專利名稱：電磁分離制備Al/Mg₂Si功能梯度材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體一種電磁分離制備Al/Mg2Si 功能梯度材料的方法。
技術(shù)背景功能梯度材料(FGM)，又稱傾斜功能材料。 一般復(fù)合材料中分散相是均勻分 布的，整體材料的性能是同一的，但是在有些情況下，人們常常希望同一件材料 的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，又希望不同性能的兩側(cè)結(jié)合得完美，從而不至于在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。針對這種情況，日本學(xué)者平井敏 雄、新野正之和渡邊龍三于1987年首先提出了功能梯度材料的新設(shè)想和新概念， 并展開研究，引起了材料界的廣泛關(guān)注。這種全新的材料設(shè)計(jì)概念的基本思想是 依據(jù)使用要求，選擇兩種不同性能的材料，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，使中間部 分的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)地呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面，從而使材料的性質(zhì) 和功能沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的顯著特點(diǎn) 是克服了兩種材料結(jié)合部位的性能不匹配因素，同時(shí)材料的兩側(cè)具有不同的功 能。由于材料構(gòu)成要素(成分、組織結(jié)構(gòu)等)在幾何空間上連續(xù)變化，從而得到性 能在幾何空間上也是連續(xù)變化的非均質(zhì)材料，在復(fù)雜環(huán)境下使用時(shí)，要比性能均 勻的材料具有更大優(yōu)勢。功能梯度材料由于其廣闊的應(yīng)用前景而引起人們的高度 重視，國內(nèi)外都對此進(jìn)行了廣泛的研究，功能梯度材料的制備方法也較多。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，張希華等在《Journal of The Chinese Ceramic Society》(《硅酸鹽學(xué)報(bào)》)(2005， Vol匿33， P806-810)發(fā)表的"熱 壓燒結(jié)法制備碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料" 一文中采用熱壓燒結(jié)法來制備功能梯度 材料，該方法中首先將原料粉末按不同混合比均勻混合，然后以梯度分布方式積 層排列，再壓制燒結(jié)而成，其不足在于工藝比較復(fù)雜，制備的梯度材料有一定的 孔隙率；王寧等在《天津冶金》(2004， Volume2， P29-31)發(fā)表的"等離子噴涂及梯度功能材料研究進(jìn)展" 一文中采用等離子噴涂法來制備功能梯度材料，該方法中原料粉末送至等離子射流中，以熔融或半熔融狀態(tài)直接噴射到基體上形成多 層噴涂層，在噴涂過程中改變原料粉末的組合比例、等離子射流的溫度和流速來 調(diào)整組織和成分，獲得功能梯度材料，其不足在于梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度 不高，并存在涂層組織不均勻、空洞疏松、表面粗糙等缺陷；李益民等在《中南 工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》(2004， Volume27， P551-555)發(fā)表的"自蔓延高溫反應(yīng)合成 Ti/Al203梯度功能材料" 一文中采用自蔓延高溫合成法來制備功能梯度材料，該 方法是利用自身反應(yīng)熱的一種材料合成方法，其成形、燒結(jié)一步完成，其不足在 于組成相不均勻，造成反應(yīng)熱相差較大，直接影響到反應(yīng)的穩(wěn)定傳播和燒結(jié)平衡， 從而影響到材料的性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電磁分離制備Al/Mg2Si功能梯度材料的方法，使其利用電磁分離法，通過對工藝參數(shù)的合理控制來制備出高質(zhì)量的功能梯度材料。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟-第一步，將鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄型中；第二步，開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生磁場，將過共晶Al/Mg2Si合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源，使過共晶Al/Mg2Si合金熔體中產(chǎn)生直流電流；第三步，在電磁場和直流電流的影響下，過共晶Al/Mg2Si合金熔體中的初 生相將受到電磁擠壓力的作用而遷移，當(dāng)合金完全凝固時(shí)，切斷電磁鐵電源和直 流電源，取出即得到Al/Mg2Si功能梯度材料。所述的第一步中，鑄型的溫度為20(rC 60(TC。所述的第二步中，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力范圍為0.6Xl04N/m3 3X104N/m3。 所述的第三步中，過共晶Al/Mg2Si合金熔體澆注溫度為650°C 850°C。 所述的第三步中，開通直流電源的大小為20A，直流電流的通電時(shí)間為10 15 分鐘。本發(fā)明電磁分離法制備功能梯度材料的原理是由于熔體中的初生相的導(dǎo)電 性低于熔體，在電磁力場作用下，熔體對初生相顆粒產(chǎn)生電磁斥力，從而使初生 相顆粒在熔體中做有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)。通過控制鑄件的凝固過程溫度場和初生相的運(yùn)動(dòng)，可使初生相在鑄件中呈現(xiàn)梯度分布，從而獲得功能梯度材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過電磁分離技術(shù)，以簡單工藝制備了高質(zhì)量的Al/Mg2Si功能梯度材料。本發(fā)明所制備的Al/Mg2Si功能梯度材料梯度分布明顯，具有較高的質(zhì)量，同時(shí)，制備方法簡單，生產(chǎn)成本低。


圖l為電磁分離法原理示意2為顆粒區(qū)初生顆粒體積比重曲線(相應(yīng)工藝參數(shù)為電磁力3X104N/m3， 鑄型溫度為600。C，澆注溫度為85(TC，鑄型通電時(shí)間15分鐘，直流電源20A， 合金成分為Al-25Mg2Si-5Si-3. 5Ti)圖3為顆粒區(qū)初生顆粒體積比重曲線(相應(yīng)工藝參數(shù)為電磁力 1.8X104N/m3，鑄型溫度為400。C，澆注溫度為75(TC，鑄型通電時(shí)間10分鐘， 直流電源20A，合金成分為Al-20Mg2Si-5Si-3. 75Ti)圖4為顆粒區(qū)初生顆粒體積比重曲線(相應(yīng)工藝參數(shù)為電磁力 0.6X104N/m3，鑄型溫度為200'C，澆注溫度為65(TC，鑄型通電時(shí)間15分鐘， 直流電源20A，合金成分為Al-15Mg2Si-5Si-4Ti)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1選取合金成分為Al-25Mg2Si-5Si-3. 5Ti的Al/Mg2Si作為制備對象，澆注溫 度為85(TC，鑄型溫度為600'C，電磁力參數(shù)為3Xl04N/m3，鑄型通電時(shí)間為15 分鐘。將加熱到60(TC的鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄型 中。此時(shí)開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生電磁力大小為3X104N/m3的磁場，然后 將加熱到85(TC的合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源20A，使合金熔體 中產(chǎn)生直流電流。15分鐘后，切斷電磁鐵電源和直流電源，此時(shí)合金已經(jīng)完全 凝固，取出樣品。獲得的樣品即為Al/Mg2Si功能梯度材料。根據(jù)制得的樣品橫 截面顆粒區(qū)初生顆粒體積比重所作的曲線圖2，可以看出，初生相Mg2Si顆粒在 試樣的上端部分所占體積比達(dá)到26%以上，而在試樣的下端部分所占體積比已經(jīng)接近0。從曲線也可以清楚地看到，這一體積比從試樣的上端到下端逐漸減小， 有力地說明了初生相Mg2Si顆粒在試樣上是呈現(xiàn)很好的梯度分布狀態(tài)。 實(shí)施例2選取合金成分為Al-20Mg2Si-5Si-3. 75Ti的Al/Mg2Si作為制備對象，澆注溫 度為750°C，鑄型溫度為400°C，電磁力參數(shù)為1.8X104N/m3，鑄型通電時(shí)間為 10分鐘。將加熱到40(TC的鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄 型中。此時(shí)開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生電磁力大小為1.8Xl()4N/in3的磁場， 然后將加熱到75(TC的合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源20A，使合金 熔體中產(chǎn)生直流電流。10分鐘后，切斷電磁鐵電源和直流電源，此時(shí)合金已經(jīng) 完全凝固，取出樣品。獲得的樣品即為Al/Mg2Si功能梯度材料。根據(jù)制得的樣 品橫截面顆粒區(qū)初生顆粒體積比重所作的曲線圖3，可以看出，初生相Mg2Si顆 粒在試樣的上端部分所占體積比達(dá)到21%左右，而在試樣的下端部分所占體積比 已經(jīng)接近O。從曲線也可以清楚地看到，這一體積比從試樣的上端到下端逐漸減 小，有力地說明了初生相Mg2Si顆粒在試樣上是呈現(xiàn)很好的梯度分布狀態(tài)。實(shí)施例3選取合金成分為Al-15Mg2Si-5Si-4Ti的Al/Mg2Si作為制備對象，澆注溫度 為650。C，鑄型溫度為20(TC，電磁力參數(shù)為0.6X10UV，鑄型通電時(shí)間為15 分鐘。將加熱到200'C的鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄型 中。此時(shí)開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生電磁力大小為0.6乂10,/1113的磁場，然 后將加熱到65(TC的合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源20A，使合金熔 體中產(chǎn)生直流電流。15分鐘后，切斷電磁鐵電源和直流電源，此時(shí)合金已經(jīng)完 全凝固，取出樣品。獲得的樣品即為Al/Mg2Si功能梯度材料。根據(jù)制得的樣品 橫截面顆粒區(qū)初生顆粒體積比重所作的曲線圖3，可以看出，初生相Mg2Si顆粒 在試樣的上端部分所占體積比達(dá)到16%左右，而在試樣的下端部分所占體積比已 經(jīng)接近O。從曲線也可以清楚地看到，這一體積比從試樣的上端到下端逐漸
權(quán)利要求
1、一種電磁分離制備Al/Mg2Si功能梯度材料的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，將鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄型中；第二步，開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生磁場，將過共晶Al/Mg2Si合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源，使過共晶Al/Mg2Si合金熔體中產(chǎn)生直流電流；第三步，在電磁場和直流電流的影響下，過共晶Al/Mg2Si合金熔體中的初生相將受到電磁擠壓力的作用而遷移，當(dāng)合金完全凝固時(shí)，切斷電磁鐵電源和直流電源，取出即得到Al/Mg2Si功能梯度材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al/Mg2Si功能梯度材料的制備方法，其特征是， 所述的第一步中，鑄型的溫度為20(rC 60(TC。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al/Mg2Si功能梯度材料的制備方法，其特征是， 所述的第二步中，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力范圍為0.6X104N/m3 3X104N/m3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al/Mg2Si功能梯度材料的制備方法，其特征是， 所述的第三步中，過共晶Al/Mg2Si合金熔體澆注溫度為650°C 850°C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的Al/Mg2Si功能梯度材料的制備方法，其特征是， 所述的第三步中，開通直流電源的大小為20A。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l或5所述的Al/Mg2Si功能梯度材料的制備方法，其特征 是，所述的第三步中，直流電流的通電時(shí)間為1(T15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁分離制備Al/Mg₂Si功能梯度材料的方法，步驟為第一步，將鑄型放在電磁鐵兩極中間，并將兩個(gè)直流電極插入鑄型中；第二步，開通電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生磁場，將過共晶Al/Mg₂Si合金熔體澆入鑄型中，并同時(shí)開通直流電源，使過共晶Al/Mg₂Si合金熔體中產(chǎn)生直流電流；第三步，在電磁場和直流電流的影響下，過共晶Al/Mg₂Si合金熔體中的初生相將受到電磁擠壓力的作用而遷移，當(dāng)合金完全凝固時(shí)，切斷電磁鐵電源和直流電源，取出即得到Al/Mg₂Si功能梯度材料。本發(fā)明通過電磁分離技術(shù)，所制備的Al/Mg₂Si功能梯度材料梯度分布明顯，具有較高的質(zhì)量，同時(shí)，制備方法簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22F3/00GK101234419SQ20081003273
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者冬 劉, 忻 姚, 超 葛 申請人:上海交通大學(xué)