最新一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法

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一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法

[0001]本发明属于金属基复合材料制备与加工技术领域,特别涉及一种采用超声无压浸渗工艺制备SiC/Al复合材料的装置及方法。

[0002]随着航空航天、交通运输、机械电子等行业对材料综合性能的要求越来越高,金属基复合材料的应用也越来越广泛。在现有的多种金属基复合材料制备技术中,无压浸渗是近年来逐渐发展起来一项技术,用该技术可以制备出高体积分数的金属基复合材料,其性能基本能够满足相关行业的要求,同时制造成本低于粉末冶金、压力浸渗等技术。
[0003]但是,在常规无压浸渗工艺中,由于铝合金熔体极易氧化,熔体表面氧化膜的存在使熔体与SiC的界面浸润性很差,现有的无压浸渗工艺只能通过提高液态金属温度的方法改善浸润性,需要在惰性气体保护下将铝合金加热至很高温度,利用高温破坏氧化膜完整性,从而改善界面浸润性,实际采用的加热温度通常高于基体金属液相线温度400?500°C,而且整个浸渗过程缓慢,浸渗过程需要持续较长时间。长时间高温保温不仅使生产效率较低,而且在浸渗期间,高温铝合金熔体与碳化硅直接接触会发生严重的界面反应,生成的反应产物A14C3存在于材料内部,导致复合材料性能下降。因此需要通过新方法降低完成浸渗过程所需的温度和时间,提高复合材料的性能和生产效率。



[0004]针对现有技术不足,本发明提供了一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法。
[0005]—种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,该装置包括坩祸3,坩祸3外侧设有加热装置2,坩祸3的盖上设有进气口和出气口,以及一个热电偶插孔,热电偶1由该孔插入坩祸3中,坩祸3内放置托架4,托架4为Η型,托架4的托盘上设有多个小孔,坩祸3底部安装有超声工具头8,坩祸3底部外侧设有保温层5,超声工具头8的工具杆依次穿过坩祸3和保温层5,与超声变幅杆9连接,超声变幅杆9下端与超声换能器11相连。
[0006]优选地,在坩祸3底部安装有1至多个超声工具头8,超声工具头8的端面设计为平面或圆弧面。
[0007]优选地,超声工具头8与坩祸3之间设有阻隔垫12。
[0008]优选地,超声变幅杆9外侧安装有循环水冷罩10,工作时用于超声变幅杆9的冷却。
[0009]使用上述装置制备SiC/Al复合材料的方法,包括以下步骤:
[0010]1)将SiC颗粒与粘结剂混合,然后在模具内压制成一定形状、尺寸的预制件6 ;[0011 ] 2)将超声工具头8固定在坩祸3底部,之后连接超声变幅杆9和超声换能器11,然后将托架4放入坩祸3底部,在托架4上依次放上基体铝合金7和SiC预制件6,其中SiC预制件6放置在基体铝合金7上面;
[0012]3)封闭坩祸3,在坩祸3内插入热电偶1并通入惰性气体,开启加热装置2对坩祸3加热,基体铝合金7逐渐熔化,熔体通过托盘上的小孔流下,与超声工具头8接触;
[0013]4)当热电偶1显示熔体温度达到设定温度后,开启超声换能器11,超声工具头8向熔体内辐射超声波,熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件6内部;
[0014]5)浸渗完成后,断开加热装置2和超声换能器11的电源,停止加热和超声振动,当熔体冷却到高于基体铝合金7液相线温度30?50°C后,将浸渗完成的预制件6在空气中冷却,最终得到SiC/Al复合材料。
[0015]其中,步骤2)中所述基体铝合金为Al-S1-Mg系合金,不排除包含其他元素。
[0016]优选地,步骤3)中所述加热,升温速率为3?10°C /min。
[0017]优选地,步骤4)中所述设定温度为700?900 °C。
[0018]优选地,步骤4)中超声工具头8的工作频率为20?30kHz。
[0019]优选地,步骤4)中浸渗时间为30?90min。
[0020]本发明的有益效果为:本发明将超声振动作用在熔体与SiC的界面上,利用超声振动破坏铝合金熔体表面氧化膜的完整性,从而在较低熔体温度下就能获得良好的界面浸润性,降低了浸渗温度并减少了浸渗时间,抑制了有害的界面反应的发生。本发明在坩祸底部安装超声工具头,并将超声工具头端面设计为平面或圆弧面,有利于超声波向熔体内均匀辐射,在超声工具头与坩祸底面间安装阻隔垫,一方面起到密封作用,另一方面能够阻止超声振动向坩祸壁传递,从而提高超声振动向熔体内传送的效率。结果表明该方法能高效率低成本的制造出高性能SiC/Al复合材料。

[0021]图1为超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料系统示意图;
[0022]图2为超声工具头及其与坩祸连接示意图;
[0023]图3为实施例1得到的SiC/Al复合材料微观组织分析图。
[0024]标号说明:1_热电偶;2-加热装置;3_坩祸;4_托架;5-保温层;6_预制件;7-基体金属;8_超声工具头;9_超声变幅杆;10_循环水冷罩;11_超声换能器,12-阻隔垫,13-螺母。

[0025]下面结合附图和对本发明做进一步说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0026]—种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,如图1所示,该装置包括坩祸3,坩祸3外侧设有加热装置2,坩祸3的盖上设有进气口和出气口,以及一个热电偶插孔,热电偶1由该孔插入坩祸3中,坩祸3内放置托架4,托架4为Η型,托架4的托盘上设有多个小孔,坩祸3底部安装有多个超声工具头8,超声工具头8由螺母13固定在坩祸3底部,其端面设计为圆弧面,有利于超声波向熔体内均匀辐射,超声工具头8与坩祸3之间设有阻隔垫12,一方面起密封作用,另一方面能够阻止超声振动向坩祸壁传递,从而提高超声振动向熔体内传送的效率。坩祸3底部外侧设有保温层5,以减少底部散热,超声工具头8的工具杆依次穿过坩祸3和保温层5,与超声变幅杆9连接,超声变幅杆9下端与超声换能器11相连,超声变幅杆9外侧安装有循环水冷罩10,工作时用于对超声变幅杆9的冷却。
[0027]具体实施过程中,先利用螺母13将超声工具头8和阻隔垫12固定在坩祸3底部,然后将超声工具头8与超声变幅杆9连接,超声变幅杆9下端与超声换能器11连接;之后将托架4放入坩祸3底部,在托架4上依次放上基体铝合金7和SiC预制件6,其中SiC预制件6放置在基体铝合金7上面,各部分安放到位后封闭坩祸3,在坩祸3内插入热电偶1并通入氮气,开启加热装置2对坩祸3进行加热,同时在循环循环水冷罩10内通入冷却水。坩祸3内的基体铝合金7受热逐渐熔化,熔体通过托盘上的小孔流下,与超声工具头8接触,当热电偶1显示熔体温度达到设定温度后,接通超声换能器11电源,超声工具头8向熔体内辐射超声波,超声振动的作用下,SiC预制件6与基体铝合金7的界面浸润性得到改善,超声振动与预制件6内固液界面的毛细作用相结合,促进了熔体渗入到预制件6内部。当浸渗完成后,断开加热装置2和超声换能器11的电源,停止加热和超声振动,当熔体冷却到高于基体铝合金液相线温度30?50°C时,将托架4从坩祸3内取出,浸渗完成的预制件6在空气中冷却,最终得到所需SiC/Al复合材料。
[0028]实施例1
[0029]将SiC颗粒与硅溶胶混合,然后在模具内压制成一定形状尺寸的预制件6,基体铝合金7选用Al-S1-Mg合金,超声工具头8的端面为圆弧面,坩祸3底部安装好超声工具头8、阻隔垫12,并连接超声变幅杆9及超声换能器11后,将托架4放入坩祸3内,然后将基体铝合金7及SiC预制件6依次放在托架4上,且SiC预制件6放于基体铝合金7上面;封闭坩祸3,在坩祸3内插入热电偶1并通入氮气保护,开始进行加热,升温速率为5°C /min,基体铝合金7逐渐熔化,熔体通过托盘上的小孔流下,与超声工具头8接触;加热的同时在循环循环水冷罩10内通入冷却水。当热电偶1温度显示坩祸3内熔体达到900°C时,接通超声换能器11的电源,超声工具头8向熔体内均匀辐射超声波,熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件6内部,其中超声换能器11和超声工具头8工作频率均为20kHz。浸渗30min后,浸渗过程完成,停止加热和超声振动。当热电偶1温度显示熔体温度为630°C时,取出托架4,浸渗完成的预制件6在空气中冷却得到所需的SiC/Al复合材料。对制备出的SiC/Al复合材料进行微观组织分析,结果显示材料内部组织致密,而且无A14C3相生成。

1.一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,其特征在于,该装置包括坩祸(3),坩祸(3)外侧设有加热装置(2),坩祸(3)的盖上设有进气口和出气口,以及一个热电偶插孔,热电偶⑴由该孔插入坩祸⑶中,坩祸⑶内放置托架(4),托架(4)为Η型,托架(4)的托盘上设有多个小孔,坩祸(3)底部安装有超声工具头(8),坩祸(3)底部外侧设有保温层(5),超声工具头(8)的工具杆依次穿过坩祸(3)和保温层(5),与超声变幅杆(9)连接,超声变幅杆(9)下端与超声换能器(11)相连。2.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,其特征在于,在坩祸(3)底部安装有1至多个超声工具头(8),超声工具头(8)的端面设计为平面或圆弧面。3.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,其特征在于,超声工具头(8)与坩祸(3)底部之间设有阻隔垫(12)。4.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置,其特征在于,超声变幅杆(9)外侧安装有循环水冷罩(10),工作时用于超声变幅杆(9)的冷却。5.使用权利要求1-4中任一权利要求所述装置制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,包括以下步骤: 1)将SiC颗粒与粘结剂混合,然后在模具内压制成预制件(6); 2)将超声工具头(8)固定在坩祸(3)底部,之后连接超声变幅杆(9)和超声换能器(11),然后将托架⑷放入坩祸⑶底部,在托架⑷上依次放上基体铝合金(7)和SiC预制件出),其中SiC预制件(6)放置在基体铝合金(7)上面; 3)封闭坩祸(3),在坩祸(3)内插入热电偶⑴并通入惰性气体,开启加热装置⑵对坩祸(3)加热,基体铝合金(7)逐渐熔化,熔体通过托盘上的小孔流下,与超声工具头(8)接触; 4)当热电偶(1)显示熔体温度达到设定温度后,开启超声换能器(11),超声工具头(8)向熔体内辐射超声波,熔体在超声振动和毛细作用力的共同影响下逐渐浸渗入SiC预制件(6)内部; 5)浸渗完成后,断开加热装置(2)和超声换能器(11)的电源,停止加热和超声振动,当熔体冷却到高于基体铝合金(7)液相线温度30?50°C后,将浸渗完成的预制件(6)在空气中冷却,最终得到SiC/Al复合材料。6.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,步骤2)中所述基体招合金为Al-S1-Mg系合金。7.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,步骤3)中所述加热,升温速率为3?10°C /min。8.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,步骤4)中所述设定温度为700?900 °C。9.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,步骤4)中超声工具头(8)的工作频率为20?30kHz。10.根据权利要求5所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的方法,其特征在于,步骤4)中浸渗时间为30?90min。
本发明涉及一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法,将基体铝合金和SiC预制件放入坩埚内的托架上,基体铝合金加热熔化,当熔体达到设定温度后,超声工具头向熔体内辐射超声波,熔体逐渐浸渗入SiC预制件内,浸渗完成后,停止加热和超声振动,当熔体冷却到高于基体铝合金液相线温度30~50℃后,将浸渗完成的预制件在空气中冷却,得到SiC/Al复合材料。通过优化超声工具头结构,增加阻隔垫等方法,使超声振动破坏熔体表面的氧化膜,改善熔体与SiC预制件之间的浸润性,浸渗温度和浸渗时间都明显低于普通无压浸渗过程,同时抑制了有害界面反应的发生,从而提高了无压浸渗制备SiC/Al复合材料的效率和质量。
C22C1/10, C22C32/00, C22C21/00
CN105331853
CN201510703295
杨必成, 聂俊辉, 马自力, 樊建中
北京有色金属研究总院
2016年2月17日
2015年10月26日

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