專利名稱：內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管及制備法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料，具體地說是一種內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基(即鋁合金基)功能梯度復(fù)合管及制備法。
功能梯度材料是由一位日本科學(xué)家新野正之在《材料基礎(chǔ)》1987，卷10，頁31(M.NiinoFunct.Mater.，1987，vol.10，p.31)中提出的一種新型復(fù)合材料，目前關(guān)于離心鑄造法制備SiC或Al2O3等密度大于基體鋁合金的顆粒增強(qiáng)鋁合金基功能梯度復(fù)合管，根據(jù)胡克雅史，瓦特博雅史在《冶金及材料匯刊A》，1996，卷27A，頁4145(Y.Fukui，and Y.WatanabeMetall.Mater.Trans A.，1996，vol.27A，p4145)和劉清民，焦玉寧，楊院生，胡壯麒在《冶金及材料匯刊B》，1996，卷27B，頁1025(Q.M.Liu，Y.N.Jiao，Y.S.Yang，and Z.Q.HuMetall.Mater.Trans B.，1996，vol.27B，p1025)報(bào)道，密度大于基體鋁合金的顆粒只分布在復(fù)合管外層，復(fù)合管中顆粒的體積百分?jǐn)?shù)從復(fù)合管的外表面至內(nèi)表面是逐漸降低的，其強(qiáng)化部位受限，只有外層，故在應(yīng)用范圍上不適應(yīng)于要求內(nèi)外、層同時(shí)具有高強(qiáng)度，良好耐磨、耐蝕性和熱膨脹系數(shù)低，而中間層卻具有具有較好韌性和塑性的場合。
本發(fā)明的目的是提供一種滿足內(nèi)外層同時(shí)具有高強(qiáng)度，良好耐磨、耐蝕性和熱膨脹系數(shù)低，而中間層卻具有具有較好韌性和塑性的顆粒增強(qiáng)鋁合金基功能梯度復(fù)合管及制備法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是由顆粒富集層和顆粒貧集層所組成的梯度結(jié)構(gòu)，其中所述顆粒貧集層分布在復(fù)合管的中間區(qū)，顆粒富集層分布在復(fù)合管的內(nèi)、外層；
其制備方法是采用非真空感應(yīng)爐，水平式離心鑄造機(jī)，步驟如下1.在非真空感應(yīng)爐中將鋁合金基體和密度大于基體鋁合金的顆粒，采用復(fù)合鑄造法制備成漿體，溫度控制在933～1003K范圍，并使?jié){體處于半固態(tài)，即顆粒與基體鋁合金已經(jīng)潤濕且有良好的接觸界面；2.將準(zhǔn)備好的所述漿體在非真空感應(yīng)爐中加熱，小功率慢速升溫，加熱速度為4～8K/分鐘，在升溫的同時(shí)對漿體進(jìn)行機(jī)械攪拌，使顆粒在漿體中均勻分布，當(dāng)溫度上升至1073～1100K時(shí)，保持所述溫度，等待澆鑄；3.將澆道預(yù)熱至873～1073K；4.啟動(dòng)離心鑄造機(jī)，鑄模預(yù)熱至663～683K，根據(jù)管徑及管壁厚度確定鑄機(jī)轉(zhuǎn)速；5.在帶電的情況下，直接將步驟2制備好的漿體澆入鑄機(jī)，制得內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管；所述基體鋁合金為鑄造鋁合金或變形鋁合金；密度大于基體鋁合金的顆粒為SiC、Al2O3或ZrO2等，直徑為3.5μm～100μm。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.力學(xué)性能好。本發(fā)明利用非真空感應(yīng)爐和水平式離心鑄造機(jī)，使密度大于基體鋁合金(鑄造鋁合金或變形鋁合金)的顆粒(SiC、Al2O3、ZrO2等)同時(shí)分希在鑄管的內(nèi)層和外層，使內(nèi)、外層同時(shí)具有高強(qiáng)度、高硬度，良好的耐磨、耐蝕性等；而鑄件中心區(qū)域是只分布有少量顆粒的顆粒貧集區(qū)，具有良好的韌性，中間層良好的韌性又能為復(fù)合管的受力提供緩沖作用，使其具有梯度性能。
2.本發(fā)明制備的內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管，可用于內(nèi)、外層需同時(shí)耐熱、耐磨、耐腐蝕的環(huán)境下工作。
3.本發(fā)明是通過液態(tài)法制備漿體，離心鑄造機(jī)成型的，所以成本低、操作簡單。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的功能梯度復(fù)合管八分之一橫截面宏觀相(灰色區(qū)域?yàn)轭w粒富集層)。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的功能梯度復(fù)合管四分之一縱截面宏觀相(灰色區(qū)域?yàn)轭w粒富集層)。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的功能梯度復(fù)合管徑向顆粒體積百分?jǐn)?shù)及顯微硬度曲線(復(fù)合管內(nèi)表面為坐標(biāo)原點(diǎn))。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1其制備方法為采用非真空中頻感應(yīng)爐，水平式離心鑄造機(jī)，步驟如下1.在非真空中頻感應(yīng)爐中將ZL109鑄造鋁合金基體和密度大于基體鋁合金的直徑為3.5μm的SiC顆粒，采用復(fù)合鑄造法制備成漿體，溫度控制在1003K，并使?jié){體處于半固態(tài)，即顆粒與基體鋁合金已經(jīng)潤濕，且有良好的接觸界面；2.將復(fù)合鑄造法制備的且處于半固態(tài)的漿體(由直徑為3.5μm的SiC顆粒和半固態(tài)ZL109合金組成)在非真空感應(yīng)爐中加熱，小功率慢速升溫(升溫速度約6K/分鐘)，在升溫的同時(shí)對漿體進(jìn)行機(jī)械攪拌，使顆粒在漿體中均勻分布，當(dāng)溫度上升至1093K時(shí)等待澆鑄；3.將澆道預(yù)熱至1073K；4.啟動(dòng)離心鑄造機(jī)，鑄機(jī)轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘；鑄模預(yù)熱至673K；在帶電的情況下，直接將制備好的漿體澆入鑄機(jī)，制得內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的密度大于基體鋁合金的SiC顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管，它是由顆粒富集層和顆粒貧集層所組成的梯度結(jié)構(gòu)，其中所述顆粒貧集層分布在中間區(qū)，顆粒富集層分布在內(nèi)外表面，管壁厚約16mm，外徑80mm，長度94mm。
如圖1～2所示，沿軸向截取約四分之一的復(fù)合管管壁后，沿徑向和軸向分別對截取的試樣進(jìn)行機(jī)械拋光并照宏觀相；灰色區(qū)域?yàn)轭w粒富集層，分別分布在復(fù)合管的內(nèi)、外表面，厚度都為3～4mm；中間白色區(qū)域?yàn)轭w粒貧集層。如圖3所示，采用計(jì)算機(jī)圖象分析法，對顆粒增強(qiáng)內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的鋁合金基功能梯度復(fù)合管沿徑向的顆粒體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測量(圖3下)；其結(jié)果表明顆粒體積百分?jǐn)?shù)沿復(fù)合管徑向從外表面至內(nèi)表面是呈凹形分布，也就是說在靠近復(fù)合管的內(nèi)表面和外表面處各有一層顆粒富集層，而復(fù)合管中間區(qū)域?yàn)轭w粒貧集層，其顯微硬度(圖3上)與顆粒體積百分?jǐn)?shù)的分布有相似的變化趨勢。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于1.在非真空中頻感應(yīng)爐中將LY12變形鋁合金基體和密度大于基體鋁合金的直徑為35μm的Al2O3顆粒，采用復(fù)合鑄造法制備成漿體，溫度控制在933K，并使?jié){體處于半固態(tài)，即顆粒與基體鋁合金已經(jīng)潤濕，且有良好的接觸界面；2.將復(fù)合鑄造法制備的且處于半固態(tài)的漿體(由直徑為35μm的Al2O3顆粒和半固態(tài)ZL109合金組成)在非真空感應(yīng)爐中加熱，小功率慢速升溫(升溫速度約4K/分鐘)，在升溫的同時(shí)對漿體進(jìn)行機(jī)械攪拌，使顆粒在漿體中均勻分布，當(dāng)溫度上升至1080K時(shí)等待澆鑄；3.將澆道預(yù)熱至873K；4.啟動(dòng)離心鑄造機(jī)，鑄機(jī)轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘；鑄模預(yù)熱至683K；在帶電的情況下，直接將制備好的漿體澆入鑄機(jī)，制得內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的密度大于基體鋁合金的Al2O3顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管，管壁厚約16mm，外徑80mm，長度94mm。
實(shí)施例3
與實(shí)施例1不同之處在于1.在非真空中頻感應(yīng)爐中將ZL109鑄造鋁合金基體和密度大于基體鋁合金的直徑為100μm的ZrO2顆粒，采用復(fù)合鑄造法制備成漿體，溫度控制在963K，并使?jié){體處于半固態(tài)，即顆粒與基體鋁合金已經(jīng)潤濕，且有良好的接觸界面；2.將復(fù)合鑄造法制備的且處于半固態(tài)的漿體(由直徑為100μm的ZrO2顆粒和熔融態(tài)ZL109合金組成)在非真空感應(yīng)爐中加熱，小功率慢速升溫(升溫速度約8K/分鐘)，在升溫的同時(shí)對漿體進(jìn)行機(jī)械攪拌，使顆粒在漿體中均勻分布，當(dāng)溫度上升至1073K時(shí)等待澆鑄；3.將澆道預(yù)熱至973K；4.啟動(dòng)離心鑄造機(jī)，鑄機(jī)轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘；鑄模預(yù)熱至663K；在帶電的情況下，直接將制備好的漿體澆入鑄機(jī)，制得內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的密度大于基體鋁合金的ZrO2顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管，管壁厚約16mm，外徑80mm，長度94mm。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管，其特征在于是由顆粒富集層和顆粒貧集層所組成的梯度結(jié)構(gòu)，其中所述顆粒貧集層分布在中間區(qū)，顆粒富集層分布在內(nèi)外表面。
2.一種按照權(quán)利要求1所述內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管的制備法，其特征在于是采用非真空感應(yīng)爐，水平式離心鑄造機(jī)，步驟如下1)在非真空感應(yīng)爐中將鋁合金基體和密度大于基體鋁合金的顆粒，采用復(fù)合鑄造法制備成漿體，溫度控制在933～1003K范圍，并使?jié){體處于半固態(tài)，即顆粒與基體鋁合金已經(jīng)潤濕且有良好的接觸界面；2)將準(zhǔn)備好的所述漿體在非真空感應(yīng)爐中加熱，小功率慢速升溫，加熱速度為4～8K/分鐘，在升溫的同時(shí)對漿體進(jìn)行機(jī)械攪拌，使顆粒在漿體中均勻分布，當(dāng)溫度上升至1073～1100K時(shí)，保持所述溫度，等待澆鑄；3)將澆道預(yù)熱至873～1073K；4)啟動(dòng)離心鑄造機(jī)，鑄模預(yù)熱至663～683K，根據(jù)管徑及管壁厚度確定鑄機(jī)轉(zhuǎn)速；5)在帶電的情況下，直接將步驟2制備好的漿體澆入鑄機(jī)，制得內(nèi)、外層同時(shí)強(qiáng)化的密度大于基體鋁合金的顆粒增強(qiáng)功能梯度復(fù)合管。
3.按照權(quán)利要求2所述內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管的制備法，其特征在于所述基體鋁合金為鑄造鋁合金或變形鋁合金。
4.按照權(quán)利要求2所述內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管的制備法，其特征在于所述密度大于基體鋁合金的顆粒為SiC、Al2O3或ZrO2，直徑為3.5μm～100μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合材料,具體地說是一種內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管。是由顆粒富集層和顆粒貧集層所組成的梯度結(jié)構(gòu),其中:所述顆粒貧集層分布在復(fù)合管的中間區(qū),顆粒富集層分布在復(fù)合管的內(nèi)外層;制備法:采用復(fù)合鑄造法制備漿體,通過控制感應(yīng)爐的供電功率和攪拌方式,使顆粒在鋁合金中均勻分布,提高澆鑄溫度(1073～1100K)直接澆鑄,利用水平式離心鑄造機(jī)成型。它能在滿足內(nèi)外表面強(qiáng)度的同時(shí),具有良好韌性和梯度性能。
文檔編號B22D25/00GK1381323SQ01113849
公開日2002年11月27日 申請日期2001年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者秦孝華, 韓維新, 范存淦, 戎利建, 李依依 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所