專利名稱：金屬基體復(fù)合材料制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種制造氧化物增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的工藝方法。
英國專利GB2115014A公布了一種制備金屬基顆粒復(fù)合材料的噴射共沉積工藝。該工藝是用中性或還原性氣體使熔融基體金屬霧化，同時(shí)將固態(tài)增強(qiáng)顆粒加入到液態(tài)金屬射流中，因此需要一獨(dú)立的固態(tài)顆粒輸送系統(tǒng)，并必須預(yù)先準(zhǔn)備好增強(qiáng)顆粒，而這些顆粒通常較基體金屬昂貴，當(dāng)外加顆粒為氧化物(如Al2O3)時(shí)，其與基體的界面為機(jī)械結(jié)合。
美國Lanxlde公司提出了一種制取金屬基復(fù)合材料的方法(中國專利89100159X)，該方法是在模子內(nèi)使熔融金屬與不滲透預(yù)制坯和氧化劑接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)，然后熔融金屬通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)使氧化反應(yīng)不斷進(jìn)行，若將顆粒，晶須等增強(qiáng)材料放置在熔融金屬鄰近面，則需將模子密封足夠長時(shí)間以使熔融金屬能充分自發(fā)滲透，然后凝固得到復(fù)合材料。該方法工藝較復(fù)雜，且反應(yīng)時(shí)間較長。
本發(fā)明的目的是為了克服上述工藝的不足，提供一種勿需外加固態(tài)顆粒輸送系統(tǒng)、采用氧化性氣體使熔融基體材料霧化，同時(shí)快速氧化、并沉積凝固，而形成金屬基復(fù)合材料的新方法。
本發(fā)明的工藝方法，包括如下步驟(1)采用一種熔融金屬氣體霧化裝置，使熔融金屬從霧化噴嘴中間流過，而具有一定壓力的氧化性氣體從液流周圍高速噴出，并與液流相交，使熔融金屬霧化成大量細(xì)小的液滴，形成噴射流。
(2)熔融金屬被氧化性氣體霧化的同時(shí)，這些液滴的表面立即發(fā)生氧化反應(yīng)生成一層氧化物。在隨后的飛行過程中，始終與氧化性氣體保持接觸，并繼續(xù)進(jìn)行氧化。
(3)在氣流的噴射作用下，這些表面具有一層氧化物的大量液滴沉積到固體襯底上，由于飛行過程中液滴之間的相互碰撞，和沉積到襯底上時(shí)液滴與襯底的碰撞，液滴表面的氧化物發(fā)生破碎，而內(nèi)部未被氧化的液態(tài)金屬則變形鋪展，并快速凝固，從而形成具有彌散分布氧化物的金屬基復(fù)合材料。
本方法的特點(diǎn)就是采用氧化性氣體為霧化介質(zhì)，使熔融基體金屬在霧化成大量液滴的過程中，這些液滴表面同時(shí)發(fā)生直接氧化而生成一層氧化物，然后沉積凝固。氧化反應(yīng)的時(shí)間很短，無須外加任何增強(qiáng)材料。
運(yùn)用本方法，基體材料可是鋁、鎂等金屬及其合金，亦可是NiAL高溫合金及含鋁或鎂的其它合金。因此，本方法制造的復(fù)合材料中，氧化物可以是一種，亦可是多種。流入霧化噴嘴的液流截面的形狀可是園形的，亦可是矩形的，根據(jù)生產(chǎn)需要確定。霧化噴嘴可以是一個(gè)或多個(gè)，也可是固定的或來回移動(dòng)的。
霧化氣體可是氧氣，亦可是氧氣與氮?dú)?，或氧氣與空氣的混合氣體。調(diào)節(jié)氣氛中的氧含量，可獲得不同含量的氧化物，復(fù)合材料中氧化物的體積百分比可達(dá)50%，一般在5%～35%的范圍內(nèi)較佳?？赏ㄟ^控制噴射工藝參數(shù)獲得不同尺寸的氧化物顆粒。
襯底的材料可以是金屬或合金，如鑄鐵、鋼或銅合金，襯底的形狀可以是平板，轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓或輪，或是成型的模具，襯底應(yīng)具有一定的激冷能力，使沉積到襯底上的復(fù)合材料能迅速凝固，其凝固冷卻速度在2×102-104K/S之間。沉積凝固后的復(fù)合材料可從襯底上取下。沉積凝固后的復(fù)合材料亦可與襯底形成一體，得到層狀材料，如襯底為勻速移動(dòng)的鋼帶，則可在鋼帶表面沉積一層復(fù)合材料。襯底表面應(yīng)無水氣或其它污跡，襯底的溫度視復(fù)合材料的最終情況而定，但最高不超過基體材料熔點(diǎn)的0.4～0.6倍(攝氏溫度)。
本發(fā)明工藝方法制成的復(fù)合材料是由熔融基體材料直接氧化生成的氧化物與基體材料結(jié)合而成的。這種氧化物有較大的活性，且表面無污染，與基體金屬存在著連續(xù)結(jié)構(gòu)、有良好的界面結(jié)合，遠(yuǎn)較外加相同氧化物顆粒制得的復(fù)合材料性能優(yōu)越。本工藝制成的復(fù)合材料可以直接應(yīng)用，亦可進(jìn)行后處理，如熱軋、冷軋、熱擠壓等，以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的密度和強(qiáng)度性能。
附圖
所示為本發(fā)明的工藝示意圖，其中1-熔融基體金屬2-氣壓表3-霧化氣體管道開關(guān)4-霧化氣體輸送管道5-耐火材料柱塞6-保溫坩堝7-導(dǎo)流管8-霧化噴嘴9-霧化噴孔10-襯底11-復(fù)合材料下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的工藝過程作進(jìn)一步說明首先，將熔制好的基體金屬1澆注到底漏式保溫坩堝6內(nèi)，并保持一定的液面高度，調(diào)整霧化氣體壓力2使其達(dá)到所需要的數(shù)值，然后打開氣閥3同時(shí)向上移動(dòng)耐火材料柱塞5，使熔融金屬經(jīng)導(dǎo)流管流入霧化噴嘴8，氧化性氣體4從噴孔9高速噴出，與熔融金屬流相遇，使其霧化，同時(shí)發(fā)生氧化，然后沉積到襯底10上，凝固形成復(fù)合材料11。
實(shí)施例1基體材料為金屬鋁，液流直徑為3～5mm，過熱溫度為40～80℃，霧化氣體為氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，總壓為0.6～1.2MPa、氧分壓比P氧/P總為0.2～0.5，沉積距離為150～350mm，襯底為鋼板或銅合金板，溫度20℃～250℃，制得的Al/Al2O3復(fù)合材料，組織致密，氧化鋁彌散分布，尺寸為0.5～10um，體積百分含量10～35%，與基體材料比較，復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及高溫性都有顯著提高。
實(shí)施例2基體材料為AL-Sl8%合金，過熱溫度為50℃，液流直徑為4mm，霧化氣體為空氣+氧氣的混合氣體，總壓P總為0.9MPa，氧分壓比為P氧/P總為0.3，沉積距離為200mm，襯底為鋼板，溫度為25℃，制得的復(fù)合材料中，氧化物以AL2O3為主，有少量的SlO2，尺寸為1.0-15um，體積百分含量為15-18%。與基體材料比較，復(fù)合材料的晶粒明顯細(xì)化，硬度，耐磨性都有顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種氧化物增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造方法，該方法包括a、采用一種熔融金屬氣體霧化裝置，使熔融金屬從霧化噴嘴中流過，具有一定壓力的霧化氣體從熔融金屬液流周圍高速噴出，并與液流相交，使熔融金屬霧化成大量細(xì)小的液滴，形成噴射流；b、霧化介質(zhì)為氧化性氣體，使熔融基體材料在被霧化成大量液滴的同時(shí)，這些液滴表面快速發(fā)生氧化，而生成氧化物薄膜；c、表面具有氧化物薄膜的大量液滴，在氣體噴射作用下，沉積到固體襯底上，液滴變形鋪展，氧化膜破碎呈彌散分布，基體材料凝固形成氧化物增強(qiáng)復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征是基體材料凝固過程中的冷卻速度為3×102K/S-104K/S。
3.根據(jù)權(quán)利要求1.2所述的工藝方法，其特征是基體材料可以是金屬鋁、鎂及其合金以及含有一定量鋁或鎂的其他合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1.2所述的工藝方法，其特征是襯底材料可以是具有一定激冷能力的鑄鐵、鋼、或者銅合金，可為任意形狀，其溫度應(yīng)低于基體材料熔點(diǎn)的0.5-0.6倍(攝氏溫標(biāo))。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征是由基體材料直接氧化生成的氧化物可以是一種以上，氧化物的體積百分比可達(dá)50%，一般在5%-35%的范圍較佳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征是霧化介質(zhì)可以是氧氣、空氣、或氧氣與其它任何惰性氣體的混合氣體，霧化氣體總壓不低于0.6MPa，其中，氧的分壓應(yīng)不低于總壓的0.2倍。
全文摘要
一種金屬基復(fù)合材料的制造方法，制得的復(fù)合材料是由基體材料(如鋁)和彌散分布于基體中的氧化物(如氧化鋁)所組成。通過使熔融基體金屬霧化，同時(shí)發(fā)生直接氧化生成氧化物，然后沉積到襯底上，基體材料凝固形成具有彌散分布氧化物的金屬基復(fù)合材料。直接氧化生成的氧化物與基體界面結(jié)合良好，復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨性和高溫性能。
文檔編號(hào)C23C4/04GK1069292SQ91105508
公開日1993年2月24日 申請(qǐng)日期1991年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月6日
發(fā)明者錢翰城, 彭曉東 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)