[发明专利]一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及到一种组合电磁场下熔体反应合成内生颗粒增强相的金属基复合材料的新方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及力学性能，已成为一种应用越来越广泛的新型金属功能材料。按增强相形貌划分，金属基复合材料主要分为颗粒增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料两大类。颗粒增强金属基复合材料的突出优点是比强度高、增强体成本低、微观结构较均匀、材料性能各向同性、可采用传统加工工艺进行二次成型等。目前，颗粒增强金属基复合材料的制备方法较成熟的主要有两种：外加增强颗粒法和原位反应生成法。外加增强颗粒法以金属熔体外加增强颗粒搅拌合成为主；原位反应生成颗粒法制备颗粒增强金属基复合材料的原理是在金属基体熔液中加入或通入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定温度下与金属基体熔液发生反应，形成原位增强颗粒复合材料。

上述两种制备颗粒增强金属基复合材料的方法各有特点，但其制备过程中的最大难点却是一个相同的问题，即如何在保证金属基体性能的前提下，控制颗粒增强相的尺寸、分布、形貌以及颗粒相与基体金属的界面润湿性等特征，以保证复合材料具有组织均匀、致密，颗粒细小、弥散，材料综合性能优良等目标。解决该问题的最有效方法是采用熔体搅拌法，研究报道和工业上应用的搅拌法包括机械搅拌法、气体搅拌法和电磁搅拌法。机械搅拌法是最简单直接的方法，由于存在效率低，搅拌装置污染金属熔体并向熔体内部带渣等缺点，不利于大规模连续化生产采用及提高产品质量。气体搅拌法的不足主要是搅拌强度有限、搅拌不均匀以及喷吹气体带渣污染熔体等，也不利于提高产品质量。电磁搅拌实现无接触搅拌，不破坏熔池的氧化膜及顶渣保护层，不会给熔体带来污染，而且搅拌强度易于实现精确调控，在冶金与材料制备过程中应用越来越广泛。

目前，单一电磁场搅拌作用下制备金属基复合材料已经有几个专利技术，如中国专利：CN 1667147C，公开日为：2005.9.14，发明名称为：一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该专利提出采用熔体反应法+电磁搅拌处理+半连铸成型集成技术。该方法是将含有增强颗粒形成元素的化合物在某一温度下加入到熔融的铝或铝合金中，同时施加电磁搅拌，使之充分反应，并使内生颗粒在熔体中分布较均匀，获得的复合材料熔体，经半连铸成棒材。中国专利：CN 101199989，异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，提出在复合材料熔体制备过程中施加低频交变磁场：频率为5～50Hz，功率范围为5～60kW，进行电磁搅拌。以上电磁场下制备颗粒增强复合材料所采用的磁场都为单一旋转搅拌磁场，电磁场也起到明显的作用效果，但随着技术的发展及对复合材料性能、质量要求的提高，单一磁场搅拌下合成金属基复合材料存在的问题逐渐凸现，特别是单一磁场下搅拌，颗粒相容易出现偏聚，形成局部密集或团簇状分布，导致材料的组织性能出现不均匀性。分析该问题产生的原因如下：

由于颗粒增强相与基体金属熔体在物理性能方面存在差异，所以含颗粒增强相的金属熔体具有非均质非连续的特征，颗粒增强相与基体金属在电磁特性方面的差异使两者受到的电磁力不一致，而且由于颗粒相与基体金属液在密度、润湿性方面存在差异，颗粒相在金属熔体内容易偏聚，例如，施加旋转磁场搅拌时，若颗粒相的密度大于熔体的密度较多，颗粒相在旋转离心力的作用下，向熔体外围偏聚。施加行波磁场搅拌时，非磁性的颗粒相不受电磁力作用，在熔体上下搅拌过程中，由于颗粒相与熔体间的密度差异，颗粒相易于上浮或沉淀，增强相的收得率下降。因此，对含颗粒增强相的金属熔体施加单一磁场的电磁搅拌也很难取得非常理想的效果。

为解决单一磁场搅拌下存在的上述问题，申请者提出了组合磁场下合成金属基复合材料的新方法，使颗粒相在基体金属熔体内得到更有效地细化效果并达到理想的均匀分布效果。

发明内容

本发明的目的是：针对目前合成颗粒增强金属基复合材料存在的主要问题，提供一种工业规模连续化合成颗粒增强金属基复合材料的方法，即颗粒增强金属基复合材料熔体在组合磁场电磁搅拌(EMS)作用下合成，经半连铸成型得到坯料或模铸成型制成铸件。

本发明的基本思路是：在颗粒增强复合材料的合成过程同时施加旋转磁场(R-EMS)和行波磁场(T-EMS)进行复合磁场下的电磁搅拌，旋转磁场电磁搅拌实现金属熔体的圆周运动，即旋转运动，行波磁场实现金属熔体的垂直(上下)搅拌运动，因此，在旋转磁场和行波磁场共同作用下，金属熔体实现螺线型运动。组合磁场下的螺线型搅拌可以克服单一磁场电磁搅拌的不足，使颗粒相在熔体内的分布更加均匀细化，其原理结合图1，分析如下：