專利名稱：利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置及方法。
背景技術(shù)：
研究表明，將顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中的陶瓷顆粒的體積含量沿某方向呈連續(xù)梯度
變化，制備成梯度復(fù)合材料(GradientCompositeMaterial )，就可使該材料的一端具有類似
陶瓷的性能，呈現(xiàn)耐磨、耐蝕和耐沖擊的特性，而另一端則具有基體合金的性能，表現(xiàn)出良
好的塑性和韌性。這樣的材料設(shè)計(jì)，可以避免陶瓷材料與金屬合金直接結(jié)合時(shí)形成的應(yīng)力
集中問題，因而在航空航天、汽車以及礦山機(jī)械等領(lǐng)域具有廣大的應(yīng)用前景。 如何使顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料中的陶瓷顆粒呈現(xiàn)梯度變化是制備該種材料的一
個(gè)熱點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。 中國(guó)專利ZL02146685. 8發(fā)明了屬于復(fù)合材料制備技術(shù)范圍的一種顆粒增強(qiáng)梯度
復(fù)合材料及其制備方法。它是在熔融的液態(tài)金屬中摻入一定比例的高硬度的非金屬顆粒，
使液態(tài)金屬在恒定的外加電磁場(chǎng)的電磁浮力的作用下形成定向移動(dòng)，使增強(qiáng)相顆粒向與液
態(tài)金屬流動(dòng)方向相反的方向遷移；冷卻凝固后，便可得到增強(qiáng)相顆粒在材料中呈現(xiàn)梯度分 布，其組織與性能亦呈梯度變化的材料。 中國(guó)專利ZL03129394. 8發(fā)明了一種利用原位結(jié)晶法制備自生徑向梯度復(fù)合材料 的工藝，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。它采用自帶溫度測(cè)量裝置的SiC鑄造模具，當(dāng)自生復(fù)合材 料澆注于設(shè)置在感生高頻磁場(chǎng)中的SiC鑄造模具后，通過模具自帶的溫度測(cè)量裝置，控制 感生高頻磁場(chǎng)的作用溫度范圍，維持高頻磁場(chǎng)作用過程中材料的熱量平衡，最終獲得具有 顯著梯度效果的自生復(fù)合材料。 中國(guó)專利ZL200610046958. X發(fā)明了一種利用高強(qiáng)梯度磁場(chǎng)制備梯度復(fù)合材料的 方法，首先將金屬原料或金屬預(yù)制件放入鑄模中，置于強(qiáng)磁場(chǎng)裝置中的特定梯度磁場(chǎng)位置， 使加熱爐處于真空或保護(hù)氣氛下；利用感應(yīng)或電阻加熱裝置使金屬原料熔化，保溫20min 以上使其充分熔解；施加不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向等磁場(chǎng)條件，控制一定的凝固速度使熔體 冷卻凝固，然后隨爐空冷至室溫，制得梯度復(fù)合材料。 中國(guó)專利200710133221 (
公開日期2008/03/05)提出了一種增強(qiáng)相金屬梯度復(fù)合 材料制造工藝及設(shè)備，首先將增強(qiáng)體合金膏塊固定在塑料泡沫模型的所需位置上，進(jìn)行真 空負(fù)壓振動(dòng)造型，啟動(dòng)安裝在鑄模外部或砂箱內(nèi)的電磁感應(yīng)加熱器對(duì)鑄模內(nèi)的合金膏塊進(jìn) 行感應(yīng)加熱，待達(dá)到100 — 120(TC后澆入基體金屬液，金屬液向合金粉末的空隙中滲入，在 基體金屬的表面所需的部位上形成具有特殊性能的大厚度的合金層的梯度功能復(fù)合材料。
中國(guó)專利ZL03128912. 6發(fā)明一種電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材 的方法屬于材料制備領(lǐng)域。該發(fā)明通過高頻電源在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將具有多個(gè) 兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅 模，經(jīng)過預(yù)處理的合金液通過澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，自生相在電磁力作用下向耐 火材料鑄型腔壁面運(yùn)動(dòng)，待合金液在耐火材料鑄型內(nèi)凝固后，自生增強(qiáng)相主要聚集在凝固
3形成的圓棒或圓管材料的表層，并形成梯度增強(qiáng)層。 申請(qǐng)?zhí)枮?00810223085. 4 (
公開日期2009/02/04)提出一種功能梯度復(fù)合材料的 制備方法，僅利用周期換向脈沖電源，通過改變電源的脈沖頻率和占空比，在恒電流、不改 變鍍液成分條件下獲得Ni / SiC功能復(fù)合梯度鍍層的方法。 申請(qǐng)?zhí)枮?00510012369. 8 (
公開日期2005/11/09)提出了一種高熔點(diǎn)抗磨蝕梯度 復(fù)合材料的制備方法。該發(fā)明的復(fù)合材料制備方法包括將顆粒度為0. 1 0. 5 i！ m的高 熔點(diǎn)原材料粉機(jī)械混合并研磨成半合金化狀態(tài)后，并與其它顆粒度為l. 0 15ii m的原 材料微粒粉均勻混合，壓制成一定形狀的坯料。將坯料置于具有20 50 V ， 5 30Hz脈 沖電壓的石墨模中，用電弧引燃坯料形成自持燃燒。模具內(nèi)采用Ar氣保護(hù)或10—2Pa的低真 空。 申請(qǐng)?zhí)枮?00510022650. 7 (
公開日期2006/06/21 )提出了一種高爐料罐用功能梯
度復(fù)合材料內(nèi)襯及其制備方法。該內(nèi)襯由SiC和Al復(fù)合而成，承受鐵礦石沖擊的正面碳化
硅含量高達(dá)70%以上，背面為鋁合金，內(nèi)襯中間碳化硅含量梯度變化。內(nèi)襯的制備方法是先
通過模壓制備具有不同氣孔率的碳化硅預(yù)制體，再通過高溫處理對(duì)碳化硅表面改性，然后
將不同氣孔率的碳化硅預(yù)制體依據(jù)氣孔率大小順序依次放置于無壓滲透模具中，再通過無
壓滲透的方法滲入鋁合金即可得到耐磨性好、韌性好、抗沖擊力強(qiáng)的復(fù)合材料內(nèi)襯。 申請(qǐng)?zhí)枮?00610040587 (
公開日期2007/11/28 )提出了一種梯度復(fù)合材料及其制
備方法，其特征是材料由基體、過渡層、工作層組成；這種材料自基體至工作層或?qū)觾?nèi)材料 成份、性能呈受控的梯度變化，各層均為冶金結(jié)合的復(fù)合材料；過渡層包括二層至n個(gè)過渡 層，n取6-100，工作層由一層至多層組成。 申請(qǐng)?zhí)枮?00810027123 (
公開日期2008/08/27)提出一種具有生物活性的鈦基梯 度復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明的復(fù)合材料是將5ii m 100ii m的鈦粉置于模 具內(nèi)腔中心；將5y m 100y m的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻置于模具內(nèi)腔邊緣； 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后真空燒結(jié)，即得。 申請(qǐng)?zhí)枮?00710018342.9 (
公開日期2008/09/03)提出了一種纖維增強(qiáng)金屬基 梯度復(fù)合材料制備的方法，首先向預(yù)先處理的金屬粉末與纖維的混合物中加入有機(jī)溶劑， 混合均勻，將混合均勻的混合物裝入模具中，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，蒸干有機(jī)溶劑；然后將裝有 混合物的模具在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行反復(fù)的機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)間小于或等于1小時(shí)，振動(dòng)頻率為 0. 1 2000 H z ;最后，通過對(duì)模具加壓將混合物壓實(shí)，制備出具有預(yù)定外型的生坯，將制 備的生坯放入真空或有惰性氣體保護(hù)的高溫爐中燒結(jié)；燒結(jié)溫度為50(TC 140(TC，燒結(jié) 時(shí)間為0. 5 16小時(shí)，制備得到纖維在金屬粉末中沿振動(dòng)方向呈現(xiàn)梯度分布的纖維增強(qiáng)金 屬基梯度復(fù)合材料，通過振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)頻率對(duì)纖維分布進(jìn)行調(diào)控，方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性好， 適合規(guī)模化生產(chǎn)。 申請(qǐng)?zhí)枮?1113849. 1 (
公開日期2002/11/27)提出了一種內(nèi)外層同時(shí)強(qiáng)化的顆 粒增強(qiáng)鋁基功能梯度復(fù)合管的制備方法。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 1100 K)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。
申請(qǐng)?zhí)枮?1113848. 3 (
公開日期2002/11/27)提出了一種顆粒增強(qiáng)鋁合金基功能 負(fù)梯度復(fù)合管的制備方法。它采用液態(tài)法制備漿體，通過控制感應(yīng)爐的供電功率，使富集顆 粒的漿體沉集于坩堝的底部，然后直接澆鑄，利用水平式離心鑄造機(jī)成型，制備出顆粒(顆 粒密度大于基體鋁合金的密度)增強(qiáng)鋁合金基功能負(fù)梯度復(fù)合管。它在顆粒密度大于基體 鋁合金的條件下，使顆粒的體積百分?jǐn)?shù)從復(fù)合管的外表面至內(nèi)表面增加，使內(nèi)層具有良好 的耐磨、耐蝕性以及熱膨脹系數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)。 申請(qǐng)?zhí)枮?00910302994 (
公開日期2009/11/11)提出了一種金屬/陶瓷梯度復(fù)合
管的制備方法，利用流延輥壓技術(shù)制備金屬/內(nèi)陶瓷梯度復(fù)合管，首先按組成梯度成分的
各層材料中金屬和陶瓷的體積百分比制得流延漿料，并用流延法將漿料制成生坯層，然后
按復(fù)合管由內(nèi)壁至外壁的材料成分要求，將生坯層依次包裹于對(duì)輥輥壓機(jī)的輥軸上輥壓成
型，得到復(fù)合管素坯，將該復(fù)合管素坯燒結(jié)制得金屬/陶瓷梯度復(fù)合管。 由上述公開文件可見，當(dāng)前梯度復(fù)合材料的制備方法主要有電磁場(chǎng)、脈沖電場(chǎng)、自
蔓燃、無壓浸滲、高溫?zé)Y(jié)、離心鑄造等工藝。其中電磁場(chǎng)法最大的優(yōu)點(diǎn)是電磁場(chǎng)利用在金
屬液內(nèi)產(chǎn)生的洛侖茲力控制第二相顆粒在液態(tài)基體中分布，不需外力接觸凝固體系，但該
方法必須確保洛侖茲力不引起金屬液發(fā)生紊流，否則第二相顆粒的分布無法控制，這個(gè)受
到容器形狀、磁場(chǎng)狀況等多方面的復(fù)雜影響，而且該方法只能制備第二相與金屬液磁導(dǎo)率
有較大差別的體系，如非金屬顆粒/金屬液體系，對(duì)于磁導(dǎo)率小的體系，如金屬顆粒/金屬
液體系，則無能為力。脈沖電場(chǎng)法也存在類似的問題。自蔓燃、無壓浸滲、高溫?zé)Y(jié)這幾種
工藝過程比較繁瑣，所制備的梯度材料的致密性也必需通過額外的工序加以保證。離心鑄
造法工藝過程簡(jiǎn)單，適合工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，但不能很好地解決第二相顆粒與金屬液之間的
潤(rùn)濕結(jié)合問題，梯度材料的微觀結(jié)合界面性能不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的電磁制備梯度復(fù)合材料方法只能制備第二相顆粒與金 屬基體存在較大導(dǎo)磁率的復(fù)合材料體系，以及現(xiàn)有的制備梯度復(fù)合材料方法的第二相顆粒 的表面與金屬液的潤(rùn)濕結(jié)合差、制備后的梯度復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能差、制備 后的梯度復(fù)合材料的致密性差的問題，從而提出一種利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材 料的裝置及方法。 利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，它包括制備容器，它還包括超聲 波發(fā)生裝置、加熱元件和支撐架，超聲波發(fā)生裝置位于制備容器的下面，且所述超聲波發(fā)生 裝置的超聲波發(fā)出端朝向超聲波發(fā)生裝置的底面；支撐架位于制備容器的側(cè)面，加熱元件 固定在位于制備容器一側(cè)的支撐架表面上，所述加熱元件與制備容器的距離10mm 30mm。
基于上述裝置的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，它由以下步驟完 成
步驟一、將金屬材料置于制備容器1中，啟動(dòng)加熱元件3，將金屬材料加熱至其熔點(diǎn)以 上的20 5(TC，使所述金屬材料完全熔化為金屬溶液；
步驟二、向所述金屬溶液中加入金屬溶液體積百分比為的5 70%的第二相增強(qiáng)顆粒，
5同時(shí)施加頻率為16 60KHz、振幅為10 60iim的超聲波振動(dòng)，所述超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù) 2 120s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱；
步驟三、對(duì)制備容器1內(nèi)的金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混合物進(jìn)行冷卻至凝固，凝 固后即為獲得顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料；在凝固過程中，對(duì)金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混 合物持續(xù)施加超聲波。 步驟一中所述的金屬材料是Al、 Zn、 Cu、 Al基合金、Zn基合金或Cu基合金中的一 種。 步驟二中所述第二相增強(qiáng)顆粒是B4C、 SiC、 Si02、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02 顆粒中的一種。 步驟三中所述的冷卻方法為空冷或水冷。 本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明利用超聲波對(duì)第二相顆粒的聲輻射力以及金屬液中
的聲流作用，驅(qū)動(dòng)第二相顆粒達(dá)到需要增強(qiáng)的位置，避免了電磁法只能制備第二相顆粒與
金屬基體存在較大導(dǎo)磁率的復(fù)合材料體系的缺點(diǎn)，適合制備的梯度復(fù)合材料體系更廣泛。 2、本發(fā)明中超聲波振動(dòng)可以活化第二相顆粒的表面，實(shí)現(xiàn)其與金屬液的良好潤(rùn)濕
結(jié)合，無需對(duì)第二相顆粒進(jìn)行焙燒、涂覆金屬層等以提高其潤(rùn)濕性的預(yù)處理。 3、本發(fā)明的凝固過程中施加的超聲波振動(dòng)可以細(xì)化金屬基體的晶粒，提高梯度復(fù)
合材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能。 4、本發(fā)明超聲波的除氣能力非常強(qiáng)，制備過程可以在非真空環(huán)境下進(jìn)行，可保證 所制備材料的致密性。


圖1是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
二的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的俯視圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施 方式一中的將本發(fā)明的裝置放置在支撐架上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式
四 中的加熱元件在支撐架上的排列示意圖；圖7是具體實(shí)施方式
二十四中的制備獲得的梯度 復(fù)合材料的微觀組織示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說明本具體實(shí)施方式
，利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度
復(fù)合材料的裝置，它包括制備容器1 ，它還包括超聲波發(fā)生裝置2、加熱元件3和支撐架7，超
聲波發(fā)生裝置2位于制備容器1的下面，且所述超聲波發(fā)生裝置2的超聲波發(fā)出端朝向超
聲波發(fā)生裝置2的底面；支撐架7位于制備容器1的側(cè)面，加熱元件3固定在位于制備容器
1 一側(cè)的支撐架7表面上，所述加熱元件3與制備容器1的距離10mm 30mm。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖2說明本具體實(shí)施方式
，本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方
式一所述的所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的區(qū)別在于，它還包括溫度測(cè)量裝置5和溫度顯示裝置6，所述溫度測(cè)量裝置5的用于測(cè)量制備容器1中的待制備材 料的溫度，所述溫度測(cè)量裝置5的溫度信號(hào)輸出端與溫度顯示裝置6的溫度信號(hào)輸入端連 接。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖3和圖4說明本具體實(shí)施方式
，本具體實(shí)施方式
與具體實(shí) 施方式一或二所述的所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的區(qū)別在于，它 還包括冷卻水管4，所述冷卻水管4環(huán)繞并固定在制備容器1的外側(cè)壁的下部。
本具體實(shí)施方式
中，可以將本發(fā)明的裝置的制備容器1放置在支撐臺(tái)8上，所述支撐臺(tái) 8的中心處開有通孔，所述通孔直徑與超聲波發(fā)生裝置2的發(fā)聲端的直徑相適應(yīng)，所述超聲 波發(fā)生裝置2的發(fā)聲端伸入這個(gè)通孔中，并與制備容器1的底面相接觸。
具體實(shí)施方式
四、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
三所述的所述的利用超聲波制 備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的區(qū)別在于，加熱元件3為感應(yīng)加熱元件或電阻加熱元 件。 本實(shí)施方式中，多個(gè)感應(yīng)加熱元件或電阻加熱元件均布在支撐架7上，所述多個(gè) 感應(yīng)加熱元件或電阻加熱元件的中心位于一條豎直直線上。所述多個(gè)感應(yīng)加熱元件或電阻 加熱元件組成一組加熱元件3。 本實(shí)施方式的可以采用一組加熱元件3為制備容器1中的待制備材料加熱，也可 以采用多組加熱元件3為制備容器1中的待制備材料加熱，每組加熱元件3對(duì)應(yīng)一個(gè)支撐 架7，所述多組支撐架7均勻分布在制備容器1的外壁周圍。
具體實(shí)施方式
五、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
三所述的所述的利用超聲波制 備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的區(qū)別在于，所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材 料的裝置，其特征在于溫度測(cè)量裝置5為控溫?zé)犭娕肌?br> 具體實(shí)施方式
六、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
三所述的所述的利用超聲波制 備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的區(qū)別在于，制備容器1由鈦合金材料制成。
具體實(shí)施方式
七、基于具體實(shí)施方式
六的所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù) 合材料的裝置的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，它由以下步驟完成
步驟一、將金屬材料置于制備容器1中，啟動(dòng)加熱元件3，將金屬材料加熱至其熔點(diǎn)以 上的20 5(TC，使所述金屬材料完全熔化為金屬溶液；
步驟二、向所述金屬溶液中加入金屬溶液體積百分比為的5 70%的第二相增強(qiáng)顆粒， 同時(shí)施加頻率為16 60KHz、振幅為10 60iim的超聲波振動(dòng)，所述超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù) 2 120s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱；
步驟三、對(duì)制備容器1內(nèi)的金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混合物進(jìn)行冷卻至凝固，凝 固后即為獲得顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料；在凝固過程中，對(duì)金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混 合物持續(xù)施加超聲波。 本實(shí)施方式中，超聲波振動(dòng)可在金屬液體內(nèi)產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，空化泡崩潰時(shí)在陶 瓷顆粒/液體界面引起局部高溫、高壓，清潔、活化陶瓷顆粒表面促進(jìn)金屬液與其潤(rùn)濕結(jié) 合，以形成良好的結(jié)合界面；超聲波在液體中形成具有方向性的聲流作用，由于聲流的"去 的多，回得少"的特點(diǎn)，陶瓷顆粒將被源源不斷地從聲流強(qiáng)的區(qū)域帶到聲流弱的區(qū)域，從而 在空間上呈梯度分布。另外在凝固過程中聲空化和聲流的協(xié)同作用可有效打碎生長(zhǎng)的樹枝 晶，達(dá)到細(xì)化金屬基體組織的目的。
具體實(shí)施方式
八、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟一中所述 的金屬材料是Al、 Zn、 Cu、 Al基合金、Zn基合金或Cu基合金中的一種。
具體實(shí)施方式
九、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟二中所述 第二相增強(qiáng)顆粒是B4C、 SiC、 Si02、 A1203、 TiC、 TiB2、 A1N、 TiN或Zr02顆粒中的一種。
本實(shí)施方式中第二相增強(qiáng)顆粒的平均粒徑為0. 01 50 ii m。
具體實(shí)施方式
十、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟三中所述 的冷卻方法為空冷或水冷。
具體實(shí)施方式
i^一、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟一將金 屬材料加熱至其熔點(diǎn)以上的25 45°C。
具體實(shí)施方式
十二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟一將金 屬材料加熱至其熔點(diǎn)以上的30 40°C。
具體實(shí)施方式
十三、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七的區(qū)別在于，步驟一將金 屬材料加熱至其熔點(diǎn)以上的35°C。
具體實(shí)施方式
十四、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十三的區(qū)別在于，步驟 二中所述加入到制備容器1內(nèi)的金屬溶液中的第二相增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)比為金屬溶液 的15 60%。
具體實(shí)施方式
十五、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十三的區(qū)別在于，步驟 二中所述加入到制備容器1內(nèi)的金屬溶液中的第二相增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)比為金屬溶液 的25 50%。
具體實(shí)施方式
十六、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十三的區(qū)別在于，步驟 二中所述加入到制備容器1內(nèi)的金屬溶液中的第二相增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)比為金屬溶液 的35 40%。
具體實(shí)施方式
十七、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十三的區(qū)別在于，步驟 二中所述加入到制備容器1內(nèi)的金屬溶液中的第二相增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)比為金屬溶液 的38%。
具體實(shí)施方式
十八、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步驟 二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為12 110s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
十九、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步驟 二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為22 100s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
二十、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步驟 二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為32 90s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
二i^一、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步 驟二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為42 80s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
二十二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步 驟二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為52 70s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
二十三、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
七 十七的區(qū)別在于，步 驟二中超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)為65s后，關(guān)閉加熱元件3，停止加熱。
具體實(shí)施方式
二十四、本具體實(shí)施方式
通過具體的實(shí)施例說明本發(fā)明的方法 本實(shí)施方式采用的金屬材料是Zn-Al合金，其成份為(重量百分比)A1:3. 5_5. 24%、
8Cu:2. 5-3. 5%、Mg:0. 39%、 Ag:O. 43%、 Si:O. 5-0. 8%、 Zn :89. 3%、 Ni:O. 1%、余量為Zn。 Zn-Al 合金的固一液相線(材料凝固和熔化的溫度)為366 380°C。 所采用的第二相增強(qiáng)顆粒為SiC，平均尺寸為12 m， SiC增強(qiáng)相占體積比為20 % 。
將Zn-Al合金加入到鑄模中，啟動(dòng)感應(yīng)加熱元件將該合金加熱到40(TC，待其完全 熔化后，將第二相增強(qiáng)顆粒SiC加入到Zn-Al合金液中，同時(shí)啟動(dòng)超聲波振動(dòng)，超聲頻率為 20KHz，振幅為10 ii m，超聲波振動(dòng)20s后，停止加熱，空冷條件下一直施加超聲波振動(dòng)至材 料凝固即可得到SiC顆粒增強(qiáng)的Zn基梯度復(fù)合材料。 所獲材料的組織如圖7所示。由圖7可見，材料第二相SiC顆粒的分布沿材料厚 度方向呈現(xiàn)梯度變化，越接近材料表面，SiC顆粒越密集。另外，材料組織致密，無氣孔缺陷， 基體合金呈現(xiàn)為近等軸晶組織。
具體實(shí)施方式
二十五、本具體實(shí)施方式
通過具體的實(shí)施例說明本發(fā)明的方法
本實(shí)施方式采用的金屬材料是純Al，其熔點(diǎn)660°C。
所采用的第二相增強(qiáng)顆粒為SiC，平均尺寸為5ym， SiC增強(qiáng)相占體積比為45%。
將純A1加入到鈦合金制成的鑄模中，啟動(dòng)感應(yīng)加熱元件將該合金加熱到700°C， 待其完全熔化后，將第二相增強(qiáng)顆粒SiC加入到Al金屬液中，同時(shí)啟動(dòng)超聲波振動(dòng)，超聲頻 率為20KHz，振幅為20 ii m，超聲波振動(dòng)30s后，停止加熱，水冷條件下一直施加超聲波振動(dòng) 至材料凝固，即可得到SiC顆粒增強(qiáng)的Al基梯度復(fù)合材料。 本具體實(shí)施方式
中，采用溫度測(cè)量裝置5熱電偶測(cè)量所述加熱合金的溫度，將熱 電偶的一端伸入到合金中，并通過溫度顯示裝置6進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的控制。
權(quán)利要求
利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，它包括制備容器(1)，其特征是它還包括超聲波發(fā)生裝置(2)、加熱元件(3)和支撐架(7)，超聲波發(fā)生裝置(2)位于制備容器(1)的下面，且所述超聲波發(fā)生裝置(2)的超聲波發(fā)出端朝向超聲波發(fā)生裝置(2)的底面；支撐架(7)位于制備容器(1)的側(cè)面，加熱元件(3)固定在位于制備容器(1)一側(cè)的支撐架(7)表面上，所述加熱元件(3)與制備容器(1)的距離10 mm～30mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，其特征在于它還包括溫度測(cè)量裝置(5 )和溫度顯示裝置(6 )，所述溫度測(cè)量裝置(5 )的用于測(cè)量制備容器(l)中的待制備材料的溫度，所述溫度測(cè)量裝置(5)的溫度信號(hào)輸出端與溫度顯示裝置(6)的溫度信號(hào)輸入端連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，其特征在于它還包括冷卻水管(4)，所述冷卻水管(4)環(huán)繞并固定在制備容器(1)的外側(cè)壁的下部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，其特征在于加熱元件(3)為感應(yīng)加熱元件或電阻加熱元件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，其特征在于溫度測(cè)量裝置(5)為控溫?zé)犭娕肌?br> 6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置，其特征在于制備容器(l)由鈦合金材料制成。
7. 基于權(quán)利要求1所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，其特征是它由以下步驟完成步驟一、將金屬材料置于制備容器(1)中，啟動(dòng)加熱元件(3)，將金屬材料加熱至其熔點(diǎn)以上的20 5(TC，使所述金屬材料完全熔化為金屬溶液；步驟二、向所述金屬溶液中加入金屬溶液體積百分比為的5 70%的第二相增強(qiáng)顆粒，同時(shí)施加頻率為16 60KHz、振幅為10 60iim的超聲波振動(dòng)，所述超聲波振動(dòng)時(shí)間持續(xù)2 120s后，關(guān)閉加熱元件(3)，停止加熱；步驟三、對(duì)制備容器(1)內(nèi)的金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混合物進(jìn)行冷卻至凝固，凝固后即為獲得顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料；在凝固過程中，對(duì)金屬溶液與第二相增強(qiáng)顆粒的混合物持續(xù)施加超聲波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟一中所述的金屬材料是Al、 Zn、 Cu、 Al基合金、Zn基合金或Cu基合金中的一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟二中所述第二相增強(qiáng)顆粒是B4C、SiC、Si02、Al203、TiC、TiB2、AlN、TiN或Zr02顆粒中的一種。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟三中所述的冷卻方法為空冷或水冷。
全文摘要
利用超聲波制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置及方法，涉及一種制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料的裝置及方法，解決了現(xiàn)有的電磁制備梯度復(fù)合材料方法只能制備第二相顆粒與金屬基體存在較大導(dǎo)磁率的復(fù)合材料體系，以及現(xiàn)有的制備梯度復(fù)合材料方法的第二相顆粒的表面與金屬液的潤(rùn)濕結(jié)合差、制備后的梯度復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能差、制備后的梯度復(fù)合材料的致密性差的問題。其裝置將超聲波發(fā)生裝置位于制備容器的下面，加熱元件距制備容器10～30mm。其方法將金屬材料加熱至完全熔化；加入第二相增強(qiáng)顆粒，施加超聲波振動(dòng)2~120s后，停止加熱；持續(xù)施加超聲波并進(jìn)行冷卻至凝固獲得顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料。本發(fā)明用于制備顆粒增強(qiáng)梯度復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C32/00GK101775518SQ201010138509
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者杜善義, 楊士勤, 石磊, 許志武, 閆久春 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)