低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬基復合材料凝固控制領域，具體為一種低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法。該方法先將作為基體的鎂合金或者鋁合金在電阻爐中重熔，然后降低加熱功率使熔體溫度下降半固態(tài)溫度，保溫一段時間加入增強相晶須或碳納米管并進行機械攪拌，再次升溫至液相線以上并保溫一段時間，將熔體注入經(jīng)過預熱的石墨模具并置于脈沖磁場和超聲復合作用下進行處理，直至合金完全凝固。本發(fā)明通過采用低壓脈沖磁場與超聲共同作用進行處理實現(xiàn)了金屬基復合材料的制備，獲得了均勻分布的晶須或碳納米管，解決目前在制備增強相長徑比較大的金屬復合材料過程中增強相在金屬熔體中的分散問題，適用于制備各種長徑比增強相的金屬基復合材料。
【專利說明】
低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及金屬基復合材料凝固控制領域，具體為一種低壓脈沖磁場與超聲復合 作用制備金屬基復合材料的方法。
【背景技術】
[0002] 金屬基復合材料是現(xiàn)代工業(yè)中重要的結構材料之一，由于晶須和碳納米管所具有 的超高強度，近年來采用晶須或者碳納米管作為增強相成為金屬基復合材料研究的重要方 向。然而，由于晶須和碳納米管的長徑比非常大，且與金屬烙體的潤濕性差，在復合材料的 制備過程中極易發(fā)生團聚，因而如何將其在烙體中進行均勻分散成為金屬基復合材料關鍵 技術難題之一。
[0003] 采用超聲烙體處理在金屬基復合材料制備領域已經(jīng)研究多年，由于超聲可在金屬 烙體中產(chǎn)生空化和聲流等效應，不僅可改善增強相與金屬烙體的潤濕性，而且可W引起烙 體的局部強制對流，有利于增強相在金屬烙體中均勻分散并細化晶粒組織。然而，超聲處理 的局限性在于其作用區(qū)域較小，超聲聲壓隨距離浸入烙體的超聲工具桿端面距離的增大而 急劇減小，只有在工具桿端面附近才能獲得理想的超聲處理效果。因此，單獨采用超聲處理 不適于制備較大尺寸的金屬基復合材料巧錠。
[0004] 在金屬凝固過程中施加脈沖磁場可在烙體中引起強烈的周期性震蕩和對流，其電 磁力作用區(qū)域可達整個烙體，對烙體的整體作用效果非常顯著。近年來，國內(nèi)多家單位相繼 開展了脈沖磁場凝固控制研究并取得了大量積極成果。
【申請人】經(jīng)多年研究結果表明：采用 低壓脈沖磁場可顯著細化儀合金、侶合金、銅合金、娃鋼W及高溫合金凝固組織，為脈沖磁 場在金屬復合材料制備方面的應用提供了新的思路。然而，脈沖磁場在烙體中難W產(chǎn)生像 超聲空化效應那種在局部產(chǎn)生巨大的沖擊力，對增強相與烙體間的潤濕性沒有明顯影響。
[0005] 在金屬基復合材料巧錠制備過程中同時施加脈沖磁場與超聲，可W同時發(fā)揮運兩 種外場的獨特作用優(yōu)勢，利用脈沖磁場引起的強烈流動將超聲在局部產(chǎn)生的空化與聲流效 果擴展至整個烙體區(qū)域，從而獲得增強相整體分布均勻且晶粒細化、尺寸均勻的金屬基復 合材料巧錠。但目前關于低壓脈沖磁場和超聲復合作用對金屬基復合材料巧錠組織的影響 尚待研究，特別是對于采用長徑比較大的晶須和碳納米管作為增強相在金屬基復合材料中 的分布規(guī)律尚不清楚，限制了脈沖磁場和超聲復合作用在金屬基復合材料巧錠制備的應用 和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于一種低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方 法，解決目前在制備增強相長徑比較大的金屬復合材料過程中增強相在金屬烙體中的分散 問題，通過改善增強相在基體中分散狀態(tài)、細化晶粒并可同時提高其強度和塑性，W滿足日 益苛刻的工業(yè)需求。 陽007] 本發(fā)明的技術方案如下：
[000引一種低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，采用低壓脈沖磁 場與超聲禪合作用實現(xiàn)金屬基復合材料巧錠的制備，先將作為基體的金屬在電阻爐中重 烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時間加入作為增強相的晶 須或碳納米管并進行機械攬拌，然后再次升溫至液相線W上并保溫一段時間，將烙體注入 經(jīng)過預熱的石墨模具并置于脈沖磁場和超聲復合作用下進行處理，直至合金完全凝固。其 中，脈沖磁場勵磁電壓為50~300V，磁場頻率為0. 5~10化；超聲功率為500~3000W，頻 率為1. 0~2. 5曲Z。
[0009] 所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，脈沖磁場與超 聲復合作用處理開始時烙體過熱溫度20~100°C。
[0010] 所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，同時施加脈 沖磁場與超聲進行烙體處理和凝固過程處理，脈沖磁場與超聲復合作用處理時間為3~ 15min。
[0011] 所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，石墨模具預熱 溫度300~600 °C。
[0012] 所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，該方法用于包 括W晶須或碳納米管在內(nèi)的各種長徑比增強相的金屬基復合材料巧錠的制備。
[0013] 本發(fā)明的設計思想如下：
[0014] 本發(fā)明通過在金屬基復合材料巧錠制備過程中同時施加脈沖磁場與超聲，同時發(fā) 揮運兩種外場的作用優(yōu)勢，利用脈沖磁場引起的強烈流動將超聲在局部產(chǎn)生的空化與聲流 效果擴展至整個烙體區(qū)域，從而獲得增強相整體分布均勻且晶粒細化均勻的金屬基復合材 料巧錠。 陽015] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果如下：
[0016] 1.采用本發(fā)明不僅可顯著改善增強相在基體中的分散狀況，而且可整體細化基體 金屬的晶粒組織，具有設備簡單、操作方便、安全易行、可W制備各種長徑比增強相的金屬 基復合材料巧錠等優(yōu)點。
[0017] 2.與單獨采用超聲處理相比，采用本發(fā)明可在更大區(qū)域獲得良好的增強相分散和 晶粒均勻細化效果，因此可制備較大尺寸的金屬基復合材料巧錠。
[0018] 3.與采用機械攬拌等方法相比，采用本發(fā)明能改善增強相與烙體潤濕性，增強相 分散效果更好。
[0019] 4.與較高電壓的電磁場凝固方法相比，本發(fā)明采用的脈沖磁場電壓低，安全性高， 設備體積小，易在工業(yè)中推廣應用。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料示意圖。圖中，1超聲 發(fā)生器；2超聲工具桿；3超聲電源；4脈沖磁場電源；5烙體；6模具；7勵磁線圈；8模具臺。
[0021] 圖2為未施加磁場和超聲（a)與實施例1單獨施加超聲化）和施加脈沖磁場和超 聲（C)獲得的棚酸儀晶須增強AZ91D儀合金巧錠凝固組織。
【具體實施方式】
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料裝置主要 包括：超聲發(fā)生器1、超聲工具桿2、超聲電源3、脈沖磁場電源4、模具6、勵磁線圈7、模具臺 8等，具體結構如下：
[0023] 超聲發(fā)生器1的輸入端與超聲電源3連接，超聲發(fā)生器1的輸出端與超聲工具桿 2的一端連接，超聲工具桿2的另一端伸至模具6內(nèi)的烙體5中，模具6的外側設置勵磁線 圈7,勵磁線圈7與低壓脈沖磁場電源4連接，模具6設置于模具臺8上。
[0024] 該裝置的具體使用過程如下：
[00巧]1.將所述超聲發(fā)生器1放于支架上，超聲由超聲發(fā)生器1產(chǎn)生，并通過超聲工具 桿2導入烙體5,超聲發(fā)生器1由超聲電源3供電。將烙體5注入模具6中并置于模具臺8 上。勵磁線圈7置于模具6外側，勵磁線圈7比烙體5高度略低（一般略低5~100mm)，勵 磁線圈7與低壓脈沖磁場電源4相連。 陽0%] 2.誘注前將模具6置于保溫爐中，在300~600°C預熱0. 5~比。
[0027] 3.先將作為基體的金屬在電阻爐中重烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半 固態(tài)溫度（液相線W下10°c左右，一般為液相線W下5~20°C)，保溫一段時間（10~20 分鐘）加入作為增強相的晶須或碳納米管并進行機械攬拌，晶須是指棚酸儀晶須等；然后， 再次升溫至液相線W上并保溫一段時間（15~25分鐘）。
[0028] 4.將烙體注入經(jīng)過預熱的石墨模具并置于脈沖磁場和超聲復合作用下進行處理， 脈沖磁場與超聲復合作用處理開始時烙體過熱溫度20~100°C，直至合金完全凝固。所用 脈沖磁場勵磁電壓為50~300V，磁場頻率為0. 5~10化；超聲功率為500~3000W，頻率 為1. 0~2. 5曲Z。
[0029] 該方法具有增強相分布均勻、晶粒細化效果明顯、低成本、安全易實現(xiàn)等優(yōu)點，適 用于制備各種長徑比增強相的金屬基復合材料，可顯著提高其強度和塑性，W滿足日益苛 刻的工業(yè)需求。
[0030] 下面通過實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。 陽〇3U 實施例1 :
[0032] 本實施例中，將AZ91D儀合金在低碳鋼相蝸中加熱至700°C，保溫后降溫至590°C， 加入烘干的棚酸儀晶須并進行機械攬拌，攬拌時間5分鐘。機械攬拌結束后加大加熱功 率，將烙體溫度提高至650°C并保溫20分鐘后誘入預熱溫度為600°C的060mm石墨模具， 在巧錠的凝固過程中全程施加脈沖磁場和超聲。磁場勵磁電壓100V，頻率2Hz，超聲功率 1000W，頻率2.0曲Z。如圖2所示，從未施加磁場和超聲（a)與單獨施加超聲化）和施加脈 沖磁場和超聲（C)獲得的棚酸儀晶須增強AZ91D儀合金巧錠凝固組織可W看出，通過施加 脈沖磁場和超聲復合作用，不僅顯著改善了增強相棚酸儀晶須的分散狀況，而且作為基體 的儀合金晶粒尺寸也獲得了明顯的細化效果。
[0033] 實施例結果表明，通過施加脈沖磁場和超聲復合作用，實現(xiàn)了增強相整體分布均 勻且晶粒細化的金屬基復合材料巧錠制備，獲得了優(yōu)化的脈沖磁場與聲場參數(shù)。將基體金 屬在電阻爐中重烙，然后降低加熱功率使烙體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時間加入 作為增強相的晶須或碳納米管并進行機械攬拌，然后再次升溫至液相線W上并保溫一段時 間，將烙體注入經(jīng)過預熱的石墨模具并置于脈沖磁場和超聲復合作用下進行處理，直至合 金完全凝固。采用本發(fā)明不僅顯著改善增強相在基體中的分散狀況，而且可整體細化基體 金屬的晶粒組織，具有設備簡單、操作方便、安全易行等優(yōu)點，可用于制備各種長徑比增強 相的金屬基復合材料巧錠，具有重要的工業(yè)應用價值。
【主權項】
1. 一種低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，采用 低壓脈沖磁場與超聲耦合作用實現(xiàn)金屬基復合材料坯錠的制備，先將作為基體的金屬在電 阻爐中重熔，然后降低加熱功率使熔體溫度下降至半固態(tài)溫度，保溫一段時間加入作為增 強相的晶須或碳納米管并進行機械攪拌，再次升溫至液相線以上并保溫一段時間，將熔體 注入經(jīng)過預熱的石墨模具并置于脈沖磁場和超聲復合作用下進行處理，直至合金完全凝 固；其中，所用脈沖磁場勵磁電壓為50~300V，磁場頻率為0. 5~10Hz ;超聲功率為500~ 3000W，頻率為 1. 0 ~2. 5kHz。2. 按照權利要求1所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法， 其特征在于：脈沖磁場與超聲復合作用處理開始時熔體過熱溫度20~100°C。3. 按照權利要求1或2所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方 法，其特征在于：同時施加脈沖磁場與超聲進行熔體處理和凝固過程處理，脈沖磁場與超聲 復合作用處理時間為3~15min。4. 按照權利要求1所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法， 其特征在于：石墨模具預熱溫度300~600°C。5. 按照權利要求1所述的低壓脈沖磁場與超聲復合作用制備金屬基復合材料的方法， 其特征在于：該方法用于包括以晶須或碳納米管在內(nèi)的各種長徑比增強相的金屬基復合材 料坯錠的制備。
【文檔編號】B22D27/02GK105983682SQ201510059003
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月4日
【發(fā)明人】楊院生, 趙福澤, 馮小輝, 李應舉, 羅天驕
【申請人】中國科學院金屬研究所