CN1062769A - 制造金属基复合材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

制造复合材料的方法，包括把磨成粉粒的添加剂 颗粒夹带在电离的惰性气体流中，电离惰性气体、用 电离气体产生的热把固体颗粒加热到低于由于熔化、 升华或分解使固体颗粒成为非固态的温度。然后，把 所述的气体流和所夹带的加热了的固体颗粒喷射到 金属液中，形成细散固体颗粒与金属液的混合物，然 后在金属液和固体颗粒的混合物中造成物理搅动使 固体颗粒均匀分布在金属液中，这种物理搅动要持续 到固体颗粒金属液的混合物完全凝固为止。

Description

本发明涉及冶金领域，更具体地是涉及制造分布着很细颗粒的铸造基体金属材料的方法，这些颗粒可以是陶瓷、金属、合金、金属间化合物、碳化物、氮化物、硼化物和其它可以提高基体金属性能的物质。

飞机、船舶、汽车制造工业和一些其它工业的发展需要具有更好的加工性能及使用性能的新材料。

现有技术是通过把基体金属与添加的组分熔化成液态，在能够保证各种组分完全熔化及相互溶解的整个***的温度下进行熔炼来生产金属结构材料（合金）（图2a）。

在合金液冷却与凝固时，随着温度的降低，合金组分的溶解度极大地降低。对某一合金***及组分，在特定温度下，从均匀的合金液中沉淀出固相并长大，这些固相是以合金组分的晶体形式，或者，更经常地以合金组分的化合物（金属间化合物相）的晶体的形式沉淀的固相（图2b、c）。在进一步冷却时，其余的合金液以合金组分在基体金属中以固溶体的形式结晶（图2d）。具有与本体合金（基体）的晶格和性能不同的金属间化合物相强烈地影响着整个合金***的性能。

在合金结晶的过程中沉淀出的金属间化合物相的尺寸不应超过1微米，否则由于降低了延性和强度极大地损害了合金的质量。

在固态下，金属和非金属在金属基体中的溶解是极其有限的，这一因素说明了商用合金的选择面很窄，通过改变成分来提高商用结构合金的性能实际已达到了极限。已经发展了一种新型的结构材料，在其中含有能使整个合金***达到要求的性能的人为加入的氧化物、碳化物和其它化合物的颗粒或纤维。由于这些金属***的组分并不像普通的合金那样从基体金属中沉淀出来，而是人工地加进合金***中的，所以这种材料称为复合材料。虽然在熔炼合金时有时也会自然生成这种材料，但是所有已知的带有加入颗粒并且其性能与基体明显不同的合金基本上都是复合材料。

人工合成或自生的复合材料所代表的金属材料性能如下：

-材料的延性取决于基体的塑性流动的能力（通常是在基体合金中组分的固溶体的塑性流动的能力）以及在基体中的金属间化合物和其它夹杂物的尺寸和晶系（晶体结构）;

-强度、耐热性、疲劳强度和抗裂纹扩展的能力取决于夹杂物与基体的相互作用以及在夹杂物作用下的基体晶格畸变。

-材料的硬度、耐磨性、摩擦特性取决于夹杂物的性质;

-材料的弹性模量、线膨胀系数、比重（密度）取决于基体和夹杂物的一系列性能;

因此，为了发展具有预定的兼有工艺性能及使用性能的新型金属材料，在理论上可以通过选择每一金属***的最佳组分，也就是选择其性质和相互作用可决定整个复合材料***的性能的基体和夹杂物来达到。

金属***的基体的选择取决于材料所要求的使用性能以及基体（钢、铝、铜、镁、镍等）的性能水平。

实施制造结构金属材料的技术的主要困难是如何把能在基体中热力学稳定及热稳定的、只有几毫微米到几微米的化合物的超细颗粒的组分喷射到合金结构中。

在自生的复合金属材料（也就是复杂合金）的生产中，上述问题通过快速冷却均质的合金液来使颗粒（金属间化合物）从基体金属中的合金组分的饱和固溶体中沉淀出来加以解决。所需的冷速实际上只有在比较少量的合金液的情况下才能达到。在实贱中，通过首先用物理方法使合金液分散然后在冷却介质中冷却细小合金液滴来提供这种快速冷却。这就要求采用昂贵的干燥、除气和压实颗粒（细粒）的操作来制成粉粒。因此在工业上采用制粒技术来生产新型合金的工艺还没有广泛地使用。

把超细颗粒引入金属液中的困难在于两方面。首先，由于超细颗粒（千分之几微米或更小的尺寸）缺乏流动性，当把它们喷射到金属液中时很难计量，有时甚至不可能计量。第二，由于在同金属液接触时，颗粒表面吸附氧，而在颗粒表面的基体金属的氧化物阻碍颗粒与金属液的润湿。这个问题在把颗粒喷射到与氧有高的亲和力的金属（铝、镁等）液时特别突出。上述因素也阻碍着通过把颗粒-晶核注入金属液中作为对合金的直接变质处理的技术的实施，妨碍喷射入粉末状合金组分来使金属液合金化，并阻碍着在合金生产中特别在铝-硅***的合金生产中合金材料（例如硅）的粉状废料的应用。

所提出的技术以及实行这一技术的装置的一个最重要的特点是可以把掺入物（在生产复合材料时）或结构成分（在生产合金时）的细颗粒喷射到金属液中，按照图3的示意图形成合金结构。

将所要的掺入物颗粒喷射到没有该组分原子的基体中（图3a）。当结构组分（A_xB_y）和合金组分B在基体A中的溶解达到***平衡时，加入基体中的颗粒在合适的温度下分散到饱和状态的浓度，并且尺寸减小，这方法是很好控制的，并且允许生产具有溶解度有限的预定成分的合金。

在“铸造的金属-陶瓷颗粒复合材料的凝固、结构和性能”（Rohatgi  P.K，Asthana  R.，Das  S.-Inst.Metal  Rev，-1986-vol  31，N3-pp15-139）阐述了生产铸造复合材料的一个方法的主要步骤，包括：

-生产基体金属液;

-把固体颗粒均匀分布在金属液中;

-使合成的复合材料结晶。

在现有技术中已经用下列的方法把超细颗粒注入到合金液中，如在“铸造铝-石墨颗粒复合材料-一种潜在的工程材料”（Rohatgi  P.K.，Das  S.Dan  T.K.-J.Inst.Eng.，-March，1989-Vol  67，N2-pp77-83）中所说明的方法，包括：

-机械搅拌金属液及加入的颗粒;

-把制成粉末状的基体金属和增强颗粒混合成的粉粒压实，接着把颗粒料***金属液中并进行机械搅拌;和

-用超声幅射法使颗粒分散在金属液中。

在生产铸造金属基体复合材料时遇到的问题是增强的掺入料颗粒与基体金属液之间缺乏润湿性或润湿性低，和由于基体和掺入料之间的密度差大而造成铸造材料的不均匀性。

在“石墨与液态铝的润湿性和合金化元素对润湿性的影响”（Choh  Takao，Kemmel  Roland，Oki  Takeo-Z.Metallklunde-1987-Vol  78  N4-pp286-290）中论述了提高增强掺入料颗粒与基体金属之间的结合强度的若干工艺方法，这些方法是：

-把对金属有亲和力的涂层涂复在增强掺入料颗粒的表面上;

-把表面活性剂加到基体金属液中;

-提高熔化温度。

还有一种已知的生产复合材料的方法（日本专利申请号56-141960，申请日1980，4，8和专利号55-45955公开日：1981，11，05）建议使用与各种金属材料能充分相容的直径为150微米的天然空心的细球以及石墨粉、TiB₂、氮化铝和氧化铝作为掺入料，再加入0.05～5.0%（重量）的薄片状石墨和金属钙到金属液中以保证材料的均匀性。

这一方法的缺点是必须把可溶解在液态基体金属中但实际上不可溶在固态基体中，并且会与基体形成一种脆性的共晶组分的元素（钙）加入到金属液中去，这就导致基体及复合材料本身的机械性能的降低。此外，使用上述尺寸（150微米）的空心细球作为掺入料并不改善机械性能的绝对值，而只能对每单位质量的相对值有一些改善。

与本发明相关的现有技术（Met.Trans，1978，V9，N3，pp383-388）是使用熔融基体金属-Mg、Al、Fe、Ni、Cr、Co中加入尺寸为0.01-10微米的不溶性氧化物颗粒（Al₂O₃、BeO、CaO、CeO₂、TiO₂、MgO、ThO₂、VO₂、ZrO₂）和Nb、Ta、Hf、Ti、Zr的碳化物、硼化物和氮化物来制造复合材料。颗粒以粉末或细纤维状加入。为了保证颗粒在金属液中均匀地分布，将它们在予热过的惰性气体（Ar，He）流中喷射入，同时强烈搅拌基体金属液。颗粒的体积百分比的范围是0.5%到20%。另外，把一种能改善颗粒-金属液的界面间的表面活性的元素加入到金属液中。注入表面活性金属（Mg，Si，Ti，Zr，V，Nb）确保在氧化物上形成一种能显著提高***湿润性的亲金属的外皮，并且在30分钟内不会发生偏析。

上述的方法有下面的缺点：

1.由于需要喷射入表面活性金属，而在很多情况下这类元素会导致所得到的复合材料的工艺性能及机械性能降低，因此得到的基体金属液的化学成分是有限的。

2.在凝固过程中没有搅拌，特别对于凝固时间长的情况，将促使形成偏析和层状区域结构，因此降低了所获复合材料的质量;

3.增强颗粒的不可溶性排除了采用这种方法来生产具有以那些元素或其化合物的超细颗粒来增强的基体的各种材料的可能性，而那些元素在传统上是通过基体金属与合金化元素共同结晶随后进行热-机械加工来生产的那类材料的强化元素。

本发明的目的是通过提高增强掺入料颗粒分散的均匀性和它们基体金属的结合强度来改善复合材料的质量，并能广泛使用陶瓷颗粒、金属和包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等的金属间化合物、石墨和玻璃来提供多种复合材料。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种制造复合材料的方法，包括以下步骤：把磨成粉末的固体添加剂颗粒夹带在惰性气体中，这些颗粒可以是陶瓷、金属、包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物的金属间化合物、石墨、玻璃;电离惰性气体以把固体颗粒加热到低于因熔化、升华或分解使颗粒成为非固态的温度、但是高于该颗粒熔点的一半的温度;把电离的夹带气体和夹带了已加热的固体颗粒的流喷射到金属液中，同时使金属液保持充分搅动来促使和保持加入颗粒的分散，在复合材料凝固的同时使含固体颗粒的金属液中保持搅动直到完全凝固为止。

下面通过附图来详细说明本发明，附图中：

图1、4和5示出实施本发明的各种实施例的装置;

图2和3示出在形成合金过程中发生的冶金状态。

在本发明的实践中，基体金属液可以是铝、铁、铜、镁、镍、钴、和铬。合适的基体金属是上述金属的合金（其中它们是主要成分），例如含镁高到40%（重量）的铝合金、钢、铸铁和可锻铸铁等。镁、铜、镍、钛和它们的合金也适合用作基体金属。

增强用的掺入料颗粒很细，平均尺寸为1至100微米。颗粒可以是不与基体形成化合物的金属（如硅加入铝中）;金属间化物（如TiAl₃，ZrAl₃，FeAl₃，Fe₂Al₅，CrAl₇，CrAl₃，NiAl₃，Co₂Al₉，ScAl₃）;碳化物（如SiC，TiC，WC，NbC，Fe₃C）;氮化物（如ZrO₂，Al₂O₃，TiO₂，B₂O₃）和其它的陶瓷材料（如蓝宝石，玻璃，石墨和碳氮化物）。还可以用在金属弥散强化中常用的其他颗粒材料，只要这些材料在本工艺的各工序中能保持足够的热力学稳定性。

在本发明中使用的夹带惰性气体最好是氩或氦，尽管其它惰性气体也可以使用。惰性气体被电离，夹带的颗粒在喷射到金属液中以前在电离的惰性气体中预热到低于颗粒熔化、升华或分解的高温;也就是，在可能的情况下加热到大约为0.9的熔点、升华温度或者分解温度。在更高的温度下，颗粒或者会聚集而在金属液中生成不希望有的大颗粒，或者导致颗粒成分与要求的成分不一样。或者使在金属液中所要求的颗粒的量大大损耗。在颗粒的温度低于0.5的熔点（或升华温度或分解温度）时，则制成的复合材料产品的强度、硬度、结构均匀性、分散颗粒的均匀性和均质性都没有提高。

预热颗粒的温度区间用试验确定，其根据就是能对各相间的相互作用提供必要的和足够程度的活化作用，从而保证通过在金属液表面的基体流中的颗粒的离子腐蚀及***过程中从颗粒的表面除去吸附的氧而使颗粒和基体金属之间保持强有力的结合。

对具体的颗粒材料适用的温度范围可以从手册之类公开的温度数据查到或用Agema公司等生产的精度为±1℃的高温测定装置来确定。但是，建立基本条件通常是更为方便的，特别当使用金属间化合物之类的颗粒并且不能很方便地查到公开的数据的时候。例如，在制造复合材料前，对预热阶段用的气体电离装置制定一个试验程序，对于一具体的装入颗粒和气体流，在电离气体中颗粒的驻留时间增加到刚好能观察到颗粒熔化（升华或者分解）的温度，然后稍微降低以避免熔化，等。那么这些过程的条件就是0.9熔化温度。在颗粒发生熔化的驻留时间的一半将相应于0.5熔点。遵照技术人员都熟知的原理，通过调节气体流和颗粒装载量，可同样地确定经验的时间间隔。

下面的表A列出了本发明选用的特别有效的颗粒材料，表中也列出了加入颗粒的温度范围，并列举了典型适用的基体金属成分。

表A

颗粒  颗粒尺寸  加入的温度范围  基体金属液

（成分）（微米）  （℃）

SiC  5-50  1100-2000  铝

铝合金

Al-4%Cu-1.5%Mg

-0.5%Mn

铁

TiAl₃1-10 670-1200 铝

铝合金

Al-4%Cu-1.5%Mg

TiB₂5-10 1400-2500 铝，铝基合金

Si₃N₄1-5 950-1710 铜，镍

石墨  5-50  1800-3240  Al-12%Si

在本发明中，可以加入大约0.5%（重量）到25%（重量）的掺入料到基体金属熔池中，要加入具体的颗粒材料及其量按照技术上已知的观点来确定，以达到硬度、强度、延性和弹性等机械性能特别的提高或它们的综合。

表B示出了典型的颗粒含量和成分基体材料以及机械性能的提高情况。

表B

颗粒  加入量  基体金属  提高的性能

（成分）  （重量%）  （成分）

1.sic  10  Al  Rm＝200MPa，E＝120

(KN)/(MM²) ，

(K₁)/(K₂) =9

2.ZrAl₃+Cr Al₃1+1 Al

TiAl₃15 Al

式中：Rm-瞬时拉伸强度

Ra-屈服应力

E-弹性模量

K-线性磨损率

S-颗粒在基体中的比密度

1，2，3-用在铝基复合材料，铝和Al-10%Ti上的指数

在本发明的实践中，很重要的一点是通过从加入固体颗粒的开始就使基体金属液受到物理搅动（例如，使之经受连续的搅拌力），一直持续到铸造及铸造金属的凝固完成为止。开始，基体金属液处在物理搅动中，也就是在坩埚型容器中，搅拌力通过对本专业普通技术人员熟知的非干涉接触的磁性装置加到基体金属熔池中。在本工艺的该阶段，也可用已知类型浆叶的机械搅拌。搅拌程度应当足够有力，例如应当可以观察到熔池的连续旋动，以保证加入的颗粒均匀地分散，在一定的时间间隔中可取出试样进行这项测定。当含颗粒的基体金属准备好用来浇注时，材料直接浇入到一个合适的铸模中，并且使铸模中的熔融材料保持物理搅动，最好为振动，在铸模的外面施加超声振动，这样在金属液中保持振动直到铸模中的金属完全凝固。施加超声能量来提供物理搅动应该有足够的强度来保持在坩埚中已达到的均匀性，但是不应该导致金属液有明显可见的运动。

在本发明的实践中，夹带固体颗粒的电离惰性气体流喷射到基体金属熔池中使得固体颗粒能进入熔池中的深度至少为5cm，例如约10%的熔池深度。

在液相体积从100%变化到0%，也就是完全凝固的过程中连续搅拌是本发明的一个前提，从而确保在上述各步骤中增强材料在基体中的均匀分布并提高颗粒-熔体界面的润湿性。在制造复合材料的液-固态的任何阶段缺乏搅拌都将导致减弱基体金属和颗粒之间的表面接触，而形成不希望有的层状结构、偏析以及化学和组织的不均匀性。

增强颗粒在基体熔体中的热力学稳定性抑制着它们与基体金属的化学作用和不希望有的非控制尺寸和形状的化合物的形成，这样就保证了（与现有技术相反）通过熔炼基体金属制成含超细颗粒增强的合金，然后进行共同的结晶和热处理，从而制造出含有预定含量、预定尺寸和形状的强化相的“金属-金属间化合物（金属）”复合材料。

参见图1，用石墨适宜地制成的坩埚（10），内含基体金属例如铝的熔池（1），该金属熔池（1）被一个普通的磁感应器（4）搅拌使熔池（1）发生物理搅动，熔池最好能强烈地旋动（如图1所示。坩埚（10）设置有一保护盖（15），在盖中***一个伸长的电离室（2）。惰性气体例如氩可控制地从管道（8）送入电离室（2）中，气体按照已知的技术电离并产生等离子弧，在电离室（2）中达到8000℃到20000℃的高温。磨成粉末的掺入料装在带有计量装置（未示出）的料斗（3）中，计量装置用来测量通过装料管（16）装入电离室（2）中的掺入料颗粒被迅速加热到低于颗粒熔点的温度，例如加热到颗粒熔点的0.5到0.9之间的温度。通过喷射惰性气体并使它们渗入到金属熔池表面以下的方法把夹带在电离的惰性气体（25）中的已知热并活化了的颗粒导入到金属熔池（1）中。由磁性感应器（4）造成的在金属熔池中的连续的物理搅动把已加热并激活的固体掺入料颗粒均匀地分散在熔池中。用例如热电偶（未示出）来测量金属熔池的温度，以保证温度低于会出现不希望有的掺入料颗粒熔化或分解的温度。通过对在一定时间间隔从熔池中取出的试样进行分析来确定掺入料分散的均匀性。当预定量的固体掺入料颗粒全都已经加入到金属熔池中时，打开在坩埚（10）底部的塞子（5），使含有固体添加剂颗粒（0）的金属液浇入铸模（6）例如钢模中，金属液在铸模（6）中凝固，包裹着均匀分散的固体掺入料颗粒。为了保证在凝固过程中，固体掺入料颗粒能保持均匀地分散在金属液相中，在铸模（6）上装上一个超声发送器（7），用超声能量振动使得铸模中的金属液发生物理搅动，直到所有的液相转变成固相为止。

图4（A）示出图1所示的坩埚装有一导管（20），用来把反应剂供入电离室（2′）中，通过高速的电离气体（25）可把添加剂更深地渗入到金属熔池中。图4（B）示出图4（A）的坩埚，但是在坩埚的底部送入电离的气体和添加剂。惰性气体形成气泡（30），这些气泡在熔池表面被与金属熔池上部相接触的超声发送器（12）所破碎和分散。

图5示出了图4（B）的坩埚，但是与图4（B）不同的是其中超声发送器（12）和电离的气体（25）的喷出口偏离中心线设置，以便使含气泡（30）的颗粒能有向上的螺旋运动。

实例：

为了试验本发明的方法，使用了未合金化的金属铝和铸铁，以及含4%Cu、1.5%Mg、0.5%Mn的铝基合金（也称为D16合金）。这些材料分别用作制造各种复合材料的基体金属液材料。所使用的初始增强材料是做成粉末的5-50微米的碳化硅，1-10微米的铝化钛TiAl₃以及10-100微米的钛粉。

制造复合材料的试验是在如图1所示的实验装置中进行的。坩埚由石墨制成，其中装有基体金属液（1），夹带增强颗粒的电离氩气流被喷射到基体金属液（1）中，增强颗粒被普通的等离子管型的电离装置（2）预热到预定的温度，该电离装置（2）配装有计量装置（3），以便形成预定流速的粉末流通过电离装置。颗粒温度Tp是可以变化的，并可通过检测喷射固体粉粒前后的基体金属液的纯度的变化进行监控。Tp用下式计算：

Tp=θ· (Cm)/(Cp) · (Mm)/(Mp) (1- (Tm·(1+K_N))/(θ) )

式中：Q-在加添加甲基后的金属液的温度，℃

Tm-在加入添加剂前的基体金属液的温度，℃

Cm-基体金属的比热，

Mm-金属的质量，Kg

Cp-颗粒的比热，

Mp-颗粒的质量，Kg

K_N-无因次系数，考虑在用未加入颗粒的电离气体的气流处理时预热的情况下，对金属液表面的空气冷却的热影响。对于5Kg的金属液，电离的氩气流为0.1M/min时，K_N＝0.05-0.06。

在喷射添加剂的过程中用磁性感应器（4）搅动金属液混合物。在加入预定量的固体添加剂后，从坩埚移去塞子（5），让液-固混合物通过坩埚底部的孔浇入钢制的铸模中。使用50mm直径的钢模（6），并用超声发生器（7）来搅动金属液-固体颗粒的混合物直到它们在铸模中凝固为止。将得到的2.5Kg的固体铸件进行热挤压。对下面一些参数进行测量来对制得的复合材料进行质量评估。

-化学和结构均匀性;

-增强颗粒的尺寸;

-复合材料的强度;

通过垂直于铸造方向的铸件各个横截面中增强颗粒组分的含量变化来评价复合材料的化学不均匀性，化学不均匀性系数K由下式确定：

$K_C=\frac{C_{\max }-C\min }{\frac{1}{n}\underset{K=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_K}$

式中：Ck-在铸件第K个横截面的增强颗粒成分的含量，%（重量）。

n-所分析的横截面的数目;

Cmax，Cmin-在铸件横截面中增强颗粒含量的最大值及最小值，%（重量）

复合材料的结构不均匀性用增强颗粒的平均尺寸的变化来评估，并用得数Kav来表示：

式中：di-第i个颗粒的平均尺寸，微米

dmax、dmin-所分析的颗粒的最大尺寸及其最小尺寸。

n-被分析的颗粒数目。

复合材料的强度通过测量极限拉伸强度Rm，MPQ（UTS）来评估。化学成分用精度为±0.01%的ARL72000定量仪来测定;而结构特点用放大倍数达3000倍的Me  F-3A光学显微镜和可定量测定结构中元素的Omnimet2结构分析仪来进行测定。强度则用最大加力为100千牛顿的UTS-100拉伸试验机来测定。所有上述设备都是普通设备。表1示出了试验结果。

试验数据证明：采用本发明的制造金属基复合材料的方法的No：6、9、12、36、42、51、57、66、69、72的试验中制造的复合材料试样能确保最好的特性。

在本发明的另一实施例中，制造复合材料的掺入料是在电离的夹带气体环境中人工合成出的。如此制造出的由清洁的电离气体所包围的初生材料加到基体金属液中，而金属液则用例如磁性和超声技术等方法进行物理搅动以把人工合成的材料均匀地分散在金属基体中。掺入料是用加入基本上按化学计算量的用以制造掺入料的反应剂来进行人工合成的。例如在制造氮化钛填料时，把20-50微米的钛粉按下式的比例夹带在氮气中：

2Ti+N₂-2TiN

Ti/N混合物通入电离的惰性气体流中，并暴露在2200-3000℃温度范围的电离气体中以足够的时间，以便完成钛和氮之间的反应形成汽相的TiN，汽相的TiN被电离被电离的惰性气体夹带到例如铝等基体金属液的表面上，金属液受到物理搅动以使得氮化钛均匀地分散在小的分割的体积中，在基体金属凝固时，它们就提供了超细的增强掺入料颗粒。

其它的掺入料可以类似地合成出来，如下式：

3Si（粉末）+2N₂-SiN

Ti（粉末）+3Al（粉末）-TiAl₃

基体金属液的温度保持能冷却添加材料使得合成的添加材料不会意外地溶在基体金属液中的温度。

在本发明的另一实施例中，含碳的气体，如碳氢化合物、丙烷、丁烷天然气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等在与电离惰性气体的气流的混合物中电离和离解。碳离解产物是单原子的碳，它作为掺入添加剂被喷射到基体金属液中。对于含氧的气体，被释放的单原子氧是一种与基体金属液例如铝发生反应，并在金属液中形成超细的氧化铝Al₂O₃掺入料颗粒的电离气体流。

按照列在表2中的条件和使用表2中材料的本发明的实践，将所述的添加剂加入到所述的基体金属液中来制造具有改善的机械性能的复合材料。

表  1

Claims (13)

1、制造复合材料的方法，包括下面的步骤：把磨成粉粒的添加剂颗粒夹带在电离的惰性气体流中，电离惰性气体、用电离气体产生的热把固体颗粒加热到低于因熔化、升华或分解会使固体颗粒成为非固态的温度，但是高于该熔化、升华或分解温度的一半；把所述的电离的惰性气体流和夹带有加热了的固体颗粒的流喷入到金属液中形成细散固体颗粒与金属液的混合物，然后在金属液和固体颗粒的混合物中造成物理搅动使固体颗粒均匀分布在金属液中，对金属液持续进行物理搅动直到细散颗粒和具体金属的混合物完全凝固为止。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于金属液和固体颗粒开始就装在坩埚中，所述的搅动由设置在坩埚外面的磁性装置提供，一部分所述的金属液和固体颗粒的混合物浇入铸模中，并由设置在铸模外的超声装置提供对混合物的搅动。

3、制造复合材料的方法，包括下面的步骤：把一定比例的细粒固体和/或气相反应剂夹带在电离惰性气体的气流中以便通过反应来形成预定的成分，上述的夹带在所述电离惰性气体中的反应剂进行反应产生的反应产物渗入到金属熔池中;对所述金属熔池进行物理搅动，使所述的反应产物均匀地弥散在熔池中。

4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基体金属是选自铝、铁、镁、铜、镍、铬、钛中，所述的添加剂材料是选自基体金属中的一种和其它金属的二元或多元化合物，或者是金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。

5、一种具有均匀分布的成分的复合材料或合金，所述的复合材料或合金是通过把被电离气体加热了的添加剂颗粒喷射到被物理搅动的基体金属液中并从喷射区中不断地移出所合成的材料，然后在连续保持物理搅动的条件下进行冷却而制成。

6、按照权利要求5所述的复合材料或合金，其特征在于所述的基体金属是选自铝、铁、镁、铜、镍、铬、钛，所述的添加剂材料是选自基体金属中的一种和其它金属的二元或多元化合物，或者是金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。

7、制造复合材料的装置，包括：

（Ⅰ）容纳基体金属液的坩埚;

（Ⅱ）在坩埚附近设置的等离子体发生装置，用来接收惰性气体气流和被夹带的掺入料颗粒，并对上述的惰性气体进行电离，并从而加热所述的填料颗粒;

（Ⅲ）把所述的电离了的气体和加热了的颗粒喷射到所述的坩埚中并渗入坩埚中的金属液中的机构;

（Ⅳ）装在坩埚旁边的连续搅动金属液的机构;

（Ⅴ）接收坩埚中放出的含有填料颗粒的金属液的铸模装置;和

（Ⅵ）装在铸模装置旁边的连续搅动金属液的机构。

8、按照权利要求7所述的方法，其特征在于所述的坩埚是带盖的，喷射电离气体和加热的颗粒的装置穿过该盖子。

9、按照权利要求7所述的方法，其特征在于搅动坩埚中的金属液的装置是磁性搅拌机构。

10、按照权利要求7所述的方法，其特征在于搅动铸模内的金属液的机构是超声发送器。

11、按照权利要求7所述的方法，其特征在于喷射电离气体和加热的颗粒的机构穿过所述的坩埚的底部。

12、按照权利要求7所述的方法，其特征在于所述的超声发送器设置在附近坩埚的上部。

13、按照权利要求7所述的方法，其特征在于所述的超声发送器和喷射电离气体和加热的颗粒机构是水平设置的，使坩埚中的金属液产生转动。

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