專利名稱：多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
文獻(xiàn)《離心鑄造過共晶Al-Si合金自生復(fù)合材料》(王渠東等，《復(fù)合材料學(xué)報》98年第3期)介紹了采用離心鑄造方法制備自生復(fù)合材料。這種方法解決了增強(qiáng)相表面易被污染、增強(qiáng)相與基體之間結(jié)合不良等問題，但是需要復(fù)雜的帶有加熱控溫裝置的垂直離心鑄造機(jī)，其使用局限于初生相與熔體本身比重差比較大的合金，當(dāng)初生相與熔體比重差不大時，這種方法難以應(yīng)用。文獻(xiàn)《電磁攪拌復(fù)合材料的組織與性能》(金俊澤等，《材料研究學(xué)報》98年第4期)介紹的電磁攪拌定向凝固分離共晶方法，能得到分離偏聚層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度較高的復(fù)合材料，但這種方法需要在普通定向凝固裝置上加一個電磁攪拌器，設(shè)備復(fù)雜，并受到鑄件形狀的限制。并且以上方法只能制備單層表面復(fù)合材料，不能制備多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用在鑄造條件下，通過施加電磁力和采用不同的定向凝固速度方法，控制具有兩種或兩種以上的初生相析出的合金(或在熔體中加入生成初生相的添加劑)的凝固過程。合金在溶化爐中熔化后，將定向凝固結(jié)晶器或鑄型置于電磁場之中進(jìn)行澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。根據(jù)初生相與熔體本身的導(dǎo)電性差異，在電磁力的作用下，初生相與金屬熔體受力方向相反，使初生相從熔體分離，并定向運動，又因為多種初生相形成的溫度區(qū)間的差異，采用電磁力場和控制定向凝固速度方法來控制初生相的多層分布，或?qū)τ谕环N增強(qiáng)相采用不同的電磁力和凝固速度控制初生相的分布的方法制備增強(qiáng)相相同，而分布不同的多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料(每層增強(qiáng)相的數(shù)量和分布不同)。
本發(fā)明采用電磁分離法制備多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的原理是由于金屬熔體中的初生相與金屬熔體之間導(dǎo)電性的差異，在電磁力場作用下金屬熔體中的導(dǎo)電性差的初生相所受電磁斥力方向與電磁力方向相反。這樣，由于多種初生相形成溫度區(qū)間不同，在電磁力和定向技術(shù)的控制下，多種初生相向逆向電磁力方向在鑄件截面內(nèi)按多層分布?；?qū)τ谕环N增強(qiáng)相采用電磁力和定向凝固速度控制初生相的分布的方法制備增強(qiáng)相具有不同分布的多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料。
本發(fā)明選用在凝固過程中具有導(dǎo)電性與合金熔體不同的、形成溫度區(qū)間不同的多種初生相析出的合金，或在熔體中加入生成初生相的添加劑，把合金熔體澆鑄到定向凝固結(jié)晶器或鑄型內(nèi)，通過施加不同的電磁力和定向凝固速度的方法控制初生相的大小和分布，達(dá)到多層分布的特征。
本發(fā)明具體工藝過程如下1、在溶化爐中熔化所選的合金，過熱100℃-200℃。
2、將定向結(jié)晶器置或鑄型置于電磁場之中，可以采用穩(wěn)恒磁場加直流電流或采用高頻磁場。
3、施加的電磁力為1.0×104N/m3-2.0×106N/m3，根據(jù)初生相大小，所要制備多層/多梯度自生復(fù)合材料的厚度確定。
4、在澆鑄時先開通電源，然后澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。
5、鑄件凝固后，關(guān)閉電源。
本發(fā)明電磁力的施加方式可以有兩種，穩(wěn)恒磁場加直流電流或高頻磁場(由高頻磁場在熔體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與電磁場相互作用產(chǎn)生電磁力)，在操作時可根據(jù)鑄件的形狀采用其中一種方式施加電磁力，制備出鑄件內(nèi)部和表面性能不同的材料，來滿足實際工況的要求。
本發(fā)明工藝簡單、靈活，可以通過改變電磁力的施加方式與大小，控制凝固速度方法，制備性能不同多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料，來滿足不同工況的實際需要。


及
具體實施例方式圖1為本發(fā)明采用穩(wěn)恒磁場加直流電流制備自生多梯度/多層梯度復(fù)合材料的示意圖。
圖中，定向凝固結(jié)晶器1安裝在電磁鐵4的兩個磁極中間，間隙為10-20mm，在定向凝固結(jié)晶器兩端插入電極3，通過導(dǎo)線與直流電源2相連。
圖2為本發(fā)明采用穩(wěn)恒磁場加直流電流制備自生多梯度/多層梯度復(fù)合材料時采用的定向結(jié)晶器示意圖。
圖中，6為直流電流方向，7為電磁場方向，8為加熱鑄型，9控制凝固速度的冷鑄型，10為初生相的運動方向，11為定向凝固方向。
磁場強(qiáng)度和電流大小根據(jù)公式f＝|j×B|確定，式中B-磁通密度，T；j-電流密度，A/m2；f-電磁力，N/m3。
電磁力場采用穩(wěn)恒磁場加直流電方式施加，定向凝固溫度場采用加熱鑄型，加熱溫度高于金屬熔體的凝固溫度，低于初生相析出溫度，避免金屬熔體在鑄型壁上凝固，一側(cè)采用溫度可控制的冷鑄型，形成定向凝固條件。采用Al-20wt％Si-1.2wt％Fe-1.8wt％Mn合金，在溶化爐溶化，780℃時加入K2TiF2和KBF4混合鹽反應(yīng)劑后，在熔體中形成增強(qiáng)相TiB2。然后澆注到加熱鑄型中，在電磁力場和定向溫度場中凝固。首先在二種場作用下，增強(qiáng)相TiB2向鑄件一側(cè)運動，形成TiB2增強(qiáng)復(fù)合層；當(dāng)冷卻到740℃-680℃時形成初生富鐵相(AlSiFeMn復(fù)雜金屬間化合物)，在二種場作用下，增強(qiáng)相初生富鐵相向鑄件一側(cè)運動，形成初生富鐵相增強(qiáng)復(fù)合層；當(dāng)冷卻到680℃-577℃時形成初生Si，在二種場作用下，增強(qiáng)相初生Si向鑄件一側(cè)運動，形成初生Si增強(qiáng)復(fù)合層，這樣在鑄件一側(cè)形成三層梯度自生復(fù)合材料。
圖3為本發(fā)明采用高頻磁場制備表面復(fù)合材料的示意圖。
圖中，加熱鑄型12安裝在螺線管線圈13、14的中間，線圈的形狀與鑄件的形狀一致，線圈與鑄型間隙為5-10mm，鑄型預(yù)熱溫度低于合金熔點200-500℃，通過加熱鑄型的溫度控制凝固速度，線圈與高頻電源相連，15為鑄件的凝固方向。在澆鑄時先開通高頻電源，使螺線管線圈通電，然后澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。鑄件凝固后，關(guān)閉高頻電源。高頻電源的功率和頻率根據(jù)所需電磁力的大小由Maxwell方程確定。
權(quán)利要求
1.一種多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法，其特征在于選用在凝固過程中具有導(dǎo)電性與合金熔體不同的、形成溫度區(qū)間不同的多種初生相析出的合金，或在熔體中加入生成初生相的添加劑，在溶化爐中熔化后，將定向結(jié)晶器或鑄型置于電磁場之中進(jìn)行澆鑄，施加1.0×104N/m3-2.0×106N/m3的電磁力，使鑄件在電磁場下凝固，形成具有不同增強(qiáng)相增強(qiáng)的或同一種增強(qiáng)相而分布不同的多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所說的多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法，其特征在于所說的電磁場是穩(wěn)恒磁場加直流電流，定向凝固結(jié)晶器(1)采用加熱鑄型(8)，安裝在電磁鐵(4)的兩個磁極中間，間隙為10-20mm，在定向凝固結(jié)晶器(1)兩端插入電極(3)，電極(3)通過導(dǎo)線與直流電源(2)相連。
3.如權(quán)利要求1所說的多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法，其特征在于所說的電磁場是高頻磁場，加熱鑄型(12)安裝在螺線管線圈(13、14)的中間，線圈(13、14)的形狀與鑄件的形狀一致，與鑄型間隙為5-10mm，線圈(13、14)與高頻電源相連。
全文摘要
一種多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法。采用電磁力和不同凝固速度方法控制凝固時具有多種(或一種)初生相析出合金的凝固過程，根據(jù)初生相與熔體本身的導(dǎo)電性差異和初生相析出的溫度區(qū)間的不同，在電磁力場和溫度場下使多種初生相在不同的溫度區(qū)間內(nèi)從熔體中分離，并在鑄件內(nèi)部呈多層分布，從而制備出具有不同增強(qiáng)相增強(qiáng)的(或一種增強(qiáng)相而分布不同的)多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡單、靈活，可以通過改變電磁力的施加方式與大小，控制凝固速度方法，制備性能不同多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料，來滿足不同工況的實際需要。
文檔編號B22D27/02GK1404946SQ02137749
公開日2003年3月26日 申請日期2002年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者許振明, 劉向陽, 李天曉 申請人:上海交通大學(xué)