專利名稱：制造金屬基復(fù)合材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，更具體地是涉及制造分布著很細(xì)顆粒的鑄造基體金屬材料的方法，這些顆粒可以是陶瓷、金屬、合金、金屬間化合物、碳化物、氮化物、硼化物和其它可以提高基體金屬性能的物質(zhì)。
飛機(jī)、船舶、汽車制造工業(yè)和一些其它工業(yè)的發(fā)展需要具有更好的加工性能及使用性能的新材料。
現(xiàn)有技術(shù)是通過把基體金屬與添加的組分熔化成液態(tài)，在能夠保證各種組分完全熔化及相互溶解的整個(gè)系統(tǒng)的溫度下進(jìn)行熔煉來(lái)生產(chǎn)金屬結(jié)構(gòu)材料(合金)(圖2a)。
在合金液冷卻與凝固時(shí)，隨著溫度的降低，合金組分的溶解度極大地降低。對(duì)某一合金系統(tǒng)及組分，在特定溫度下，從均勻的合金液中沉淀出固相并長(zhǎng)大，這些固相是以合金組分的晶體形式，或者，更經(jīng)常地以合金組分的化合物(金屬間化合物相)的晶體的形式沉淀的固相(圖2b、c)。在進(jìn)一步冷卻時(shí)，其余的合金液以合金組分在基體金屬中以固溶體的形式結(jié)晶(圖2d)。具有與本體合金(基體)的晶格和性能不同的金屬間化合物相強(qiáng)烈地影響著整個(gè)合金系統(tǒng)的性能。
在合金結(jié)晶的過程中沉淀出的金屬間化合物相的尺寸不應(yīng)超過1微米，否則由于降低了延性和強(qiáng)度極大地?fù)p害了合金的質(zhì)量。
在固態(tài)下，金屬和非金屬在金屬基體中的溶解是極其有限的，這一因素說(shuō)明了商用合金的選擇面很窄，通過改變成分來(lái)提高商用結(jié)構(gòu)合金的性能實(shí)際已達(dá)到了極限。已經(jīng)發(fā)展了一種新型的結(jié)構(gòu)材料，在其中含有能使整個(gè)合金系統(tǒng)達(dá)到要求的性能的人為加入的氧化物、碳化物和其它化合物的顆?；蚶w維。由于這些金屬系統(tǒng)的組分并不像普通的合金那樣從基體金屬中沉淀出來(lái)，而是人工地加進(jìn)合金系統(tǒng)中的，所以這種材料稱為復(fù)合材料。雖然在熔煉合金時(shí)有時(shí)也會(huì)自然生成這種材料，但是所有已知的帶有加入顆粒并且其性能與基體明顯不同的合金基本上都是復(fù)合材料。
人工合成或自生的復(fù)合材料所代表的金屬材料性能如下-材料的延性取決于基體的塑性流動(dòng)的能力(通常是在基體合金中組分的固溶體的塑性流動(dòng)的能力)以及在基體中的金屬間化合物和其它夾雜物的尺寸和晶系(晶體結(jié)構(gòu));
-強(qiáng)度、耐熱性、疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展的能力取決于夾雜物與基體的相互作用以及在夾雜物作用下的基體晶格畸變。
-材料的硬度、耐磨性、摩擦特性取決于夾雜物的性質(zhì);
-材料的彈性模量、線膨脹系數(shù)、比重(密度)取決于基體和夾雜物的一系列性能;
因此，為了發(fā)展具有預(yù)定的兼有工藝性能及使用性能的新型金屬材料，在理論上可以通過選擇每一金屬系統(tǒng)的最佳組分，也就是選擇其性質(zhì)和相互作用可決定整個(gè)復(fù)合材料系統(tǒng)的性能的基體和夾雜物來(lái)達(dá)到。
金屬系統(tǒng)的基體的選擇取決于材料所要求的使用性能以及基體(鋼、鋁、銅、鎂、鎳等)的性能水平。
實(shí)施制造結(jié)構(gòu)金屬材料的技術(shù)的主要困難是如何把能在基體中熱力學(xué)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定的、只有幾毫微米到幾微米的化合物的超細(xì)顆粒的組分噴射到合金結(jié)構(gòu)中。
在自生的復(fù)合金屬材料(也就是復(fù)雜合金)的生產(chǎn)中，上述問題通過快速冷卻均質(zhì)的合金液來(lái)使顆粒(金屬間化合物)從基體金屬中的合金組分的飽和固溶體中沉淀出來(lái)加以解決。所需的冷速實(shí)際上只有在比較少量的合金液的情況下才能達(dá)到。在實(shí)賤中，通過首先用物理方法使合金液分散然后在冷卻介質(zhì)中冷卻細(xì)小合金液滴來(lái)提供這種快速冷卻。這就要求采用昂貴的干燥、除氣和壓實(shí)顆粒(細(xì)粒)的操作來(lái)制成粉粒。因此在工業(yè)上采用制粒技術(shù)來(lái)生產(chǎn)新型合金的工藝還沒有廣泛地使用。
把超細(xì)顆粒引入金屬液中的困難在于兩方面。首先，由于超細(xì)顆粒(千分之幾微米或更小的尺寸)缺乏流動(dòng)性，當(dāng)把它們噴射到金屬液中時(shí)很難計(jì)量，有時(shí)甚至不可能計(jì)量。第二，由于在同金屬液接觸時(shí)，顆粒表面吸附氧，而在顆粒表面的基體金屬的氧化物阻礙顆粒與金屬液的潤(rùn)濕。這個(gè)問題在把顆粒噴射到與氧有高的親和力的金屬(鋁、鎂等)液時(shí)特別突出。上述因素也阻礙著通過把顆粒-晶核注入金屬液中作為對(duì)合金的直接變質(zhì)處理的技術(shù)的實(shí)施，妨礙噴射入粉末狀合金組分來(lái)使金屬液合金化，并阻礙著在合金生產(chǎn)中特別在鋁-硅系統(tǒng)的合金生產(chǎn)中合金材料(例如硅)的粉狀廢料的應(yīng)用。
所提出的技術(shù)以及實(shí)行這一技術(shù)的裝置的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是可以把摻入物(在生產(chǎn)復(fù)合材料時(shí))或結(jié)構(gòu)成分(在生產(chǎn)合金時(shí))的細(xì)顆粒噴射到金屬液中，按照?qǐng)D3的示意圖形成合金結(jié)構(gòu)。
將所要的摻入物顆粒噴射到?jīng)]有該組分原子的基體中(圖3a)。當(dāng)結(jié)構(gòu)組分(AxBy)和合金組分B在基體A中的溶解達(dá)到系統(tǒng)平衡時(shí)，加入基體中的顆粒在合適的溫度下分散到飽和狀態(tài)的濃度，并且尺寸減小，這方法是很好控制的，并且允許生產(chǎn)具有溶解度有限的預(yù)定成分的合金。
在“鑄造的金屬-陶瓷顆粒復(fù)合材料的凝固、結(jié)構(gòu)和性能”(Rohatgi P.K，Asthana R.，Das S.-Inst.Metal Rev，-1986-vol 31，N3-pp15-139)闡述了生產(chǎn)鑄造復(fù)合材料的一個(gè)方法的主要步驟，包括-生產(chǎn)基體金屬液;
-把固體顆粒均勻分布在金屬液中;
-使合成的復(fù)合材料結(jié)晶。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)用下列的方法把超細(xì)顆粒注入到合金液中，如在“鑄造鋁-石墨顆粒復(fù)合材料-一種潛在的工程材料”(Rohatgi P.K.，Das S.Dan T.K.-J.Inst.Eng.，-March，1989-Vol 67，N2-pp77-83)中所說(shuō)明的方法，包括-機(jī)械攪拌金屬液及加入的顆粒;
-把制成粉末狀的基體金屬和增強(qiáng)顆?；旌铣傻姆哿簩?shí)，接著把顆粒料插入金屬液中并進(jìn)行機(jī)械攪拌;和-用超聲幅射法使顆粒分散在金屬液中。
在生產(chǎn)鑄造金屬基體復(fù)合材料時(shí)遇到的問題是增強(qiáng)的摻入料顆粒與基體金屬液之間缺乏潤(rùn)濕性或潤(rùn)濕性低，和由于基體和摻入料之間的密度差大而造成鑄造材料的不均勻性。
在“石墨與液態(tài)鋁的潤(rùn)濕性和合金化元素對(duì)潤(rùn)濕性的影響”(Choh Takao，Kemmel Roland，Oki Takeo-Z.Metallklunde-1987-Vol 78 N4-pp286-290)中論述了提高增強(qiáng)摻入料顆粒與基體金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度的若干工藝方法，這些方法是-把對(duì)金屬有親和力的涂層涂復(fù)在增強(qiáng)摻入料顆粒的表面上;
-把表面活性劑加到基體金屬液中;
-提高熔化溫度。
還有一種已知的生產(chǎn)復(fù)合材料的方法(日本專利申請(qǐng)?zhí)?6-141960，申請(qǐng)日1980，4，8和專利號(hào)55-4595
公開日1981，11，05)建議使用與各種金屬材料能充分相容的直徑為150微米的天然空心的細(xì)球以及石墨粉、TiB2、氮化鋁和氧化鋁作為摻入料，再加入0.05～5.0%(重量)的薄片狀石墨和金屬鈣到金屬液中以保證材料的均勻性。
這一方法的缺點(diǎn)是必須把可溶解在液態(tài)基體金屬中但實(shí)際上不可溶在固態(tài)基體中，并且會(huì)與基體形成一種脆性的共晶組分的元素(鈣)加入到金屬液中去，這就導(dǎo)致基體及復(fù)合材料本身的機(jī)械性能的降低。此外，使用上述尺寸(150微米)的空心細(xì)球作為摻入料并不改善機(jī)械性能的絕對(duì)值，而只能對(duì)每單位質(zhì)量的相對(duì)值有一些改善。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)(Met.Trans，1978，V9，N3，pp383-388)是使用熔融基體金屬-Mg、Al、Fe、Ni、Cr、Co中加入尺寸為0.01-10微米的不溶性氧化物顆粒(Al2O3、BeO、CaO、CeO2、TiO2、MgO、ThO2、VO2、ZrO2)和Nb、Ta、Hf、Ti、Zr的碳化物、硼化物和氮化物來(lái)制造復(fù)合材料。顆粒以粉末或細(xì)纖維狀加入。為了保證顆粒在金屬液中均勻地分布，將它們?cè)谟锜徇^的惰性氣體(Ar，He)流中噴射入，同時(shí)強(qiáng)烈攪拌基體金屬液。顆粒的體積百分比的范圍是0.5%到20%。另外，把一種能改善顆粒-金屬液的界面間的表面活性的元素加入到金屬液中。注入表面活性金屬(Mg，Si，Ti，Zr，V，Nb)確保在氧化物上形成一種能顯著提高系統(tǒng)濕潤(rùn)性的親金屬的外皮，并且在30分鐘內(nèi)不會(huì)發(fā)生偏析。
上述的方法有下面的缺點(diǎn)1.由于需要噴射入表面活性金屬，而在很多情況下這類元素會(huì)導(dǎo)致所得到的復(fù)合材料的工藝性能及機(jī)械性能降低，因此得到的基體金屬液的化學(xué)成分是有限的。
2.在凝固過程中沒有攪拌，特別對(duì)于凝固時(shí)間長(zhǎng)的情況，將促使形成偏析和層狀區(qū)域結(jié)構(gòu)，因此降低了所獲復(fù)合材料的質(zhì)量;
3.增強(qiáng)顆粒的不可溶性排除了采用這種方法來(lái)生產(chǎn)具有以那些元素或其化合物的超細(xì)顆粒來(lái)增強(qiáng)的基體的各種材料的可能性，而那些元素在傳統(tǒng)上是通過基體金屬與合金化元素共同結(jié)晶隨后進(jìn)行熱-機(jī)械加工來(lái)生產(chǎn)的那類材料的強(qiáng)化元素。
本發(fā)明的目的是通過提高增強(qiáng)摻入料顆粒分散的均勻性和它們基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)改善復(fù)合材料的質(zhì)量，并能廣泛使用陶瓷顆粒、金屬和包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等的金屬間化合物、石墨和玻璃來(lái)提供多種復(fù)合材料。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種制造復(fù)合材料的方法，包括以下步驟把磨成粉末的固體添加劑顆粒夾帶在惰性氣體中，這些顆?？梢允翘沾?、金屬、包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物的金屬間化合物、石墨、玻璃;電離惰性氣體以把固體顆粒加熱到低于因熔化、升華或分解使顆粒成為非固態(tài)的溫度、但是高于該顆粒熔點(diǎn)的一半的溫度;把電離的夾帶氣體和夾帶了已加熱的固體顆粒的流噴射到金屬液中，同時(shí)使金屬液保持充分?jǐn)噭?dòng)來(lái)促使和保持加入顆粒的分散，在復(fù)合材料凝固的同時(shí)使含固體顆粒的金屬液中保持?jǐn)噭?dòng)直到完全凝固為止。
下面通過附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，附圖中

圖1、4和5示出實(shí)施本發(fā)明的各種實(shí)施例的裝置;
圖2和3示出在形成合金過程中發(fā)生的冶金狀態(tài)。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，基體金屬液可以是鋁、鐵、銅、鎂、鎳、鈷、和鉻。合適的基體金屬是上述金屬的合金(其中它們是主要成分)，例如含鎂高到40%(重量)的鋁合金、鋼、鑄鐵和可鍛鑄鐵等。鎂、銅、鎳、鈦和它們的合金也適合用作基體金屬。
增強(qiáng)用的摻入料顆粒很細(xì)，平均尺寸為1至100微米。顆?？梢允遣慌c基體形成化合物的金屬(如硅加入鋁中);金屬間化物(如TiAl3，ZrAl3，F(xiàn)eAl3，F(xiàn)e2Al5，CrAl7，CrAl3，NiAl3，Co2Al9，ScAl3);碳化物(如SiC，TiC，WC，NbC，F(xiàn)e3C);氮化物(如ZrO2，Al2O3，TiO2，B2O3)和其它的陶瓷材料(如藍(lán)寶石，玻璃，石墨和碳氮化物)。還可以用在金屬?gòu)浬?qiáng)化中常用的其他顆粒材料，只要這些材料在本工藝的各工序中能保持足夠的熱力學(xué)穩(wěn)定性。
在本發(fā)明中使用的夾帶惰性氣體最好是氬或氦，盡管其它惰性氣體也可以使用。惰性氣體被電離，夾帶的顆粒在噴射到金屬液中以前在電離的惰性氣體中預(yù)熱到低于顆粒熔化、升華或分解的高溫;也就是，在可能的情況下加熱到大約為0.9的熔點(diǎn)、升華溫度或者分解溫度。在更高的溫度下，顆?；蛘邥?huì)聚集而在金屬液中生成不希望有的大顆粒，或者導(dǎo)致顆粒成分與要求的成分不一樣?；蛘呤乖诮饘僖褐兴蟮念w粒的量大大損耗。在顆粒的溫度低于0.5的熔點(diǎn)(或升華溫度或分解溫度)時(shí)，則制成的復(fù)合材料產(chǎn)品的強(qiáng)度、硬度、結(jié)構(gòu)均勻性、分散顆粒的均勻性和均質(zhì)性都沒有提高。
預(yù)熱顆粒的溫度區(qū)間用試驗(yàn)確定，其根據(jù)就是能對(duì)各相間的相互作用提供必要的和足夠程度的活化作用，從而保證通過在金屬液表面的基體流中的顆粒的離子腐蝕及分裂過程中從顆粒的表面除去吸附的氧而使顆粒和基體金屬之間保持強(qiáng)有力的結(jié)合。
對(duì)具體的顆粒材料適用的溫度范圍可以從手冊(cè)之類公開的溫度數(shù)據(jù)查到或用Agema公司等生產(chǎn)的精度為±1℃的高溫測(cè)定裝置來(lái)確定。但是，建立基本條件通常是更為方便的，特別當(dāng)使用金屬間化合物之類的顆粒并且不能很方便地查到公開的數(shù)據(jù)的時(shí)候。例如，在制造復(fù)合材料前，對(duì)預(yù)熱階段用的氣體電離裝置制定一個(gè)試驗(yàn)程序，對(duì)于一具體的裝入顆粒和氣體流，在電離氣體中顆粒的駐留時(shí)間增加到剛好能觀察到顆粒熔化(升華或者分解)的溫度，然后稍微降低以避免熔化，等。那么這些過程的條件就是0.9熔化溫度。在顆粒發(fā)生熔化的駐留時(shí)間的一半將相應(yīng)于0.5熔點(diǎn)。遵照技術(shù)人員都熟知的原理，通過調(diào)節(jié)氣體流和顆粒裝載量，可同樣地確定經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間間隔。
下面的表A列出了本發(fā)明選用的特別有效的顆粒材料，表中也列出了加入顆粒的溫度范圍，并列舉了典型適用的基體金屬成分。
表A顆粒 顆粒尺寸 加入的溫度范圍 基體金屬液(成分)(微米) (℃)SiC 5-50 1100-2000 鋁鋁合金Al-4%Cu-1.5%Mg-0.5%Mn鐵TiAl31-10 670-1200 鋁鋁合金Al-4%Cu-1.5%MgTiB25-10 1400-2500 鋁，鋁基合金Si3N41-5 950-1710 銅，鎳石墨 5-50 1800-3240 Al-12%Si
在本發(fā)明中，可以加入大約0.5%(重量)到25%(重量)的摻入料到基體金屬熔池中，要加入具體的顆粒材料及其量按照技術(shù)上已知的觀點(diǎn)來(lái)確定，以達(dá)到硬度、強(qiáng)度、延性和彈性等機(jī)械性能特別的提高或它們的綜合。
表B示出了典型的顆粒含量和成分基體材料以及機(jī)械性能的提高情況。
表B顆粒 加入量 基體金屬 提高的性能(成分) (重量%) (成分)1.sic 10 Al Rm＝200MPa，E＝120(KN)/(MM2) ，(K1)/(K2) =92.ZrAl3+Cr Al31+1 Al
TiAl315 Al
式中Rm-瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度Ra-屈服應(yīng)力E-彈性模量K-線性磨損率S-顆粒在基體中的比密度1，2，3-用在鋁基復(fù)合材料，鋁和Al-10%Ti上的指數(shù)在本發(fā)明的實(shí)踐中，很重要的一點(diǎn)是通過從加入固體顆粒的開始就使基體金屬液受到物理攪動(dòng)(例如，使之經(jīng)受連續(xù)的攪拌力)，一直持續(xù)到鑄造及鑄造金屬的凝固完成為止。開始，基體金屬液處在物理攪動(dòng)中，也就是在坩堝型容器中，攪拌力通過對(duì)本專業(yè)普通技術(shù)人員熟知的非干涉接觸的磁性裝置加到基體金屬熔池中。在本工藝的該階段，也可用已知類型漿葉的機(jī)械攪拌。攪拌程度應(yīng)當(dāng)足夠有力，例如應(yīng)當(dāng)可以觀察到熔池的連續(xù)旋動(dòng)，以保證加入的顆粒均勻地分散，在一定的時(shí)間間隔中可取出試樣進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)定。當(dāng)含顆粒的基體金屬準(zhǔn)備好用來(lái)澆注時(shí)，材料直接澆入到一個(gè)合適的鑄模中，并且使鑄模中的熔融材料保持物理攪動(dòng)，最好為振動(dòng)，在鑄模的外面施加超聲振動(dòng)，這樣在金屬液中保持振動(dòng)直到鑄模中的金屬完全凝固。施加超聲能量來(lái)提供物理攪動(dòng)應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度來(lái)保持在坩堝中已達(dá)到的均勻性，但是不應(yīng)該導(dǎo)致金屬液有明顯可見的運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，夾帶固體顆粒的電離惰性氣體流噴射到基體金屬熔池中使得固體顆粒能進(jìn)入熔池中的深度至少為5cm，例如約10%的熔池深度。
在液相體積從100%變化到0%，也就是完全凝固的過程中連續(xù)攪拌是本發(fā)明的一個(gè)前提，從而確保在上述各步驟中增強(qiáng)材料在基體中的均勻分布并提高顆粒-熔體界面的潤(rùn)濕性。在制造復(fù)合材料的液-固態(tài)的任何階段缺乏攪拌都將導(dǎo)致減弱基體金屬和顆粒之間的表面接觸，而形成不希望有的層狀結(jié)構(gòu)、偏析以及化學(xué)和組織的不均勻性。
增強(qiáng)顆粒在基體熔體中的熱力學(xué)穩(wěn)定性抑制著它們與基體金屬的化學(xué)作用和不希望有的非控制尺寸和形狀的化合物的形成，這樣就保證了(與現(xiàn)有技術(shù)相反)通過熔煉基體金屬制成含超細(xì)顆粒增強(qiáng)的合金，然后進(jìn)行共同的結(jié)晶和熱處理，從而制造出含有預(yù)定含量、預(yù)定尺寸和形狀的強(qiáng)化相的“金屬-金屬間化合物(金屬)”復(fù)合材料。
參見圖1，用石墨適宜地制成的坩堝(10)，內(nèi)含基體金屬例如鋁的熔池(1)，該金屬熔池(1)被一個(gè)普通的磁感應(yīng)器(4)攪拌使熔池(1)發(fā)生物理攪動(dòng)，熔池最好能強(qiáng)烈地旋動(dòng)(如圖1所示。坩堝(10)設(shè)置有一保護(hù)蓋(15)，在蓋中插入一個(gè)伸長(zhǎng)的電離室(2)。惰性氣體例如氬可控制地從管道(8)送入電離室(2)中，氣體按照已知的技術(shù)電離并產(chǎn)生等離子弧，在電離室(2)中達(dá)到8000℃到20000℃的高溫。磨成粉末的摻入料裝在帶有計(jì)量裝置(未示出)的料斗(3)中，計(jì)量裝置用來(lái)測(cè)量通過裝料管(16)裝入電離室(2)中的摻入料顆粒被迅速加熱到低于顆粒熔點(diǎn)的溫度，例如加熱到顆粒熔點(diǎn)的0.5到0.9之間的溫度。通過噴射惰性氣體并使它們滲入到金屬熔池表面以下的方法把夾帶在電離的惰性氣體(25)中的已知熱并活化了的顆粒導(dǎo)入到金屬熔池(1)中。由磁性感應(yīng)器(4)造成的在金屬熔池中的連續(xù)的物理攪動(dòng)把已加熱并激活的固體摻入料顆粒均勻地分散在熔池中。用例如熱電偶(未示出)來(lái)測(cè)量金屬熔池的溫度，以保證溫度低于會(huì)出現(xiàn)不希望有的摻入料顆粒熔化或分解的溫度。通過對(duì)在一定時(shí)間間隔從熔池中取出的試樣進(jìn)行分析來(lái)確定摻入料分散的均勻性。當(dāng)預(yù)定量的固體摻入料顆粒全都已經(jīng)加入到金屬熔池中時(shí)，打開在坩堝(10)底部的塞子(5)，使含有固體添加劑顆粒(0)的金屬液澆入鑄模(6)例如鋼模中，金屬液在鑄模(6)中凝固，包裹著均勻分散的固體摻入料顆粒。為了保證在凝固過程中，固體摻入料顆粒能保持均勻地分散在金屬液相中，在鑄模(6)上裝上一個(gè)超聲發(fā)送器(7)，用超聲能量振動(dòng)使得鑄模中的金屬液發(fā)生物理攪動(dòng)，直到所有的液相轉(zhuǎn)變成固相為止。
圖4(A)示出圖1所示的坩堝裝有一導(dǎo)管(20)，用來(lái)把反應(yīng)劑供入電離室(2′)中，通過高速的電離氣體(25)可把添加劑更深地滲入到金屬熔池中。圖4(B)示出圖4(A)的坩堝，但是在坩堝的底部送入電離的氣體和添加劑。惰性氣體形成氣泡(30)，這些氣泡在熔池表面被與金屬熔池上部相接觸的超聲發(fā)送器(12)所破碎和分散。
圖5示出了圖4(B)的坩堝，但是與圖4(B)不同的是其中超聲發(fā)送器(12)和電離的氣體(25)的噴出口偏離中心線設(shè)置，以便使含氣泡(30)的顆粒能有向上的螺旋運(yùn)動(dòng)。
實(shí)例為了試驗(yàn)本發(fā)明的方法，使用了未合金化的金屬鋁和鑄鐵，以及含4%Cu、1.5%Mg、0.5%Mn的鋁基合金(也稱為D16合金)。這些材料分別用作制造各種復(fù)合材料的基體金屬液材料。所使用的初始增強(qiáng)材料是做成粉末的5-50微米的碳化硅，1-10微米的鋁化鈦TiAl3以及10-100微米的鈦粉。
制造復(fù)合材料的試驗(yàn)是在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行的。坩堝由石墨制成，其中裝有基體金屬液(1)，夾帶增強(qiáng)顆粒的電離氬氣流被噴射到基體金屬液(1)中，增強(qiáng)顆粒被普通的等離子管型的電離裝置(2)預(yù)熱到預(yù)定的溫度，該電離裝置(2)配裝有計(jì)量裝置(3)，以便形成預(yù)定流速的粉末流通過電離裝置。顆粒溫度Tp是可以變化的，并可通過檢測(cè)噴射固體粉粒前后的基體金屬液的純度的變化進(jìn)行監(jiān)控。Tp用下式計(jì)算Tp=θ· (Cm)/(Cp) · (Mm)/(Mp) (1- (Tm·(1+KN))/(θ) )式中Q-在加添加甲基后的金屬液的溫度，℃Tm-在加入添加劑前的基體金屬液的溫度，℃Cm-基體金屬的比熱，Mm-金屬的質(zhì)量，KgCp-顆粒的比熱，Mp-顆粒的質(zhì)量，KgKN-無(wú)因次系數(shù)，考慮在用未加入顆粒的電離氣體的氣流處理時(shí)預(yù)熱的情況下，對(duì)金屬液表面的空氣冷卻的熱影響。對(duì)于5Kg的金屬液，電離的氬氣流為0.1M/min時(shí)，KN＝0.05-0.06。
在噴射添加劑的過程中用磁性感應(yīng)器(4)攪動(dòng)金屬液混合物。在加入預(yù)定量的固體添加劑后，從坩堝移去塞子(5)，讓液-固混合物通過坩堝底部的孔澆入鋼制的鑄模中。使用50mm直徑的鋼模(6)，并用超聲發(fā)生器(7)來(lái)攪動(dòng)金屬液-固體顆粒的混合物直到它們?cè)阼T模中凝固為止。將得到的2.5Kg的固體鑄件進(jìn)行熱擠壓。對(duì)下面一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量來(lái)對(duì)制得的復(fù)合材料進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。
-化學(xué)和結(jié)構(gòu)均勻性;
-增強(qiáng)顆粒的尺寸;
-復(fù)合材料的強(qiáng)度;
通過垂直于鑄造方向的鑄件各個(gè)橫截面中增強(qiáng)顆粒組分的含量變化來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合材料的化學(xué)不均勻性，化學(xué)不均勻性系數(shù)K由下式確定KC=Cmax-Cmin1nΣK=1nCK]]>式中Ck-在鑄件第K個(gè)橫截面的增強(qiáng)顆粒成分的含量，%(重量)。
n-所分析的橫截面的數(shù)目;
Cmax，Cmin-在鑄件橫截面中增強(qiáng)顆粒含量的最大值及最小值，%(重量)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)不均勻性用增強(qiáng)顆粒的平均尺寸的變化來(lái)評(píng)估，并用得數(shù)Kav來(lái)表示
式中di-第i個(gè)顆粒的平均尺寸，微米dmax、dmin-所分析的顆粒的最大尺寸及其最小尺寸。
n-被分析的顆粒數(shù)目。
復(fù)合材料的強(qiáng)度通過測(cè)量極限拉伸強(qiáng)度Rm，MPQ(UTS)來(lái)評(píng)估?；瘜W(xué)成分用精度為±0.01%的ARL72000定量?jī)x來(lái)測(cè)定;而結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用放大倍數(shù)達(dá)3000倍的Me F-3A光學(xué)顯微鏡和可定量測(cè)定結(jié)構(gòu)中元素的Omnimet2結(jié)構(gòu)分析儀來(lái)進(jìn)行測(cè)定。強(qiáng)度則用最大加力為100千牛頓的UTS-100拉伸試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定。所有上述設(shè)備都是普通設(shè)備。表1示出了試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明采用本發(fā)明的制造金屬基復(fù)合材料的方法的No6、9、12、36、42、51、57、66、69、72的試驗(yàn)中制造的復(fù)合材料試樣能確保最好的特性。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，制造復(fù)合材料的摻入料是在電離的夾帶氣體環(huán)境中人工合成出的。如此制造出的由清潔的電離氣體所包圍的初生材料加到基體金屬液中，而金屬液則用例如磁性和超聲技術(shù)等方法進(jìn)行物理攪動(dòng)以把人工合成的材料均勻地分散在金屬基體中。摻入料是用加入基本上按化學(xué)計(jì)算量的用以制造摻入料的反應(yīng)劑來(lái)進(jìn)行人工合成的。例如在制造氮化鈦填料時(shí)，把20-50微米的鈦粉按下式的比例夾帶在氮?dú)庵?Ti+N2-2TiNTi/N混合物通入電離的惰性氣體流中，并暴露在2200-3000℃溫度范圍的電離氣體中以足夠的時(shí)間，以便完成鈦和氮之間的反應(yīng)形成汽相的TiN，汽相的TiN被電離被電離的惰性氣體夾帶到例如鋁等基體金屬液的表面上，金屬液受到物理攪動(dòng)以使得氮化鈦均勻地分散在小的分割的體積中，在基體金屬凝固時(shí)，它們就提供了超細(xì)的增強(qiáng)摻入料顆粒。
其它的摻入料可以類似地合成出來(lái)，如下式3Si(粉末)+2N2-SiNTi(粉末)+3Al(粉末)-TiAl3基體金屬液的溫度保持能冷卻添加材料使得合成的添加材料不會(huì)意外地溶在基體金屬液中的溫度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，含碳的氣體，如碳?xì)浠衔?、丙烷、丁烷天然氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等在與電離惰性氣體的氣流的混合物中電離和離解。碳離解產(chǎn)物是單原子的碳，它作為摻入添加劑被噴射到基體金屬液中。對(duì)于含氧的氣體，被釋放的單原子氧是一種與基體金屬液例如鋁發(fā)生反應(yīng)，并在金屬液中形成超細(xì)的氧化鋁Al2O3摻入料顆粒的電離氣體流。
按照列在表2中的條件和使用表2中材料的本發(fā)明的實(shí)踐，將所述的添加劑加入到所述的基體金屬液中來(lái)制造具有改善的機(jī)械性能的復(fù)合材料。
表 權(quán)利要求
1.制造復(fù)合材料的方法，包括下面的步驟把磨成粉粒的添加劑顆粒夾帶在電離的惰性氣體流中，電離惰性氣體、用電離氣體產(chǎn)生的熱把固體顆粒加熱到低于因熔化、升華或分解會(huì)使固體顆粒成為非固態(tài)的溫度，但是高于該熔化、升華或分解溫度的一半；把所述的電離的惰性氣體流和夾帶有加熱了的固體顆粒的流噴入到金屬液中形成細(xì)散固體顆粒與金屬液的混合物，然后在金屬液和固體顆粒的混合物中造成物理攪動(dòng)使固體顆粒均勻分布在金屬液中，對(duì)金屬液持續(xù)進(jìn)行物理攪動(dòng)直到細(xì)散顆粒和具體金屬的混合物完全凝固為止。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于金屬液和固體顆粒開始就裝在坩堝中，所述的攪動(dòng)由設(shè)置在坩堝外面的磁性裝置提供，一部分所述的金屬液和固體顆粒的混合物澆入鑄模中，并由設(shè)置在鑄模外的超聲裝置提供對(duì)混合物的攪動(dòng)。
3.制造復(fù)合材料的方法，包括下面的步驟把一定比例的細(xì)粒固體和/或氣相反應(yīng)劑夾帶在電離惰性氣體的氣流中以便通過反應(yīng)來(lái)形成預(yù)定的成分，上述的夾帶在所述電離惰性氣體中的反應(yīng)劑進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物滲入到金屬熔池中;對(duì)所述金屬熔池進(jìn)行物理攪動(dòng)，使所述的反應(yīng)產(chǎn)物均勻地彌散在熔池中。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的基體金屬是選自鋁、鐵、鎂、銅、鎳、鉻、鈦中，所述的添加劑材料是選自基體金屬中的一種和其它金屬的二元或多元化合物，或者是金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。
5.一種具有均勻分布的成分的復(fù)合材料或合金，所述的復(fù)合材料或合金是通過把被電離氣體加熱了的添加劑顆粒噴射到被物理攪動(dòng)的基體金屬液中并從噴射區(qū)中不斷地移出所合成的材料，然后在連續(xù)保持物理攪動(dòng)的條件下進(jìn)行冷卻而制成。
6.按照權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料或合金，其特征在于所述的基體金屬是選自鋁、鐵、鎂、銅、鎳、鉻、鈦，所述的添加劑材料是選自基體金屬中的一種和其它金屬的二元或多元化合物，或者是金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。
7.制造復(fù)合材料的裝置，包括(Ⅰ)容納基體金屬液的坩堝;(Ⅱ)在坩堝附近設(shè)置的等離子體發(fā)生裝置，用來(lái)接收惰性氣體氣流和被夾帶的摻入料顆粒，并對(duì)上述的惰性氣體進(jìn)行電離，并從而加熱所述的填料顆粒;(Ⅲ)把所述的電離了的氣體和加熱了的顆粒噴射到所述的坩堝中并滲入坩堝中的金屬液中的機(jī)構(gòu);(Ⅳ)裝在坩堝旁邊的連續(xù)攪動(dòng)金屬液的機(jī)構(gòu);(Ⅴ)接收坩堝中放出的含有填料顆粒的金屬液的鑄模裝置;和(Ⅵ)裝在鑄模裝置旁邊的連續(xù)攪動(dòng)金屬液的機(jī)構(gòu)。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的坩堝是帶蓋的，噴射電離氣體和加熱的顆粒的裝置穿過該蓋子。
9.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于攪動(dòng)坩堝中的金屬液的裝置是磁性攪拌機(jī)構(gòu)。
10.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于攪動(dòng)鑄模內(nèi)的金屬液的機(jī)構(gòu)是超聲發(fā)送器。
11.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于噴射電離氣體和加熱的顆粒的機(jī)構(gòu)穿過所述的坩堝的底部。
12.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的超聲發(fā)送器設(shè)置在附近坩堝的上部。
13.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的超聲發(fā)送器和噴射電離氣體和加熱的顆粒機(jī)構(gòu)是水平設(shè)置的，使坩堝中的金屬液產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
制造復(fù)合材料的方法，包括把磨成粉粒的添加劑顆粒夾帶在電離的惰性氣體流中，電離惰性氣體、用電離氣體產(chǎn)生的熱把固體顆粒加熱到低于由于熔化、升華或分解使固體顆粒成為非固態(tài)的溫度。然后，把所述的氣體流和所夾帶的加熱了的固體顆粒噴射到金屬液中，形成細(xì)散固體顆粒與金屬液的混合物，然后在金屬液和固體顆粒的混合物中造成物理攪動(dòng)使固體顆粒均勻分布在金屬液中，這種物理攪動(dòng)要持續(xù)到固體顆粒金屬液的混合物完全凝固為止。
文檔編號(hào)C22C1/10GK1062769SQ91109009
公開日1992年7月15日 申請(qǐng)日期1991年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月19日
發(fā)明者保瑞斯夫, 保瑞森考, 伊萬(wàn)晨可, 卡路司克, 保德諾娃, 雷潑堡特, 彼羅瑟夫, 帕維羅夫, 彼羅耶夫, 武爾克夫, 赦斯泰爾夫 申請(qǐng)人:全蘇鋁鎂、電極工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院