯乙醇，将一定量的干燥SiC纳米颗粒放入容器中，搅拌，充分润湿，SiC纳米颗粒与乙醇的比例为1g/10ml～1g/3ml；

2、将占上述混合物体积1/50～1/10的聚乙烯醇溶液加入到SiC纳米颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均匀；

3、将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中干燥，烘烤温度为80～95℃。

纳米颗粒增强铸造镁合金的制备成型工艺为：

1、将镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩埚中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用溶剂或高纯氩气加以保护，溶化后溶液温度保持在680～720℃；

2、控制镁合金溶液温度至650～700℃(高于镁合金液相线60～80℃)或5850～610℃(低于镁合金液相线50～30℃)，去除表面浮渣，将占镁合金体积0.1～3.0的通过液处理工艺的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下搅拌，搅拌时间3～10分钟，搅拌器转速10000～2000转/分钟；

3、精炼除气后，控制浇注温度为650～700℃去除出表面浮渣，通过重力模铸或压铸得到纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。该工艺在传统铸造镁合金的基础上，通过加入纳米强化颗粒，提高铸造镁合金的强韧性；通过对纳米颗粒进行预处理，增加颗粒与镁合金的润湿性；通过控制适当的镁合金液温度和机械搅拌工艺，使纳米颗粒在镁合金液中分布均匀。但由于该工艺所使用的SiC纳米颗粒在800℃就可以发生分解，并且随着温度的升高，分解变得更加剧烈，而且SiC纳米颗粒直接加入合金中，无法解决纳米颗粒的团聚，增强颗粒量少，使用机械搅拌，因此该工艺仅适用于有色金属，而不适用与高温金属。中国发明专利ZL200510127307.9公开了一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料及制备方法，该方法是采用纳米碳化硅颗粒和铝粉作为原料制成；其中纳米碳化硅颗粒的体积占原料体积的0.5～20％，铝粉的体积占原料体积的80～99.5％。其制备方法为：1、将原料混合投入密封球磨罐后抽真空再充入氩气反复进行2～10次；2、高能球磨；3、热压烧结；4、热挤压，即得到纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。本发明制备工艺简单，成本低，纳米碳化硅颗粒在铝基体内分布均匀，制粉率高，而且，复合材料的力学性能有显著提高。它解决了传统制备颗粒增强铝基复合材料的方法中纳米级增强颗粒不能均匀分布于铝基体内，制备工艺繁杂，成本高的问题。但由于该工艺采用铝粉作原料，并采用粉末冶金工艺热压烧结后再热挤压，因为工艺复杂，成本高，设备投资大，技术难度大，同样仅适用于低温金属。

为实现纳米合金钢的生产，使其在模具材料和耐磨材料领域上实现应用，近年来，国内外开展了大量的研究，开发出了一些新型制备工艺。中国发明专利ZL200610046063.6公开了一种高强耐磨耐高温纳米合金钢材料及其制作方法，该发明为依据冶炼方法制取纳米合金钢。该材料的化学成分(按重量百分比)为：钨(W)0.06～6.0％，锰(Mn)0.6～3.0％，钒(V)0.06～6.0％，铌(Nb)0.22～4.0％，钼(Mo)0.0～7.0，碳(C)0.5～4.0，铬(Cr)1.0～8.0，其他元素0.1～3.0，其余为铁(Fe)。所用的主体设备为真空感应炉。工艺流程主要包括原料准备、入炉冶炼、铸造成型等三道工序。原料采用生铁或普碳钢，合金采用上述所配比成分元素的铁合金。生产工艺为将上述各种原料在真空感应炉内进行真空冶炼，当温度达到1620～1750℃，入炉原料全部熔化且成分均匀之后，冶炼出钢，铸锭成型。所生产的钢锭经检验80％晶粒度小于50nm。该工艺具有生产工艺简单，成本低等优点。但该工艺仅是利用目前国内外所广泛应用的微合金细化晶粒，通过合金元素抑制钢的晶粒长大原理进行制备的，尤其是利用铌(Nb)在金属结晶过程中所具有的能够抑制再结晶，提高材料的再结晶温度的性能进行制造的，所制造的钢锭仍然属于细晶粒钢范围，不能够称其为纳米合金钢。且该工艺是通过高纯净度金属液和微合金化相结合的方式，在钢内部形成一定的形核粒子，由于这些粒子几乎在固相线以下奥氏体中析出，所以对奥氏体本身的形核起不到形核核心作用，即对细化铸态晶粒没有作用，只能对后期热加工过程中的晶粒长大起钉扎阻碍作用，因而存在对钢液的纯净度要求高，所生产的合金钢的质量稳定性差，缺乏第二相粒子对晶粒的钉扎，质量难以保证，工艺可控性差，生产过程控制要求较高，控制难度大等缺陷。

目前，世界各国所发展的纳米复合材料多局限于聚合物材料中，而采用纳米粉体改性整体金属材料方面所做的工艺却比较少，这是因而对于金属材料基体而言，尚无特别好的分散方法对团聚状态的纳米粉体进行分散。金属基纳米复合材料的制备比聚合物基纳米复合材料要复杂和困难得多，其主要难点在于：(1)巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如何能将这些纳米单元体分散在金属基体中构成复合材料，使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体以充分发挥其纳米效应是合成金属基纳米复合材料必须解决的首要问题。然而迄今为止尚无十分有效的分散方法对团聚状态的纳米粉体在金属基体中进行分散；(2)为保证与纳米增强相能进行良好的复合，基体金属必须具有足够的流动性、成型性。但基体金属一般均具有较高的熔点，因此，金属基纳米复合材料在高温制备时势必会发生严重的界面反应、氧化等有害的化学反应。如何严格控制界面反应是制备高性能金属基纳米复合材料的又一关键所在；(3)金属基体与纳米第二相之间浸润性差，甚至不浸润，必须设法对纳米微粒进行适当的表面处理以改善与基体的浸润性；(4)凝固过程和界面问题。凝固过程由于增强体的存在而使基体金属的凝固过程变得更加复杂，现有的金属凝固理论显然并不适用，增强体的加入，其凝固过程中的温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。由于一般凝固过程都处于非平衡状态。因此流体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化，这都将对金属基复合材料的性能产生明显的影响。由于所存在的上述诸多关键因素，严重制约着金属基纳米复合材料的开发应用，致使目前国内外所开发的一些金属基纳米复合材料的制备工艺仍停留在实验阶段，使目前对于金属基一纳米复合材料的研究尚属空缺，至少还没有形成产品。

目前，纳米材料的应用还处于开始和探索阶段，虽然人们已用各种不同的方法制备出多种用途的纳米材料，但存在着制备费用过高、产量低等一些特点，阻碍着其在各方面领域的应用，特别是三维尺寸纳米材料的应用尚待进一步开发。然而作为一种很具发展前途的新型材料，纳米技术显示出方兴未艾的应用前景。因此，研究开发具有制备工艺简单，生产成本低的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备对实现实质上的纳米金属复合材料在工业上的应用，使金属基纳米复合材料以其优良的特性在新材料、冶金、自动化和航空航天等领域发挥更加巨大的作用具有重大的科学意义和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种将纳米颗粒添加到钢或有色金属基体中，纳米颗粒在基体金属中分布均匀，实现纳米颗粒与金属材料的有效复合，发挥纳米材料的奇异特性，从而制备出性能更加优异的新型高性能纳米颗粒增强超细晶粒钢材和有色金属材料，获得具有制备工艺简单，生产成本低，产品性能好的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺及设备。

解决其技术问题的设备方案是：该设备由纳米颗粒合成、扩散、混合设备和铸造成型设备二个***组成；其中纳米颗粒合成、扩散、混合设备采用高能搅拌球磨标准设备，铸造成型设备由熔铸成型和浇注成型设备***组成，熔铸成型设备由安装在工作台上的带有升降装置的立柱上的电极把持器，在电极把持器上安装有自耗电极或非自耗电极，并连接有正极电源，在电极把持器下面与自耗电极垂直处安装有水冷结晶器，水冷结晶器外部安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部或下部装有超声波振动器，在水冷结晶器内的上部两侧分别安装有高能脉冲电极，在水冷结晶器的下部连接有底水箱和底水箱升降装置，在底水箱上连接有负极电源，并与电极把持器上的正极电源组成电回路，在上述设备的外部安装有密封箱，在密封箱的外部连接有惰性气体罐和真空泵及控制阀设备；浇注成型设备由安装在浇注底板上的铸型，在铸型的外部安装有电磁搅拌器，在铸型的上部或下部装有超声波振动器，在铸型内的上部两侧分别安装有高能脉冲电极，在浇注底板的旁边安装有中注管，中注管的中心有浇注流道并与铸型底部的孔相连接，在中注管的上部连接有浇注包，在浇注包内盛有基体金属液，在浇注包内安装有塞棒设备组成。

水冷结晶器包括水箱和在水箱的底部连接有冷却水入口，顶部连接有冷却水出口，水箱的中心为一直通孔，电源为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整。

铸型材料采用黑色金属或耐火材料制造。

解决其技术问题所采用的工艺技术方案是：

1、纳米晶颗粒液混合粉体的制备：首先将从碳化物、氮化物、硼化物、氧化物纳米颗粒、纳米碳管一组元素中选择其中的一种或者多种元素与一定含量的从Cr₃C₂、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N和稀土氧化物的一组元素中选择其中的一种或者多种元素的晶粒抑制剂和相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，制备成含有纳米晶颗粒的预混合粉体；

或将Ti、V、Zr、Nb、B、W、Mo强碳化物、强氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合成碳化物、氮化物、硼化物的形成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需剂量的碳粉、含氮物体和一定剂量的Al粉、Cu粉、Fe₂O₃粉一组元素中选择其中的一种或者多种元素及相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，通过机械诱发自蔓延高温在球磨机内原位合成70～90％的纳米晶颗粒的预混合粉体；

为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护，将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末经钝化处理后，装入低碳钢薄壁钢管中密封抽真空；或将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末在压力机上进行压制成块，烘干；或将装有纳米颗粒的预混合粉体低碳钢薄壁钢管在轧机或拉拔机上轧制或拉拔成带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线；

2、基体金属的熔炼：启动金属熔炼炉，按所需基体金属成份配制相应数量的各种合金元素，并在基体金属合金成分中加入0.1～3％的Nb和0.1～5％的V、0.1～2％的Ti的金属晶粒细化和再结晶抑制剂，其中V和Ti可以只加入其中的任一种或二种同时加入或两种都不加入，将所熔炼好的基体金属液倒入工作台上的金属液体中间包内；

3、铸造成型：将倒入工作台上中间包内的所熔炼好的基体金属液浇铸成自耗电极，或直接将其用于铸型浇注；将所浇铸好的自耗电极安装在电极把持器上，同时将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管焊接在自耗电极上；

或将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线安装在电极把持器上；

或将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或纳米颗粒预混合粉末压制块，固定在铸型的中心，或在铸型内按照一定的间隔距离沿铸型的中心均匀分布固定；

将所需成份的液体熔渣倒入水冷结晶器内形成渣池，启动真空泵，将保护罩抽成真空或打开惰性气体泵，向保护罩内充入惰性保护气体，启动自耗电极电源，将安装在电极把持器上的已焊接好装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管的自耗电极***液态渣池内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管与自耗电极同时在渣池内熔化；

或将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线以一定的受控速度连续地***到渣池中，与基体金属自耗电极同时熔化；

或将安装在电极把持器上的一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线，***液态渣池内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线在渣池内熔化，熔化好的含有纳米增强颗粒的复合金属液滴经过熔渣的合成渣洗精炼后，下落到金属熔池内，启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在水冷结晶器内混合均匀，并在水冷结晶器的快速冷却下快速凝固和结晶成型，底水箱上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料，启动高能脉冲电源，通过高能脉冲电极对金属基复合材料结晶组织进行细化处理，如需生产大长度的纳米颗粒增强金属基复合材料，启动抽锭装置，使其向下移动，即可使生产连续进行，并制造出所需长度的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料；

或将冶炼好的基体金属液直接浇注到已按照要求固定好一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管或纳米颗粒预混合粉末压制块的铸型内；

或在浇注过程中将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线以一定的受控速度连续地加入到所浇注的基体金属液中；

启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在铸型内混合均匀，并在铸型内凝固和结晶成型，铸造成与铸型内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料，启动高能脉冲电源，通过高能脉冲电极对复合材料结晶组织进行细化处理，既可以得到具有良好结晶组织的纳米颗粒增强金属基复合材料。

水冷结晶器内的熔渣为一元物质或者多元物质所组成的渣系，成份由CaFe₂一元物质或由CaFe₂与Al₂O₃或MgO、MnO、CaO、TiO₂、RE、RExOy一组元素中选择的一种或者多种元素所组成的不少于二元物质的渣系；

金属基复合材料中的基体材料为任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金属、有色金属、金属间化合物；纳米增强颗粒的质量分数为复合材料重量的0.1％～60％；晶粒抑制剂的质量分数为复合材料重量的0.1％～2％或为预混合粉体重量的0.1％～5％；装载纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管尺寸为φ3mm～φ20mm，经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线的尺寸为φ3mm～φ10mm，基体金属粉末的质量分数为预混合粉体重量的1％～60％。

有益效果

由于采用了上述方案，在本发明中由于采用高能搅拌球磨机械合金化工艺，将纳米颗粒与一定量的基体金属粉末和晶粒抑制剂共同进行高能机械搅拌球磨和混合，从而使纳米颗粒与基体金属粉末和晶粒抑制剂在搅拌球磨和混合过程中大量的碰撞现象发生在球粉末与磨球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑性变形，使粉末反复的焊合和断裂。经过“微型锻造”作用，元素粉末实现均匀混合，晶粒尺度达到纳米级，比表面积大大增加。由于增加了反应的接触面积，缩短了扩散距离，元素粉末间能充分进行扩散，扩散速率对反应动力的限制减小，而且晶粒产生高密度缺陷，储备了大量的畸变能，使反应驱动力大大增加，可使互不相溶的合金元素或溶解度较低的合金粉末发生互扩散，形成具有一定溶解度或较大溶解度的超饱和固溶体和非晶相，从而使粉体在混合过程中实现纳米化和合成纳米化合物，实现纳米颗粒在基体金属和晶粒抑制剂中的均匀分布。由于在混合过程中加入了一定量的基体金属粉末和晶粒抑制剂，从而解决了纳米颗粒的团聚和分散技术难题，而且生产效率高，制备成本低。

由于纳米晶粒活性很大，在铸造过程中极易长大，因此，采用在纳米预混合粉体中添加晶粒抑制剂，从可以在一定程度上抑制晶粒的进一步长大。同时，为解决基体金属的晶粒长和再结晶，在基体金属中采用添加晶粒细化和再结晶抑制剂，使其在基体金属结晶过程中在金属内部形成一定的形核粒子，由于这些粒子几乎在固相线以下奥氏体中析出，从而能够对基体金属的晶粒进行细化和抑制再结晶，提高材料的再结晶温度，对后期热加工过程中的晶粒长大起钉扎阻碍作用，提高金属材料的使用温度。通过纳米颗粒的加入，细化了金属的晶粒组织，实现了第二相超细粒子对金属晶粒的钉扎作用，提高了金属材料的组织稳定性和塑性稳定性，可应用于工具、模具行业和金属耐磨材料行业，扩大了金属复合材料的应用范围。

由于纳米颗粒与金属熔体的润滑性差及本身具有的表面效应和高的活性，加入到熔体中的纳米颗粒常聚集成团，采用传统的机械搅拌使其在熔体中均匀分散是非常困难的，高能超声波在熔体介质中会产生周期性的应力和声压，并由此会导致许多非线性效应，如声空化和声流效应等。高能超声的这些效应可在极短时间内(数十秒)显著改善微细颗粒与熔体的润湿性，并迫使其在熔体中均匀分散。当金属熔体在旋转磁场中凝固时，其内部会产生涡流，这种涡流和磁场的相互作用会在金属内部产生一种扭矩，形成对金属熔体的切向剪切力，当这种剪切力大到一定值时，即切应变达到枝晶碎断值时，就能有力地抑制或碎断沿径向长大的树枝晶，同时也破坏了熔体中原子团的有序排列，抑制原子团的团聚，使熔体形成更多的形核质心。同时由于切向速度的存在，则对单位熔体产生离心力，这种离心力的存在，不断使熔体处于向外扩展的趋势。这样，一方面是各流团之间产生“松弛力”，使熔体难以形成大的原子团簇，同时也拉断或切断已形成的枝晶，亦即使熔体中存在更多的细小的形核质心。另一方面，由于处于最外层的金属熔体在离心时受到结晶器或铸型的阻挡，导致反冲，向内运动，内层熔体紧随向外冲击，这样层层挤压，使熔体不断冲刷，混合均匀，并且这种冲刷混合，同时加大熔体“涡流化”，使各流团之间产生反复的粘性摩擦阻力，从而有利于抑制和碎断沿径向和横向枝晶。再者，由于各流团之间的“松弛”以及整个熔体中紊流，增大了熔体热扩散率，可以起到快速消散过热的作用。特别是紊流会造成温度波动，如果波动的幅度较大，则晶粒平均生长速度降低，而且使固液界面移动前会出现周期性的重熔现象。枝晶端部液态紊流所造成的热脉动的升高，会使枝晶臂熔断，并且将断臂带入液态中去，使液体中晶粒倍增，而且趋于均匀分布，从而细化晶粒，推动柱状晶向等轴晶转变。旋转磁场的强烈搅拌作用，加速了熔体的散热，加速了合金的凝固，从而使结晶温度区间明显缩小。由于高能超声与电磁搅拌所具有的上述性能，因此，本发明将高能超声处理与电磁搅拌进行相互结合，从而使纳米颗粒铸造成形过程中，实现了纳米颗粒在熔体中的均匀弥散分布。为防止铸造过程中，纳米颗粒的晶粒长大，本发明采用水冷结晶器对熔体进行快速冷却结晶，可有效地控制纳米晶粒和熔体晶粒的长大，使所制备的复合材料具有高的致密度和细的结晶组织，从而实现了纳米颗粒增强金属基复合材料的的制备。

为提高复合材料的纯净度，在本发明中，采用电渣精炼技术对熔体进行精炼，从而获得了具有高纯净度的纳米颗粒增强金属基复合材料。

使用本发明生产纳米颗粒增强金属基复合材料时，具有生产工艺简单、生产效率高、生产成本低、产品性能和质量好，工艺易于控制。外加的纳米增强体与基体金属混合液在高温渣液中经二次高温精炼，外加的纳米增强体材料表面产生熔融，使二相材料达到了完全冶金结合。产品的外形尺寸不受工艺限制，可以制造大尺寸的纳米颗粒增强金属基复合材料，而且所制备的复合材料具有良好的耐热变形能力，在后续的加工中，可以采用各种热加工工艺进行。

采用本发明的工艺，可以根据不同的使用工况，灵活的选择各种基体金属和各种性能的纳米颗粒进行结合制造，从而满足各种应用领域的要求。本发明所制备的纳米颗粒增强金属基复合材料可以应用于工业、农业、国防和航空和航天等各领域，具有适用范围广，使用性能好，性价比高，经济效益和社会效益、环境效益显著，具有良好的应用和推广前景。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构图。

图2为本发明第二实施例的结构图。

图3为本发明第三实施例的结构图。

图4为本发明第四实施例的结构图。

具体实施方式

实施例1：在图1中，设备由纳米颗粒合成、扩散、混合设备和铸造成型设备二个***组成，其中纳米颗粒合成、扩散、混合设备采用高能搅拌球磨标准设备，铸造成型设备正极电源1、电极把持器2、自耗电极3、装有预混合纳米粉体16的低碳钢薄壁密封钢管4或带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线4、渣池5、出水管6、含有纳米颗粒增强的金属基复合材料7、电磁搅拌器8、底水箱9、负极电源10、高能脉冲电极11、高能脉冲电源12、金属熔池13、水冷结晶器14、进水管15、纳米颗粒预混合粉体16、超声波振动器17、抽锭装置18组成。

1、纳米晶颗粒液混合粉体的制备：首先将从碳化物、氮化物、硼化物、氧化物纳米颗粒、纳米碳管一组元素中选择其中的一种或者多种元素与一定含量的从Cr3C2、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N和稀土氧化物的一组元素中选择其中的一种或者多种元素的晶粒抑制剂和相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，制备成含有纳米晶颗粒的预混合粉体16；或将Ti、V、Zr、Nb、B、W、Mo强碳化物、强氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合成碳化物、氮化物、硼化物的形成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需剂量的碳粉、含氮物体和一定剂量的Al粉、Cu粉、Fe2O3粉一组元素中选择其中的一种或者多种元素及相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，通过机械诱发自蔓延高温在球磨机内原位合成70～90％的纳米晶颗粒的预混合粉体16，为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护，将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末经钝化处理后，装入低碳钢薄壁钢管4中密封抽真空；或将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末在压力机上进行压制成块4，烘干；或将装有纳米颗粒的预混合粉体16低碳钢薄壁钢管4在轧机或拉拔机上轧制或拉拔成带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线4；

2、基体金属的熔炼：启动金属熔炼炉，按所需基体金属成份配制相应数量的各种合金元素，并在基体金属合金成分中加入0.1～3％的Nb和0.1～5的V％、0.1～2的Ti％的金属晶粒细化和再结晶抑制剂，其中V和Ti可以只加入其中的任一种或二种同时加入或两种都不加入，将所熔炼好的基体金属液倒入工作台上的金属液体中间包内；

3、铸造成型：将倒入工作台上中间包内的所熔炼好的基体金属液浇铸成自耗电极3，将所浇铸好的自耗电极3安装在电极把持器2上，同时将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁钢管4焊接在自耗电极3上；或将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁钢管4或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4安装在电极把持器2上；将所需成份的液体熔渣倒入水冷结晶器内形成渣池5，启动自耗电极电源1和10，将安装在电极把持器2上的已焊接好装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁密封钢管4的自耗电极3***液态渣池5内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁密封钢管4与自耗电极3同时在渣池5内熔化，或将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4以一定的受控速度连续地***到渣池5中，与基体金属自耗电极3同时熔化，或将安装在电极把持器2上的一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁钢管4或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4，***液态渣池内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁钢管4或带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4在渣池内5熔化，熔化好的含有纳米增强颗粒的复合金属液滴经过熔渣的合成渣洗精炼后，下落到金属熔池13内，启动电磁搅拌器8和超声波振动器17，使二相材料在水冷结晶器14内混合均匀，并在水冷结晶器14的快速冷却下快速凝固和结晶成型，底水箱9上即得到与水冷结晶器14内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料7，启动高能脉冲电源12，通过高能脉冲电极11对金属基复合材料7结晶组织进行细化处理，如需生产大长度的纳米颗粒增强金属基复合材料7，启动抽锭装置18，使其向下移动，即可使生产连续进行，并制造出所需长度的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料7；

水冷结晶器14内的熔渣4为一元物质或者多元物质所组成的渣系，成份由CaFe2一元物质或由CaFe2与Al2O3或MgO、MnO、CaO、TiO2、RE、RExOy一组元素中选择的一种或者多种元素所组成的不少于二元物质的渣系；金属基复合材料7中的基体材料为任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金属、有色金、金属间化合物；纳米增强颗粒的质量分数为复合材料7重量的0.1％～60％；晶粒抑制剂的质量分数为复合材料7重量的0.1％～2％或为预混合粉体16重量的0.1％～5％；装载纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁钢管4尺寸为φ3mm～φ20mm，经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4的尺寸为φ3mm～φ10mm，基体金属粉末的质量分数为预混合粉体重量的1％～60％。

实施例2：在图2中，铸造成型设备为浇注浇注成型设备***，浇注成型设备由安装在浇注底板24上的金属铸型23，在铸型23的外部安装有电磁搅拌器8，在铸型23的上部或下部装有超声波振动器17，在铸型23内的上部两侧分别安装有高能脉冲电极11和连接电源12，在浇注底板24的旁边安装有中注管26，中注管26的中心有浇注流道25并与铸型23底部的孔相连，在中注管26的上部连接有浇注包29，在浇注包29内盛有基体金属液28，在浇注包29内安装有塞棒设备27组成，铸型材料为黑色金属金属材料。

工作开始时，将已制备好的一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁密封钢管4或纳米颗粒预混合粉末16的压制块4固定在铸型23的中心，或在铸型23内按照一定的间隔距离沿铸型23的中心均匀分布固定，打开浇注包29内的塞棒27，将冶炼好的基体金属液28通过中注管26浇注流道25和铸型23底部的孔直接浇注到铸型23内，或在浇注过程中将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4以一定的受控速度连续地加入到所浇注的基体金属液28中，启动电磁搅拌器8和超声波振动器17，使二相材料在铸型23内混合均匀，并在铸型23内凝固和结晶成型，铸造成与铸型23内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料7，启动高能脉冲电源12，通过高能脉冲电极11对纳米颗粒增强金属基复合材料7结晶组织进行细化处理，既可以得到具有良好结晶组织的纳米颗粒增强的金属基复合材料7。

其它工艺过程及设备与实施例1同，略。

实施例3：在图3中，与实施例2不同点在于浇注成型设备组成由铸型22，在铸型22的外部安装有电磁搅拌器8，在铸型22的上部装有超声波振动器17，超声波振动器电源21，在铸型22内的中部两侧分别安装有高能脉冲电极11和连接电源12，在铸型22的的上部有浇注包19，在浇注包19内盛有基体金属液20。铸型22的材料由耐火材料或黑色金属金属材料制造。

工作开始时，将已制备好的一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末16的低碳钢薄壁密封钢管4或纳米颗粒预混合粉末16的压制块4固定在铸型22的中心，或在铸型22内按照一定的间隔距离沿铸型22的中心均匀分布固定，将冶炼好的基体金属液20直接浇注到铸型22内，或在浇注过程中将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末16的带芯合金线4以一定的受控速度连续地加入到所浇注的基体金属液20中，启动电磁搅拌器8和超声波振动器17，使二相材料在铸型22内混合均匀，并在铸型22内凝固和结晶成型，铸造成与铸型22内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料7，启动高能脉冲电源12，通过高能脉冲电极11对纳米颗粒增强金属基复合材料7结晶组织进行细化处理，既可以得到具有良好结晶组织的纳米颗粒增强的金属基复合材料7。

其它工艺过程及设备与实施例1和2同，略。

实施例4：在图4中，在铸造成型设备外部连接有密封箱31，在密封箱31上通过管道与惰性气体罐30连接，在惰性气体罐30与密封箱31的中间连接有充气控制阀29，通过控制阀29控制其向密封箱31内充入惰性气体的流量，密封箱31通过管道与真空泵32连接，从而对密封箱31进行抽真空。

工作时，首先启动真空泵32对设备进行抽真空，这时设备处在真空状态下工作；或者在设备抽真空后打开阀门29，向设备内充入惰性气体，使其在低压惰性气体保护状态下或真空状态下进行生产，以减少有害气体进入纳米颗粒增强金属基复合材料内，同时防止金属液体和易氧化合金材料的氧化，提高产品质量。其它工艺过程和设备与实施例1，略。

Claims (7)

1.一种纳米颗粒增强金属基复合材料的制备工艺，其特征是：1)纳米晶颗粒液混合粉体的制备；2)基体金属的熔炼；3)铸造成型；具体步骤如下：

(1)纳米晶颗粒液混合粉体的制备：首先将从碳化物、氮化物、硼化物、氧化物纳米颗粒、纳米碳管一组元素中选择其中的一种或者多种元素与一定含量的从Cr₃C₂、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N和稀土氧化物的一组元素中选择其中的一种或者多种元素的晶粒抑制剂和相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，制备成含有纳米晶颗粒的预混合粉体；

或将Ti、V、Zr、Nb、B、W、Mo强碳化物、强氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合成碳化物、氮化物、硼化物的形成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需剂量的碳粉、含氮物体和一定剂量的Al粉、Cu粉、Fe₂O₃粉一组元素中选择其中的一种或者多种元素及相应成分的基体金属粉末一齐混合后放在高能搅拌球磨机内进行高能球磨，通过机械诱发自蔓延高温在球磨机内原位合成70～90％的纳米晶颗粒的预混合粉体；

为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护，将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末经钝化处理后，装入低碳钢薄壁钢管中密封抽真空或将球磨好的含有纳米颗粒的预混合粉末在压力机上进行压制成块，烘干；或将装有纳米颗粒的预混合粉体低碳钢薄壁钢管在轧机或拉拔机上轧制或拉拔成带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线；

(2)基体金属的熔炼：启动金属熔炼炉，按所需基体金属成份配制相应数量的各种合金元素，并在基体金属合金成分中加入0.1～3％的Nb和0.1～5％的V、0.1～2％的Ti的金属晶粒细化和再结晶抑制剂，其中V和Ti可以只加入其中的任一种或二种同时加入或两种都不加入，将所熔炼好的基体金属液倒入工作台上的金属液体中间包内；

(3)铸造成型：将倒入工作台上中间包内的所熔炼好的基体金属液浇铸成自耗电极，或直接将其用于铸型浇注；将所浇铸好的自耗电极安装在电极把持器上，同时将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管焊接在自耗电极上；

或将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线安装在电极把持器上；

或将一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或纳米颗粒预混合粉末压制块，固定在铸型的中心，或在铸型内按照一定的间隔距离沿铸型的中心均匀分布固定；

将所需成份的液体熔渣倒入水冷结晶器内形成渣池，启动真空泵，将保护罩抽成真空或打开惰性气体泵，向保护罩内充入惰性保护气体，启动自耗电极电源，将安装在电极把持器上的已焊接好装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管的自耗电极***液态渣池内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管与自耗电极同时在渣池内熔化；

或将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线以一定的受控速度连续地***到渣池中，与基体金属自耗电极同时熔化；

或将安装在电极把持器上的一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或一根或多根带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线，***液态渣池内进行熔铸，使装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管或带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线在渣池内熔化；

熔化好的含有纳米增强颗粒的复合金属液滴经过熔渣的合成渣洗精炼后，下落到金属熔池内，启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在水冷结晶器内混合均匀，并在水冷结晶器的快速冷却下快速凝固和结晶成型，底水箱上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料，启动高能脉冲电源，通过高能脉冲电极对金属基复合材料结晶组织进行细化处理，如需生产大长度的纳米颗粒增强金属基复合材料，启动抽锭装置，使其向下移动，即可使生产连续进行，并制造出所需长度的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料；

或将冶炼好的基体金属液直接浇注到已按照要求固定好一根或多根装有纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁密封钢管或纳米颗粒预混合粉末压制块的铸型内；

或在浇注过程中将经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线以一定的受控速度连续地加入到所浇注的基体金属液中；

启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在铸型内混合均匀，并在铸型内凝固和结晶成型，铸造成与铸型内腔形状相同的含有纳米颗粒增强的金属基复合材料，启动高能脉冲电源，通过高能脉冲电极对复合材料结晶组织进行细化处理，既可以得到具有良好结晶组织的纳米颗粒增强金属基复合材料；

所述的水冷结晶器内的熔渣为一元物质或者多元物质所组成的渣系，成份由CaFe₂一元物质或由CaFe₂与Al₂O₃或MgO、MnO、CaO、TiO₂、RE、RExOy一组元素中选择的一种或者多种元素所组成的不少于二元物质的渣系；

金属基复合材料中的基体材料为任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金属、有色金属、金属间化合物；纳米增强颗粒的质量分数为复合材料重量的0.1％～60％；晶粒抑制剂的质量分数为复合材料重量的0.1％～2％或为预混合粉体重量的0.1％～5％；装载纳米颗粒预混合粉末的低碳钢薄壁钢管尺寸为φ3mm～φ20mm，经轧制或拉拔制成的带有纳米颗粒预混合粉末的带芯合金线的尺寸为φ3mm～φ10mm，基体金属粉末的质量分数为预混合粉体重量的1％～60％。

2.一种实现纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：该设备由纳米颗粒合成、扩散、混合设备和铸造成型设备二个***组成；铸造成型设备由熔铸成型和浇注成型设备***组成，熔铸成型设备由安装在工作台上的带有升降装置的立柱上的电极把持器，在电极把持器上安装有自耗电极或非自耗电极，并连接有正极电源，在电极把持器下面与自耗电极垂直处安装有水冷结晶器，水冷结晶器外部安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部或下部装有超声波振动器，在水冷结晶器内的上部两侧分别安装有高能脉冲电极，在水冷结晶器的下部连接有底水箱和底水箱升降装置，在底水箱上连接有负极电源，并与电极把持器上的正极电源组成电回路。

3.根据权利要求2所述的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：浇注成型设备由安装在浇注底板上的铸型，在铸型的外部安装有电磁搅拌器，在铸型的上部或下部装有超声波振动器，在铸型内的上部两侧分别安装有高能脉冲电极，在浇注底板的旁边安装有中注管，中注管的中心有浇注流道并与铸型底部的孔相连接，在中注管的上部连接有浇注包，在浇注包内盛有基体金属液，在浇注包内安装有塞棒。

4.根据权利要求2所述的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：熔铸成型设备的外部安装有密封箱，在密封箱的外部连接有惰性气体罐和真空泵及控制阀设备；

5.根据权利要求2所述的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：纳米颗粒合成、扩散、混合设备采用高能搅拌球磨标准设备。

6.根据权利要求2所述的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：水冷结晶器包括水箱和在水箱的底部连接有冷却水入口，顶部连接有冷却水出口，水箱的中心为一直通孔，电源为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整。

7.根据权利要求3所述的纳米颗粒增强金属基复合材料制备工艺的设备，其特征是：铸型材料采用黑色金属或耐火材料制造。

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