[发明专利]新型颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及其专用设备

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种金属基复合材料的制备工艺及设备，特别是涉及一种铝基复合材料的制备工艺及其专用设备。

二、背景技术：

金属基复合材料具有高的比强度、比模量与比刚度，良好的高温性能与耐磨性、尺寸稳定，热膨胀系数小并可调整等一系列性能优势。目前这种材料特别是其中的铝基复合材料已经在航空航天、军工、能源、汽车等工业方面得到应用。从发展趋势来看，这种材料的应用范围会随着其制备技术的不断成熟与成本的不断下降从以高科技领域应用为主向普通工业与民用方向转化。

事实上，限制铝基复合材料广泛应用的主要原因是该材料的制备技术难以满足大规模生产的需要，因此材料制备的技术的发展与突破是解决这一问题的关键。目前制备的方法包括挤压铸造法、粉末冶金法和液态搅拌法等，从这些制造方法上分析，挤压铸造法对增强相的体积分数控制比较困难，而且工艺过程比较复杂，难以适应大规模生产的需要，普通的粉末冶金法由于是在固态下成型，产品的形状受到一定的限制，而且也不利于大规模生产，液态搅拌法所面临的主要困难则是增强相分布均匀性的问题。而金属基复合材料的性能在很大程度上取决于其中的增强相在基体中的分布情况，只有当增强相在基体中均匀分布时才能起到最佳的增强效果。从这个意义上讲，在材料制备技术方面的突破使其能够满足工业化生产的需要，是使这种材料获得进一步应用的前提，因而具有十分重要的意义。

目前，对于SiC颗粒增强铸造铝基复合材料的制备工艺设备主要是采用以下两种工艺：第一种工艺，通过保护气体将SiC颗粒吹入混合池底部，在搅拌装置的作用下，SiC颗粒与铝基母材结合在一起。该工艺的缺点是随着保护气体的上升，小气泡黏附在SiC颗粒上，上浮至液面，形成一定量的浮渣，并且降低了SiC颗粒在复合材料中的含量。另外，在机械搅拌的过程中，SiC颗粒与铝基母材不完全接触，导致SiC颗粒分布不均匀，直接影响复合材料的机械性能。第二种工艺，采用在真空条件下进行加料和铸造，相对来说成本比较高，适合小批量生产，无法实现工业化生产。以上两种工艺有一个共同特点，都是采用以精练铝基母材为熔体，铝锭的熔化和混合过程分别在独立的设备中进行。因此，生产成本相应提高。

复合材料制备水平的高低直接影响到复合材料性能的好坏和复合材料成本的高低。增强体颗粒加入到铝合金后可引起基体合金微观结构的变化，同时使合金的性能发生改变。铝基复合材料力学性能视制备工艺、增强体种类、尺寸和体积分数、基体合金及热处理的工艺不同而存在一定差异。因此，研制或选用新的低成本增强材料、研制低成本的制造工艺，是降低价格、推广开发金属基复合材料工程应用的有效途径。

公开号为CN1932053A的发明专利，公开了一种铝基复合材料的工业化制备工艺，该方法将铝粉和碳化硅颗粒料直接混合，再经加热浇铸得到产品。和本发明相比，该工艺生产过程中熔化的金属易被氧化，而且碳化硅颗粒料在其中的分布不均匀，直接影响材料的性能和质量。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供了一种碳化硅颗粒料分布均匀、生产成本低的新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，还提供了一种结构简单、控制方便、减少中间环节、生产效率高的生产该铝基复合材料的专用设备。

本发明的技术方案：

本发明的新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括熔化和混合过程，制备过程在保护气体的环境下进行，熔化和混合过程在密闭的连体的设备中进行，具体步骤如下，

(1)将铝基体合金由熔化池的加料口加入，其占原料总体积的70～90％，在熔化池中将铝基体合金熔化，熔化池温度控制在高于铝基体金属熔点50℃，并保持此温度恒定，

(2)打开熔化池底部的阀门，熔化的液态铝基体合金直接流入混合池，当混合池液位达到规定高度后关闭所述的阀门，

(3)从混合池顶部的加料口加入平均粒度为5～14μm的经预处理的SiC，加料时采用铝壳为包裹材料的加料棒，加入的SiC体积占原料总体积的10～30％，随着加料棒铝壳的熔化SiC熔入铝基体合金中，再搅拌0.5～1h，搅拌速度为600～1000r/min，使SiC颗粒均匀分布于熔化的铝基体合金中，

(4)然后通过出料泵将料送至模具中，直接制成坯料或浇铸成产品。

所述的铝基体合金牌号采用6061基体合金，其化学成分为Al-1Mg-0.6Si，也可采用其他铝合金，如2A12。高含量的合金具有较低的液相线，这样就降低了复合过程中铝与碳之间的反应动力，避免界面反应产物对力学性能的损害。