[发明专利]铝基电厂飞灰复合材料及其制备方法和装置

说明书

本发明涉及一种以铝及其合金作为基体材料，以电厂飞灰作为添加相的铝基电厂飞灰复合材料。

本世纪七十年代以来，科学枝术在生产和生活的各个领域获得突飞猛进的发展。特别是航空航天等高新技术的发展，对材料的各种性能提出了一系列的新要求。其中主要包括：要求材料的比刚度、比强度高；耐腐蚀、耐磨损。并且具有优良的低温和高温性能。有一定的化学和尺寸稳定性。铝基复合材料正是近年来发展起来的、具有这种性能的一类新材料。它兼有铝合金的比重小、耐腐蚀和添加相的高强度、高刚度的优点，同时又增加了耐磨性好、耐冲击和减震性好的特点。在巨大社会需求的推动下，铝基复合材料成为材料科学界普遍受关注的焦点课题，成为金属基复合材料行业的先锋。

发明专利ZL85100575报导了一种陶瓷铝合金及其制造方法。这种复合材料中添加不经包覆的铝矾土颗粒作为强化相，用复合铸造法、旋涡法等工艺加到铝或铝合金中，制成陶瓷铝合金。该发明制造工艺简单、成本低廉，可以用于活塞、缸套等摩擦副，用于涡轮发动机的压缩机叶片、热交换器等耐热部件，用在防弹板、屏蔽材料，也可降低装饰件的制造成本。但是从该产品金相图片可以看出，铝矾土的分散性不好，在合金中成团絮状分布。合金的各方面性能都会受到不同程度的影响。发明专利CN1033987A公开了一种采用阻挡层制备金属基复合材料的方法。该发明先作出一块可渗性陶瓷块状材料，其确定的表面临界层具有阻挡层，再在含10％至100％左右氮气体积、其余为非氧化气体即氩气或氢气的气体中，将熔融铝镁合金与该可渗透块材料接触。在常压下，熔融合金自发深入陶瓷块直至达到阻挡层为止。合金固体可置于具有阻挡层的可渗透性陶瓷材料基床附近，并加热至熔融态，最好是至少700℃左右，以便用渗透法形成网状铝基体复合物。除镁外，辅助合金元素可与铝同用。生产的复合物可在铝基体中包含不连续的氮化铝相。该方法所生产合金的质量较高，性能稳定。但是生产效率低，难以形成批量规模。发明专利CN 1105301公开了一种铝基陶瓷复合材料活塞的铸造生产工艺。该发明选用ZL108合金作为基体材料，碳化硅颗粒作为陶瓷添加材料，按SiC占8～12％、ZL108合金占88～92％的比例配制，经搅拌法复合或悬浮浇杯法复合而成。发明人称该发明不仅能够满足引进和自行设计的新一代发动机活塞配套技术的要求，而且为开发适应国际市场要求的高速高功率发动机活塞开辟了道路。发明专利CN 1104568A公布了一种非连续增强铝基复合材料的两级加压挤压铸造制造非连续增强铝基复合材料的方法。其中第一级压力选取较小的压力值，第二级压力选取较大的压力值。这种方法既能减少增强体预制块在挤压过程中的变形，又能降低复合材料中的孔隙率。这种制造方法属于挤压铸造范畴。只能用于比较小尺寸零件的制造，并且同样存在工艺复杂、成本较高等问题。

本发明的任务是在铝合金基体中，以电厂排放的废料电厂飞灰为添加相，制备一种使用性能和复合工艺性能优于现有铝基合金复合材料，特别是具有较好的耐磨性和减振性的铝基电厂飞灰复合材料，以及这种复合材料的制备方法和装置。

制备铝基电厂飞灰复合材料的技术方案是：

本发明的复合材料是由铝、基本强化元素、晶粒细化和硅相变质剂、电厂飞灰以及杂质组成，其基体分别选用多种铝合金材料、添加相材料选择了火力发电厂作为废料排放的飞灰。电厂飞灰以圆形和椭圆形为主，部分飞灰颗粒具有空心或多孔结构。

基体合金的成分设计主要考虑复合材料的使用性能和复合工艺性能。使用性能主要是指其力学性能(σ_sσ_bσ_tδ)，物理性能(α、ρ)，化学性能(耐蚀、着色)。工艺性能主要指铸造工艺性能(合金熔体的流动性、合金熔体对飞灰颗粒的润湿性)。

为了保证复合材料的力学性能，基体合金中应该含有一定量的镁、硅、铜、锌、锰等形成强化相的元素。

镁在铝基电厂飞灰复合材料中具有特殊的意义。它不仅可以和硅等元素形成强化相，提高基体合金的强度、硬度，而且明显改善合金熔体对飞灰颗粒表面的润湿性，加速复合过程，减少界面缺陷，提高界面结合强度。具有类似作用的其它元素还包括：钙、铜、铈、镧、锂等活性元素。

锰在合金中一方面起消除针状铁相，降低铁相有害作用，另一方面提高合金的耐蚀性。

硅的含量较少时，微量的硅主要与镁形成强化相。当硅的含量较高时，它可以显著改善合金的流动性，减少铸造缺陷。降低合金的膨胀系数，保证零件的尺寸稳定性。在铝基电厂飞灰复合材料熔体中，硅的存在可以在一定程度上抑制铝、镁等活性元素对飞灰中二氧化硅的还原作用，减少界面脆性。