專(zhuān)利名稱(chēng)：陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料及其制備方法和用于制備該材料的噴射沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法和制備用的裝置，尤其涉及一種陶瓷
顆粒增強(qiáng)鋁基的復(fù)合材料及其制備方法和制備用的裝置。
背景技術(shù)：
陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、彈性模量高、
耐磨性能優(yōu)異、膨脹系數(shù)可控等一系列優(yōu)點(diǎn)，在交通車(chē)輛、航空、電子等領(lǐng)域具有極其重要
的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，例如采用鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)代替目前普遍采用的是鑄鐵
盤(pán)，應(yīng)用于高速列車(chē)、汽車(chē)、工程車(chē)輛、吊裝設(shè)備等的耐磨制動(dòng)部件，以降低車(chē)身質(zhì)量，提高
車(chē)輛和設(shè)備的使用性能和安全性，這已成為該技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)主要發(fā)展方向。 對(duì)于諸如制動(dòng)盤(pán)這類(lèi)同時(shí)承受摩擦力和沖擊或剪切載荷的零部件，在服役過(guò)程中
應(yīng)同時(shí)具備表面高耐磨、耐蝕、耐高溫性能，而部件整體應(yīng)具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、韌性等力
學(xué)性能。在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中此類(lèi)應(yīng)用還有很多，如裝甲板、破碎機(jī)鱷板、球磨機(jī)襯套、導(dǎo)電軌
等。采用鋁基復(fù)合材料制備這類(lèi)部件時(shí)，要求其表層具有較高體積分?jǐn)?shù)含量的陶瓷增強(qiáng)顆
粒以保證部件的高硬度、高模量和高耐磨性，而心部含有較少的或不含陶瓷顆粒以保證部
件的高強(qiáng)度和高韌性；同時(shí)要求材料的各種性能從表層到心部連續(xù)變化，這就要求復(fù)合材
料中的陶瓷顆粒濃度從表層到心部呈連續(xù)梯度分布。 目前，國(guó)內(nèi)外用于制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的常用方法分為鑄造冶金法
和粉末冶金法兩大類(lèi)，但所制備的付復(fù)合材料均為增強(qiáng)顆粒均勻分布在合金基體中的"均
質(zhì)"復(fù)合材料，而且研究的重點(diǎn)一直是提高陶瓷顆粒在合金基體中的分散均勻性。采用鑄造
法制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)存在界面反應(yīng)嚴(yán)重、陶瓷顆粒分散均勻性不理想等
問(wèn)題。粉末冶金法是制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的理想方法，但金屬或合金粉末在
制備和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中容易污染，減低了材料的韌性，同時(shí)此方法難以制備大尺寸復(fù)合材料坯
件等問(wèn)題，且工序復(fù)雜、生產(chǎn)效率相對(duì)較低。更重要的是，采用鑄造冶金法和粉末冶金法均
無(wú)法制備出陶瓷顆粒在基體中呈連續(xù)梯度分布的金屬基復(fù)合材料大尺寸坯件。 噴射沉積技術(shù)是日前新出現(xiàn)的一種制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的理想方
法，是繼鑄造冶金和粉末冶金技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的快速凝固材料制備新技術(shù)，能夠獲得具
有快速凝固特征組織的基體合金，基體內(nèi)陶瓷顆粒分散均勻、體積百分?jǐn)?shù)高，無(wú)有害界面反
應(yīng)的組織?，F(xiàn)有的噴射沉積技術(shù)采用了增強(qiáng)顆粒與霧化金屬液滴混合共沉積形成復(fù)合材料
坯件，在一定程度上解決了鑄造及粉末冶金工藝存在的一些不足，但研究的重點(diǎn)仍然是提
高陶瓷顆粒在合金基體中的分散均勻性，但這種"均質(zhì)"復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中存在上述局
限性，例如采用陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造的輕量化制動(dòng)部件雖然表面耐磨、耐蝕等
性能優(yōu)異，但材料的整體塑性偏低、韌性也不高，在應(yīng)用過(guò)程中耐疲勞性能不足。另外，由于
常規(guī)的鋁合金基體耐熱性能也不夠理想，因此普通的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)難以適應(yīng)現(xiàn)代高
速重載制動(dòng)部件的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕量化、表面高耐磨、耐腐蝕、整體塑性和韌性較好的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，還提供一種工藝簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化程度高的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法，還提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝方便、操作性好的用于制備該復(fù)合材料的噴射沉積裝置。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，所述復(fù)合材料是以鋁合金為基體，以陶瓷顆粒為增強(qiáng)材料，其特征在于所述陶瓷顆粒在所述復(fù)合材料表層(一般以5 20mm厚度計(jì)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié))中的體積分?jǐn)?shù)為30% 40%，所述陶瓷顆粒在所述復(fù)合材料底層( 一般以5 20mm厚度計(jì)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié))的體積分?jǐn)?shù)為0 5 % ，且所述陶瓷顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)從復(fù)合材料表層到復(fù)合材料底層呈連續(xù)梯度變化。但本發(fā)明的技術(shù)方案并不限于鋁合金基體，其他類(lèi)似的合金(例如銅基合金、鐵鐵)均可作為本發(fā)明工藝的原料，進(jìn)而得到不同基體的梯度復(fù)合材料。
上述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料中，所述復(fù)合材料的厚度優(yōu)選為200 800mm，因?yàn)樵摵穸确秶鷥?nèi)制備出的梯度復(fù)合材料中陶瓷顆粒的梯度分布性較為均勻，復(fù)合材料的性能較優(yōu)，且其制備相對(duì)容易，但是根據(jù)實(shí)踐需要和工藝調(diào)整也可采用其他厚度參數(shù)。 上述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料中，所述鋁合金基體的平均晶粒度優(yōu)選在10 ii m以下。鋁合金基體的平均晶粒度是金屬材料的重要微觀組織指標(biāo)， 一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)小，材料的綜合性能會(huì)越高，如強(qiáng)度、塑性以及抗腐蝕性能都會(huì)得到改善，一般鑄件的晶粒會(huì)有幾十到幾百微米，有的大型鑄件可達(dá)毫米級(jí)，性能就相對(duì)較差。細(xì)化鋁合金基體晶粒的措施之一是快速凝固，即提高鋁合金金屬?gòu)囊簯B(tài)到固體凝固時(shí)的冷卻速度，一般鑄造過(guò)程視鑄件的大小，凝固速度可達(dá)到每秒鐘降低幾攝氏度(甚至幾十?dāng)z氏度)，而大型鑄件每分鐘可能降低還不到1攝氏度。本發(fā)明下述的噴射沉積制備方法由于有大量氣體的霧化同時(shí)立即沉積在一個(gè)較冷的沉積基體上，冷卻速度可達(dá)到103 104°C /s數(shù)量級(jí)，可謂是快速凝固過(guò)程，因此本發(fā)明復(fù)合材料中鋁合金基體的晶粒度在幾個(gè)微米的范圍內(nèi)，這也是本發(fā)明的一大優(yōu)勢(shì)。 上述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料中，所述陶瓷顆粒的平均粒徑優(yōu)選為4 20 ii m。在本發(fā)明的鋁基梯度復(fù)合材料中，陶瓷顆粒一般是越細(xì)越好，因?yàn)樘沾深w粒越小，材料的強(qiáng)度、耐磨性、模量都會(huì)有很好的改善，避免發(fā)生有害的界面反應(yīng)；陶瓷顆粒如果太大，就會(huì)起到"雜質(zhì)"的作用，割裂基體，引起應(yīng)力集中等有害現(xiàn)象。但陶瓷顆粒越小，造價(jià)會(huì)更高，同時(shí)復(fù)合起來(lái)的難度也會(huì)增加，本發(fā)明優(yōu)選的平均粒徑是經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后確定的，能夠使本發(fā)明的鋁基梯度復(fù)合材料具有較好的綜合性能。 本發(fā)明的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料中，一方面使陶瓷顆粒梯度分布的同時(shí)，還使陶瓷顆粒具有良好的分散性(所謂分散性良好是指陶瓷顆粒沒(méi)有偏聚，結(jié)團(tuán)，顆粒分布均勻)，而且也極大地細(xì)化了鋁合金基體的晶粒度，這使得本發(fā)明的復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟準(zhǔn)備好陶瓷增強(qiáng)顆粒，同時(shí)將鋁合金熔融；所述陶瓷增強(qiáng)顆粒經(jīng)設(shè)
4在出料口處的出料量調(diào)控裝置進(jìn)入高壓氣流通道，再通過(guò)高壓氣流攜帶所述的陶瓷增強(qiáng)顆粒形成固氣兩相流；以該固氣兩相流作為霧化介質(zhì)，熔融的鋁合金液被噴射、霧化形成霧化液流并與所述霧化介質(zhì)中的陶瓷增強(qiáng)顆粒混合，得到固液顆粒流；該固液顆粒流沉積在預(yù)設(shè)的沉積基體上，快速凝固后制備得到鋁基復(fù)合材料沉積坯；通過(guò)一旋轉(zhuǎn)編碼器將所述沉積坯的高度信息h (旋轉(zhuǎn)編碼器采集驅(qū)動(dòng)所述沉積坯升降的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作時(shí)間進(jìn)而獲得所述沉積坯的高度信息h)輸入可編程邏輯控制器(PLC)，該可編程邏輯控制器根據(jù)高度信息h控制所述的出料量調(diào)控裝置和所述高壓氣流的輸送氣壓(根據(jù)具體實(shí)踐，某一參數(shù)可以為定值，而另一參數(shù)進(jìn)行調(diào)控即可)，直至所述沉積坯達(dá)到設(shè)定的沉積厚度，得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料。 上述的制備方法中，所述出料量調(diào)控裝置優(yōu)選包括一葉輪(或者與葉輪類(lèi)似的螺
旋桿等)和驅(qū)動(dòng)該葉輪的調(diào)速電機(jī)，該調(diào)速電機(jī)連接至所述可編程邏輯控制器； 所述可編程邏輯控制器根據(jù)高度信息h控制出料量調(diào)控裝置的具體方式優(yōu)選為
在制備0 250X300mm的圓柱體錠坯時(shí)，隨所述沉積坯的高度信息h由0 300mm連續(xù)增
加，所述調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速v由0 300r/min連續(xù)增加； 所述輸送氣壓p優(yōu)選控制在0. 6 1. OMPa。 上述的制備方法中，所述鋁合金液的噴射流量?jī)?yōu)選為40 60g/s ;所述鋁合金液的霧化氣壓優(yōu)選為0. 6 1. OMPa ;所述沉積基體的下降速度優(yōu)選為1. 0 1. 5mm/min。通過(guò)優(yōu)化噴射流量和霧化氣壓等工藝參數(shù)可進(jìn)一步提高鋁合金熔液的冷卻速度，使成品中鋁合金基體的晶粒進(jìn)一步細(xì)化。 與上述本發(fā)明的產(chǎn)品和制備方法相配套，本發(fā)明還提供一種用于制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的噴射沉積裝置，其特征在于所述噴射沉積裝置包括液流噴射裝置、陶瓷顆粒輸送裝置和自動(dòng)控制裝置，所述液流噴射裝置包括一盛裝熔融鋁合金的坩堝和設(shè)于該坩堝出料口處的噴槍?zhuān)鎏沾深w粒輸送裝置包括進(jìn)料斗和設(shè)于該進(jìn)料斗出料口處的出料量調(diào)控裝置，所述出料量調(diào)控裝置通過(guò)輸送管道與一高壓氣流通道連通，該高壓氣流通道的送風(fēng)口處設(shè)有一控制氣流大小的流量閥，所述高壓氣流通道的出口處再通過(guò)輸送管道與所述噴槍的噴射口連通；所述自動(dòng)控制裝置包括可編程邏輯控制器和接收復(fù)合材料沉積坯高度信息(h)的旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器、流量閥和出料量調(diào)控裝置均通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述可編程邏輯控制器連接。 上述的噴射沉積裝置中，所述出料量調(diào)控裝置優(yōu)選包括一葉輪(或者與葉輪類(lèi)似的螺旋桿等)和驅(qū)動(dòng)該葉輪的調(diào)速電機(jī)，該調(diào)速電機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至所述可編程邏輯控制器。 上述的噴射沉積裝置中，所述高壓氣流通道優(yōu)選包括一文丘里管，該文丘里管可以產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓吸動(dòng)，把陶瓷顆粒從管道中吸入再?gòu)某隹趪姵觥?與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提供了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，該鋁基梯度復(fù)合材料中陶瓷顆粒增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)在基體中呈梯度分布(或基體材質(zhì)的成分或組織呈梯度分布)，這使得本發(fā)明鋁基梯度復(fù)合材料的性能由心部到表層產(chǎn)生連續(xù)性改變，這種連續(xù)性改變可以是連續(xù)性增加或連續(xù)性減少，也可以是周期性變化。通過(guò)不同性質(zhì)的連續(xù)梯度變化，則可使得材料具有不同的性能。最具顯著效果的是，本發(fā)明的鋁基梯度復(fù)合材料是由表面層向底層(即心部)逐漸降低陶瓷顆粒含量，這樣不僅保證了本發(fā)明的鋁基梯度復(fù)合材料的表面層具有耐磨損、耐高溫性能，而且保證了鋁基梯度復(fù)合材料整體的塑性和韌性，同時(shí)能夠滿足目前耐磨部件的輕量化要求。相應(yīng)的，本發(fā)明提供的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法不僅工藝簡(jiǎn)單、操作方便，而且自動(dòng)化程度高，能夠高效率地制備本發(fā)明的鋁基梯度復(fù)合材料(制備鋁基梯度復(fù)合材料管坯、板坯均可)。而應(yīng)用于該制備方法中的本發(fā)明的噴射沉積裝置，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，而且操作性好，生產(chǎn)出的復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯在表層拍攝的截面掃描電鏡照片； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯在高度h為180mm處拍攝的截面掃描電鏡照片； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯在高度h為100mm處拍攝的截面掃描電鏡照片； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯在高度h為5mm處拍攝的截面掃描電鏡照片； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯在底層(約高度h為lmm處)拍攝的截面掃描電鏡照片；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中噴射沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖7為圖6中A-A處的剖面圖。
圖例說(shuō)明1、液流噴射裝置11、坩堝12、噴槍2、陶瓷顆粒輸送裝置21、進(jìn)料斗22、出料量調(diào)控裝置23、葉輪24、調(diào)速電機(jī)25、高壓氣流通道26、文丘里管27、流量閥3、自動(dòng)控制裝置31、旋轉(zhuǎn)編碼器32、驅(qū)動(dòng)電機(jī)33、可編程邏輯控制34、計(jì)算機(jī)4、沉積基體5、升降機(jī)構(gòu)6、霧化射流7、沉積坯
具體實(shí)施例方式實(shí)施例 —種如圖1 圖5所示的本發(fā)明的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料錠坯，錠坯直徑為250mm，厚度為300mm( 0 250mmX300mm)，該復(fù)合材料是以6066鋁合金為基體，該鋁合金基體的平均晶粒度為lOym，以SiCp陶瓷顆粒為增強(qiáng)材料，該陶瓷顆粒的平均粒徑為5ym。如圖1所示，在該錠坯表層，SiCp陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)為30% ;如圖2所示，在該錠坯中上部(h = 180mm高度處)，SiCp陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為20% ;如圖3所示，在該錠坯中下部(h = 100mm高度處)，SiCp陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為10% ;如圖4所示，在該錠坯h = 5mm高度處，SiCp陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為5% ;如圖5所示，在該錠坯的底層(約高度h為lmm處)，SiCp陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)接近0。由圖1 圖5可見(jiàn)，該SiCp陶瓷顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)從復(fù)合材料錠坯的表層到底層呈連續(xù)梯度變化。
—種如圖6、圖7所示的用于制備本實(shí)施例陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的噴射沉積裝置，該噴射沉積裝置包括液流噴射裝置1、陶瓷顆粒輸送裝置2和自動(dòng)控制裝置3，液流噴射裝置1包括一盛裝熔融鋁合金的坩堝11和設(shè)于該坩堝11出料口處的噴槍12，陶瓷顆粒輸送裝置2包括進(jìn)料斗21和設(shè)于該進(jìn)料斗21出料口處的出料量調(diào)控裝置22，出料量調(diào)控裝置22包括葉輪23 (見(jiàn)圖7)，葉輪23由一調(diào)速電機(jī)24驅(qū)動(dòng)，出料量調(diào)控裝置22通過(guò)一輸送管道與一高壓氣流通道25連通，該高壓氣流通道25的主體包括一文丘里管26，文丘里管26通過(guò)一輸送管道與噴槍12的噴射口連通；在該高壓氣流通道25的送風(fēng)口處設(shè)有一控制氣流大小的流量閥27 ;自動(dòng)控制裝置3包括旋轉(zhuǎn)編碼器31 (施耐德電氣公司生產(chǎn)的XCC型旋轉(zhuǎn)編碼器)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)32和可編程邏輯控制器33(施耐德電氣公司生產(chǎn)的Twido一體型可編程邏輯控制器)，旋轉(zhuǎn)編碼器31通過(guò)帶輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)32連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)32驅(qū)動(dòng)沉積基體4的升降機(jī)構(gòu)5進(jìn)行上下升降，可編程邏輯控制器33連接到一計(jì)算機(jī)34上并由計(jì)算機(jī)34進(jìn)行操控，旋轉(zhuǎn)編碼器31、調(diào)速電機(jī)24、流量閥27均通過(guò)數(shù)據(jù)線與可編程邏輯控制器33連接。 本實(shí)施例的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料是采用上述噴射沉積裝置并通過(guò)以下步驟制備得到 首先準(zhǔn)備好SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒，并置于進(jìn)料斗21中，同時(shí)將鋁合金熔融置于坩堝11中；進(jìn)料斗21中的SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒通過(guò)調(diào)速電機(jī)24帶動(dòng)葉輪23送入高壓氣流通道25的文丘里管26中，高壓氣體經(jīng)流量閥27進(jìn)入文丘里管26產(chǎn)生負(fù)壓同時(shí)將SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒全部吸入并形成固氣兩相流；該固氣兩相流經(jīng)過(guò)高壓氣流通道25后到達(dá)噴槍12的噴射口，以該固氣兩相流作為霧化介質(zhì)，熔融的鋁合金液被噴槍12噴射、霧化形成霧化液流并與霧化介質(zhì)中的陶瓷增強(qiáng)顆?；旌?，得到固液顆粒流(即霧化射流6);該霧化射流6直接噴向預(yù)先設(shè)置的沉積基體4上沉積、冷卻、凝固形成沉積坯7 ;沉積基體4位于升降機(jī)構(gòu)5上，隨著沉積坯7高度的增加，升降機(jī)構(gòu)5在驅(qū)動(dòng)電機(jī)32的驅(qū)動(dòng)下不斷下降(下降速度控制在1. 0mm/min)以保持噴射高度(即沉積坯8表面與噴槍12之間的距離)不變。噴射時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器31采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)32的轉(zhuǎn)速和工作時(shí)間，進(jìn)而獲得沉積基體4的下降高度hp然后在線計(jì)算出沉積坯7的高度h并輸入到可編程邏輯控制器33中(沉積坯高度信息與陶瓷顆粒送粉量的關(guān)系模型已轉(zhuǎn)化為配套軟件TwidoSoft并預(yù)先安裝到該可編程邏輯控制器33)，可編程邏輯控制器33即開(kāi)始調(diào)控調(diào)速電機(jī)24的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒輸入量，即實(shí)現(xiàn)了不同高度h的沉積坯7中含有不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒。
在上述制備過(guò)程中，6066鋁合金的熔融溫度控制在950°C，經(jīng)噴槍12噴射的液流直徑為3. 4mm，噴射流量為50g/s，霧化氣壓為0. 8MPa，噴射高度控制在200mm左右，隨所述沉積坯7的高度h由0 300mm連續(xù)增加，可編程邏輯控制器33通過(guò)控制調(diào)速電機(jī)24進(jìn)而調(diào)節(jié)葉輪23的轉(zhuǎn)速v由0 300r/min連續(xù)增加，這使得SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒的輸送量在0 20g/s范圍內(nèi)連續(xù)變化；通過(guò)控制流量閥27使得SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒在高壓氣流通道25中的輸送氣壓恒定為0. 8Mpa，也可調(diào)整流量閥27進(jìn)一步而調(diào)節(jié)SiCp陶瓷增強(qiáng)顆粒的供給速率。
權(quán)利要求
一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，所述復(fù)合材料是以鋁合金為基體，以陶瓷顆粒為增強(qiáng)材料，其特征在于所述陶瓷顆粒在所述復(fù)合材料表層中的體積分?jǐn)?shù)為30％～40％，所述陶瓷顆粒在所述復(fù)合材料底層的體積分?jǐn)?shù)為0～5％，且所述陶瓷顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)從復(fù)合材料表層到復(fù)合材料底層呈連續(xù)梯度變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料的厚度為200 800mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料，其特征在于所述鋁合金基體的平均晶粒度在10 i！ m以下，所述陶瓷顆粒的平均粒徑為4 20 ii m。
4. 一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟準(zhǔn)備好陶瓷增強(qiáng)顆粒，同時(shí)將鋁合金熔融；所述陶瓷增強(qiáng)顆粒經(jīng)設(shè)在出料口處的出料量調(diào)控裝置進(jìn)入高壓氣流通道，再通過(guò)高壓氣流攜帶所述的陶瓷增強(qiáng)顆粒形成固氣兩相流；以該固氣兩相流作為霧化介質(zhì)，熔融的鋁合金液被噴射、霧化形成霧化液流并與所述霧化介質(zhì)中的陶瓷增強(qiáng)顆?；旌?，得到固液顆粒流；該固液顆粒流沉積在預(yù)設(shè)的沉積基體上，凝固后制備得到鋁基復(fù)合材料沉積坯；通過(guò)一旋轉(zhuǎn)編碼器將所述沉積坯的高度信息h輸入可編程邏輯控制器，該可編程邏輯控制器根據(jù)高度信息h控制所述的出料量調(diào)控裝置和所述高壓氣流的輸送氣壓，直至所述沉積坯達(dá)到設(shè)定的沉積厚度，得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述出料量調(diào)控裝置包括葉輪和驅(qū)動(dòng)該葉輪的調(diào)速電機(jī)，該調(diào)速電機(jī)連接至所述可編程邏輯控制器；所述可編程邏輯控制器根據(jù)高度信息h控制出料量調(diào)控裝置的具體方式為在制備0250X300mm的圓柱體錠坯時(shí)，隨所述沉積坯的高度信息h由0 300mm連續(xù)增加，所述調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速v由0 300r/min連續(xù)增加；所述輸送氣壓P控制在0. 6 1. OMPa。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鋁合金液的噴射流量為40 60g/s ;所述鋁合金液的霧化氣壓為0. 6 1. OMPa ;所述沉積基體的下降速度為1. 0 1. 5mm/min。
7. —種用于制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的噴射沉積裝置，其特征在于所述噴射沉積裝置包括液流噴射裝置、陶瓷顆粒輸送裝置和自動(dòng)控制裝置，所述液流噴射裝置包括一盛裝熔融鋁合金的坩堝和設(shè)于該坩堝出料口處的噴槍?zhuān)鎏沾深w粒輸送裝置包括進(jìn)料斗和設(shè)于該進(jìn)料斗出料口處的出料量調(diào)控裝置，所述出料量調(diào)控裝置通過(guò)輸送管道與一高壓氣流通道連通，該高壓氣流通道的送風(fēng)口處設(shè)有一控制氣流大小的流量閥，所述高壓氣流通道再通過(guò)輸送管道與所述噴槍的噴射口連通；所述自動(dòng)控制裝置包括可編程邏輯控制器和接收復(fù)合材料沉積坯高度信息的旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器、流量閥和出料量調(diào)控裝置均通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述可編程邏輯控制器連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴射沉積裝置，其特征在于所述出料量調(diào)控裝置包括一葉輪和驅(qū)動(dòng)該葉輪的調(diào)速電機(jī)，該調(diào)速電機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至所述可編程邏輯控制器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的噴射沉積裝置，其特征在于所述高壓氣流通道包括一文丘里管。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋁基復(fù)合材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料及其制備方法和所用裝置，該復(fù)合材料是以鋁合金為基體，用作增強(qiáng)材料的陶瓷顆粒在表層、底層中的體積分?jǐn)?shù)分別為30％～40％和0～5％，且陶瓷顆粒從表層到底層呈連續(xù)梯度變化；其制備方法為先使陶瓷增強(qiáng)顆粒經(jīng)一出料量調(diào)控裝置進(jìn)入高壓氣流通道，并形成固氣兩相流；熔融的鋁合金液被霧化并與固氣兩相流中的陶瓷顆?；旌希缓蟪练e在沉積基體上制得沉積坯；再通過(guò)一可編程邏輯控制器根據(jù)沉積坯高度信息控制出料量調(diào)控裝置和輸送氣壓，得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法操作方便、自動(dòng)化程度高，制得的復(fù)合材料具有輕量化、表面高耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/00GK101775527SQ20101012207
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者嚴(yán)紅革, 張福全, 蘇斌, 陳剛, 陳吉華 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)