[发明专利]一种金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，特别涉及一种脉冲气流法制备金 属基复合材料的方法，属于有色金属制备与加工领域。

背景技术

现代社会发展对材料的要求越来越高，例如在结构材料方面往往需要材料有高 的比强度和比刚度。复合材料作为一种人为设计的材料，能够很好的满足这些需要。 复合材料一般由基体和增强体组成，颗粒增强金属基复合材料就是在金属基体内加 入增强颗粒，这些增强颗粒均匀分布在金属基体中，使材料表现出特殊的性能。目 前，多种颗粒增强金属基复合材料以得到应用，如SiC颗粒增强铝基和镁基复合材 料。

现有的颗粒增强金属基复合材料的制备工艺主要有粉末冶金法、搅拌铸造法和 原位再生法等。粉末冶金法能制备出高性能的复合材料，但该方法需要有制粉、混 粉、热压等工艺过程，因此复合材料的制备成本很高，无法得到广泛应用。原位再 生法通过控制熔体内化学反应得到所需增强颗粒，该方法工艺流程简单，但对基体 材料及增强颗粒的种类局限性很大，而且增强颗粒的体积分数较低，难以得到实际 应用。搅拌铸造法是一种低成本的复合材料制备工艺，该方法主要通过搅拌器的高 速旋转在熔体中产生强紊流，实现增强颗粒在熔体内的均匀分布，目前国内外已有 多项机械搅拌器的专利，如美国Dural公司申请了机械搅拌制备复合材料的专利 US4759995，并采用该专利技术制备了SiC颗粒增强铝基复合材料。东北大学申请 了电磁搅拌制备铝基复合材料专利ZL03134180.2，并用该专利制备Al₂O₃颗粒增强 铝基复合材料。但是，现有的机械搅拌方法大多暴露在空气中进行，紊流熔体与空 气接触会导致熔体内吸气严重，而且会形成大量氧化物夹杂，使复合材料的力学性 能恶化；高温金属熔体对搅拌器有较强腐蚀性，高速搅拌会加速这种腐蚀，而且腐 蚀产物会进一步污染金属熔体。由于这一系列原因，限制了搅拌铸造方法的普遍使 用。目前，需要开发出能制备低成本、高质量的复合材料新方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有复合材料制备方法存在的缺陷，提供一种适用范围 广，对复合材料无污染，成本低，效率高，具有良好的应用前景的金属基复合材料 的制备方法，采用该方法能获得高质量的颗粒增强金属基复合材料。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种金属基复合材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将基体金属投入熔炼炉内熔化至液态；将尺寸为0.5μm～20μm、5～ 30vol.％的增强颗粒放入坩埚内并预热到相近的温度，坩埚底部安装有喷嘴；

(2)将70～95vol.％基体金属熔体倒入坩埚内，在坩埚上部安装防护罩和坩 埚盖；打开高压气瓶、调节减压阀和脉冲信号发生器，脉冲气流经电磁阀进入坩埚 内并从喷嘴中喷出，其中减压后气压范围为0.1～0.9MPa，脉冲信号频率范围1～ 30Hz；

(3)脉冲气流在熔体内形成气泡，并逐渐膨胀上升，带动坩埚底部增强颗粒 进入熔体内部，同时熔体沿坩埚内壁下行，熔体的对流运动使增强颗粒逐渐分散到 熔体内部；

(4)气泡周期性的产生和上升及破裂带动整个坩埚内熔体产生强紊流，金属 强烈的紊流使团聚的颗粒分散开，根据金属熔体多少和增强颗粒大小确定脉冲气流 处理时间，最终增强颗粒均匀分散到之中；

(5)将分散均匀的复合材料熔体进行铸造成形，得到复合材料铸锭或成形件。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的基体金属材料为铝合金、 铜合金、镁合金。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的增强颗粒为SiC、Al₂O₃、 MgO、B₄C。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的喷嘴可以有一个或多个， 喷嘴结构为环孔结构，其中中心孔为气体入口，四周孔为气体出口，气体出口的中 心线与气体入口中心线的角度α/2为15～60°。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)所述坩埚上部安装的防护罩与 坩埚内壁有一定间隙，防护罩为锥形结构，圆锥角β范围为90～170°。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)所述的高压气瓶中储存惰性气 体。