專利名稱：制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種用于制備顆粒鋁基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)于普通合金、熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，良好的高溫性能，耐磨性好，良好的疲勞性能和斷裂韌性，不吸潮、不老化、氣密性好的特點(diǎn)。特別是原材料來源充分、制造成本低廉，容易被市場(chǎng)接受，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y(jié)構(gòu)與功能材料?？蓮V泛應(yīng)用于航空、航天、儀器儀表、電子信息等領(lǐng)域。例如，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)接近于玻璃的膨脹系數(shù)，其熱導(dǎo) 率是鈦合金的30倍，其密度約為鈦合金的2/3，因此在電子封裝和航空、航天關(guān)鍵零部件中具有特殊的優(yōu)勢(shì)。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料制備方法主要采用粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法等，但是很多方法都無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，其中攪拌鑄造法較易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，因此該法具有廣闊的市場(chǎng)前景。但是使用傳統(tǒng)的攪拌方法制備復(fù)合材料時(shí)，增強(qiáng)體顆粒比重比較輕，容易懸浮在金屬熔體上表面，無法和基體較好的潤(rùn)濕和分布，這就導(dǎo)致增強(qiáng)體在金屬基體內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)較低，一般約為1%_3%，而且造成大量的增強(qiáng)體的浪費(fèi)，針對(duì)該情況，開發(fā)了一種使用專門設(shè)計(jì)的真空攪拌鑄造裝置來制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，該方法能夠制備體積分?jǐn)?shù)最高能達(dá)到60%的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，該方法采用專門設(shè)計(jì)的真空攪拌鑄造裝置，以解決傳統(tǒng)攪拌鑄造中增強(qiáng)體與基體熔液潤(rùn)濕差、分布不均勻等問題，本發(fā)明提供的用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的真空攪拌鑄造裝置，可有效解決鋁合金熔體與增強(qiáng)體陶瓷顆粒潤(rùn)濕性差的問題，采用本發(fā)明的方法可方便的制備不同體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。本發(fā)明的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法采用如下技術(shù)方案一種制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其包括以下步驟(I)將陶瓷顆粒在干燥箱中60°C保溫8-12小時(shí)；(2)對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行細(xì)化、變質(zhì)及精煉處理(3)從干燥箱中取出處理好的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后，在鋁合金熔體溫度處于其固相線溫度之上20-40°C時(shí)，用工具將其壓入真空攪拌鑄造裝置中的鋁合金熔體中，然后抽真空；待真空度小于I帕后，開始進(jìn)行攪拌過程，正反轉(zhuǎn)攪拌過程持續(xù)30-60分鐘；所述的真空攪拌鑄造裝置的主體為真空加熱攪拌爐，爐體(7)固定在支架(11)上，爐體(7)與爐蓋(5)由連接轉(zhuǎn)軸(6)連接，并通過鎖緊機(jī)構(gòu)(20)將爐蓋(5)和爐體(7)鎖緊，在爐體(7)與爐蓋(5)的結(jié)合部處的爐蓋(5)底部粘接橡膠密封圈(18)，爐蓋(5)和爐體(7)的外層是水套(14)，冷卻水接頭(4)和爐體冷卻水接口(12)分別安裝在爐蓋(5)和爐體(7)上，冷卻水通過冷卻水接頭⑷和爐體冷卻水接口(12)即可充滿水套(14);支撐定位桿(2)豎直安裝在爐蓋(5)的上部，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)套在支撐定位桿(2)上，并且可上下移動(dòng)，電機(jī)(I)安裝在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)上表面的中部，電機(jī)(I)的輸出軸豎直向下穿過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)與連接桿(24)的一端連接，連接桿(24)穿過爐蓋(5)進(jìn)入爐體(7)內(nèi)部，連接桿(24)與爐蓋(5)之間通過密封裝置(3)進(jìn)行密封，并且連接桿(24)的另一端與攪拌葉片(15)連接，攪拌葉片(15)位于爐體(7)內(nèi)部的坩堝⑶中，通過調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)在支撐定位桿(2)上的高度從而調(diào)節(jié)攪拌葉片(15)在坩堝(8)中的高度位置；電熱絲(9)纏繞在坩堝(8)的外圍，電熱絲(9)的兩端與電極連接支架(17) —端相連，電極連接支架(17)通過電熱絲(9)將坩堝(8)在爐體(7)內(nèi)部保持一定高度，電極連接支架(17)穿出爐體的另一端與電極(16)連接，電極(16)與電源連接，翻轉(zhuǎn)拉桿(19)也與電極連接支架(17)穿出爐體的另一端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)拉桿(19)即可通過電極連接支架(17)帶動(dòng)坩堝(8)傾斜不同的角度。優(yōu)選地,步驟(I)所述的陶瓷顆粒為A1203、SiC等。 優(yōu)選地，步驟(2)所述鋁合金為ZLlOl、ZL102、ZLl 14等。 優(yōu)選地，步驟(2)所述細(xì)化的具體工藝參數(shù)為細(xì)化劑選用Al-5Ti_lB合金，加入溫度為720°C，加入量為鋁合金熔體重量的4%。優(yōu)選地，步驟(2)所述變質(zhì)的具體工藝參數(shù)為變質(zhì)劑選用Al-IOSr合金，Sr的加入量為鋁合金熔體重量的O. 02%，加入溫度為740°C。優(yōu)選地，步驟(2)所述精煉的具體工藝參數(shù)為精練劑選用25wt%Na2SiF6+75wt%C2Cl6，加入量為鋁合金熔體重量的O. 6%，加入溫度為760V。陶瓷顆粒與鋁合金的體積配比可根據(jù)實(shí)際需要配置，最高為60%。為了更好的密封爐體7與爐蓋5，能夠保證在爐體7內(nèi)維持有一定數(shù)值的真空度，優(yōu)選地所述橡膠密封圈18的厚度約為6mm。此外，作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，為了觀察爐內(nèi)的熔煉和澆注過程，在爐蓋5上設(shè)置玻璃觀察窗口 22，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺母21打開或關(guān)閉玻璃觀察窗口 22。電機(jī)I通電后，通過連接桿24帶動(dòng)攪拌葉片15在坩堝8內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)23在支撐定位桿2上的高度，一方面可實(shí)現(xiàn)攪拌葉片15在坩堝8內(nèi)不同位置對(duì)熔液的攪拌，另一方面在真空攪拌鑄造結(jié)束后，向上調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)23，可將旋轉(zhuǎn)葉片15調(diào)整到能順利打開爐蓋5的高度，這樣既實(shí)現(xiàn)了真空攪拌，又不會(huì)損壞坩堝8。所制備的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織均勻，陶瓷顆粒無偏聚現(xiàn)象，基體組織細(xì)小致密，無氣孔。


圖I為真空攪拌裝置示意圖；圖2為該真空攪拌裝置爐蓋俯視圖；圖3為該真空攪拌裝置爐蓋AA向剖視圖。圖I中1為電機(jī),2為支撐定位桿,3為密封裝置,4為冷卻水接頭，5為爐蓋,6為連接轉(zhuǎn)軸，7為爐體，8為坩堝，9為電熱絲，10為連接真空設(shè)備的管道，11為爐體支架，12為爐體冷卻水接口，13為方形金屬型，14為水套，15為攪拌葉片，16為連接電源和冷卻水的電極，17為電極連接支架，18為橡膠密封圈，19為翻轉(zhuǎn)拉桿，20為鎖緊機(jī)構(gòu)，21為旋轉(zhuǎn)螺母，22為玻璃觀察窗口，23為高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，24為連接桿。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。一種制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其包括以下步驟(I)將陶瓷顆粒例如Al2O3或SiC在干燥箱中60°C保溫8_12小時(shí)；(2)對(duì)鋁合金例如ZLlOl、ZL102或ZLl 14熔體進(jìn)行細(xì)化(細(xì)化劑選用Al_5Ti_lB合金，加入溫度為720°C，加入量為鋁合金熔體重量的4%)、變質(zhì)(變質(zhì)劑選用Al-IOSr合金，Sr的加入量為鋁合金熔體重量的O. 02%，加入溫度為740°C)及精煉處理(精練劑選用 25wt%Na2SiF6+75wt%C2Cl6，加入量為鋁合金熔體重量的O. 6%，加入溫度為760V)；(3)從干燥箱中取出處理好的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后，在鋁合金熔體溫度處于其固相線溫度之上20-40°C時(shí)，用工具將其壓入真空攪拌鑄造裝置中的鋁合金熔體中，然后抽真空，陶瓷顆粒與鋁合金的體積配比可根據(jù)實(shí)際需要配置，最高為60% ;待真空度小于I帕后，開始進(jìn)行攪拌過程，正反轉(zhuǎn)攪拌過程持續(xù)30-60分鐘；所述的真空攪拌鑄造裝置的主體為真空加熱攪拌爐，爐體(7)固定在支架(11)上，爐體(7)與爐蓋(5)由連接轉(zhuǎn)軸(6)連接，并通過鎖緊機(jī)構(gòu)(20)將爐蓋(5)和爐體(7)鎖緊，在爐體(7)與爐蓋(5)的結(jié)合部處的爐蓋(5)底部粘接橡膠密封圈(18)，爐蓋(5)和爐體(7)的外層是水套(14)，冷卻水接頭(4)和爐體冷卻水接口(12)分別安裝在爐蓋(5)和爐體(7)上，冷卻水通過冷卻水接頭⑷和爐體冷卻水接口(12)即可充滿水套(14);支撐定位桿(2)豎直安裝在爐蓋(5)的上部，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)套在支撐定位桿(2)上，并且可上下移動(dòng)，電機(jī)(I)安裝在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)上表面的中部，電機(jī)(I)的輸出軸豎直向下穿過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)與連接桿(24)的一端連接，連接桿(24)穿過爐蓋(5)進(jìn)入爐體(7)內(nèi)部，連接桿(24)與爐蓋(5)之間通過密封裝置(3)進(jìn)行密封，并且連接桿(24)的另一端與攪拌葉片(15)連接，攪拌葉片(15)位于爐體(7)內(nèi)部的坩堝⑶中，通過調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)在支撐定位桿(2)上的高度從而調(diào)節(jié)攪拌葉片(15)在坩堝(8)中的高度位置；電熱絲(9)纏繞在坩堝(8)的外圍，電熱絲(9)的兩端與電極連接支架(17) —端相連，電極連接支架(17)通過電熱絲(9)將坩堝(8)在爐體(7)內(nèi)部保持一定高度，電極連接支架(17)穿出爐體的另一端與電極(16)連接，電極(16)與電源連接，翻轉(zhuǎn)拉桿(19)也與電極連接支架(17)穿出爐體的另一端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)拉桿(19)即可通過電極連接支架
(17)帶動(dòng)坩堝(8)傾斜不同的角度。所述橡膠密封圈18的厚度約為6_。為了觀察爐內(nèi)的熔煉和澆注過程，在爐蓋5上設(shè)置玻璃觀察窗口，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺母21打開或關(guān)閉玻璃觀察窗口 22。如圖I所示，調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)23，從而帶動(dòng)連接桿24和攪拌葉片15移動(dòng)，使合蓋后攪拌葉片15能在坩堝8內(nèi)上升到一定高度，將熔煉原料放入坩堝8后，合蓋鎖緊，通過連接有真空設(shè)備的管道10對(duì)爐體內(nèi)進(jìn)行抽真空，真空度達(dá)到所設(shè)定的數(shù)值后，接通冷卻水管，啟動(dòng)電源對(duì)坩堝8內(nèi)熔煉原料進(jìn)行加熱熔煉，由電熱絲9的升溫速率和熔煉原料熔點(diǎn)的關(guān)系，可以計(jì)算出原料熔化所需要的時(shí)間，待時(shí)間達(dá)到后，調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)23，將攪拌葉片15向坩堝8的底部移動(dòng)到事先測(cè)量好的距離，開動(dòng)電機(jī)I帶動(dòng)攪拌葉片15旋轉(zhuǎn)，對(duì)熔化的金屬基體和增強(qiáng)體進(jìn)行攪拌，攪拌速度通過調(diào)節(jié)電機(jī)I的轉(zhuǎn)速控制，在攪拌的過程中，旋轉(zhuǎn)螺母21開啟玻璃觀察窗口 22，對(duì)真空爐內(nèi)的攪拌過程進(jìn)行觀察，待真空攪拌過程結(jié)束，使用真空設(shè)備降低爐內(nèi)的真空度到一定數(shù)值，撥動(dòng)翻轉(zhuǎn)拉桿19，電極連接支架17會(huì)帶動(dòng)坩堝8傾斜一定角度，將坩堝8內(nèi)制備的復(fù)合材料澆入方形金屬型13內(nèi)，并在真空的狀態(tài)下冷卻，從而制備得到所需體積分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料。 所制備的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織均勻，陶瓷顆粒無偏聚現(xiàn)象，基體組織細(xì)小致密，無氣孔。
權(quán)利要求
1.一種制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其包括以下步驟 (1)將陶瓷顆粒在干燥箱中60°C保溫8-12小時(shí)； (2)對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行細(xì)化、變質(zhì)及精煉處理； (3)從干燥箱中取出處理好的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后，在鋁合金熔體溫度處于其固相線溫度之上20-40°C時(shí)，用工具將其壓入真空攪拌鑄造裝置中的鋁合金熔體中，然后抽真空；待真空度小于I帕后，開始進(jìn)行攪拌過程，正反轉(zhuǎn)攪拌過程持續(xù)30-60分鐘； 所述的真空攪拌鑄造裝置的主體為真空加熱攪拌爐，爐體(7)固定在支架(11)上，爐體(7)與爐蓋(5)由連接轉(zhuǎn)軸(6)連接，并通過鎖緊機(jī)構(gòu)(20)將爐蓋(5)和爐體(7)鎖緊，在爐體(7)與爐蓋(5)的結(jié)合部處的爐蓋(5)底部粘接橡膠密封圈(18)，爐蓋(5)和爐體(7)的外層是水套(14)，冷卻水接頭(4)和爐體冷卻水接口(12)分別安裝在爐蓋(5)和爐體(7)上，冷卻水通過冷卻水接頭⑷和爐體冷卻水接口(12)即可充滿水套(14);支撐定位桿(2)豎直安裝在爐蓋(5)的上部，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)套在支撐定位桿(2)上，并且可上下移動(dòng)，電機(jī)(I)安裝在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)上表面的中部，電機(jī)(I)的輸出軸豎直向下穿過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)與連接桿(24)的一端連接，連接桿(24)穿過爐蓋(5)進(jìn)入爐體(7)內(nèi)部，連接桿(24)與爐蓋(5)之間通過密封裝置(3)進(jìn)行密封，并且連接桿(24)的另一端與攪拌葉片(15)連接，攪拌葉片(15)位于爐體(7)內(nèi)部的坩堝⑶中，通過調(diào)整高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(23)在支撐定位桿(2)上的高度從而調(diào)節(jié)攪拌葉片(15)在坩堝(8)中的高度位置；電熱絲(9)纏繞在坩堝(8)的外圍，電熱絲(9)的兩端與電極連接支架(17) —端相連，電極連接支架(17)通過電熱絲(9)將坩堝(8)在爐體(7)內(nèi)部保持一定高度，電極連接支架(17)穿出爐體的另一端與電極(16)連接，電極(16)與電源連接，翻轉(zhuǎn)拉桿(19)也與電極連接支架(17)穿出爐體的另一端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)拉桿(19)即可通過電極連接支架(17)帶動(dòng)坩堝(8)傾斜不同的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中步驟(I)所述的陶瓷顆粒為Al2O3或SiC。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中步驟(2)所述鋁合金為 ZL101、ZL102 或 ZL114。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中步驟(2)所述細(xì)化的具體工藝參數(shù)為細(xì)化劑選用Α1-5 -1Β合金，加入溫度為720°C，加入量為鋁合金熔體重量的4%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中步驟(2)所述變質(zhì)的具體工藝參數(shù)為變質(zhì)劑選用Al-IOSr合金，Sr的加入量為鋁合金熔體重量的O. 02%，加入溫度為740°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中步驟(2)所述精煉的具體工藝參數(shù)為精練劑選用25wt%Na2SiF6+75wt%C2Cl6，加入量為鋁合金熔體重量的O.6%，加入溫度為760V。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中所述橡膠密封圈(18)的厚度約為6mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，在爐蓋(5)上設(shè)置玻璃觀察窗口(22)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺母(21)打開或關(guān)閉玻璃觀察窗口(22)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其包括以下步驟(1)將陶瓷顆粒在干燥箱中60℃保溫8-12小時(shí)；(2)對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行細(xì)化、變質(zhì)及精煉處理；(3)從干燥箱中取出處理好的陶瓷顆粒用鋁箔包裹后，在鋁合金熔體溫度處于其固相線溫度之上20-40℃時(shí)，用工具將其壓入真空攪拌鑄造裝置中的鋁合金熔體中，然后抽真空；待真空度小于1帕后，開始進(jìn)行攪拌過程，正反轉(zhuǎn)攪拌過程持續(xù)30-60分鐘；本發(fā)明的方法采用專用真空攪拌鑄造裝置，該裝置解決了增強(qiáng)體與基體熔液潤(rùn)濕差、分布不均勻的問題，從而能夠制備體積分?jǐn)?shù)最高能達(dá)到60%的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C21/00GK102925723SQ20121041399
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者米國(guó)發(fā), 歷長(zhǎng)云, 王有超, 劉寶忠, 王狂飛, 胡玉昆 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)