[发明专利]一种磁场与超声场耦合作用下熔体反应合成金属基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型复合材料合成制备技术领域，特别涉及到一种在电磁场和超声场耦合作用下熔体原位反应合成制备颗粒增强金属基复合材料的新方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料由于具有复合的结构特征而兼备良好的力学性能和理化性能，在先进的电工电子器件、航空航天器、机械、桥梁隧道工程等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来金属基复合材料的研究热点之一。原位反应合成法是目前制备颗粒增强金属基复合材料的主要方法，该方法的原理是在金属基体熔液中加入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定温度下与金属熔液发生原位反应生成颗粒相而制得内生颗粒增强复合材料。该方法制备复合材料由于颗粒相原位生成，其与基体金属结合界面干净，润湿性好，结合强度高。但是，该技术还存在一系列问题，反应过程难控制，颗粒相易长大，甚至团聚，分布也不均匀。

利用外场作用可以改善原位合成反应的热力学与动力学条件，起到促进原位反应进行的作用，同时，外场作用可以控制颗粒相的过分长大或偏聚团簇现象，因此，在外场下原位合成金属基复合材料越来越受到研究者的重视。中国专利：CN 1676641A(公开日：2005.10.5，发明名称：制备金属基纳米复合材料的磁化学反应原位合成方法)提出在磁场(稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场)下进行原位磁化学反应合成，该专利介绍的方法在细化增强颗粒方面具有非常好的效果。中国专利：CN 1958816(公开日：2007.05.09，发明名称：功率超声法制备内生颗粒增强铝基表面复合材料工艺)提出利用功率超声制备内生颗粒增强(Al₃Ti相)铝基表面复合材料，使增强相在基体的表层分布均匀，界面结合更好。

但是，单一施加电磁场或超声场对原位反应合成颗粒增强金属基复合材料的作用仍不能令人满意。施加单一电磁场时，由于电磁场在金属熔体内存在难以克服的集肤效应，磁场在金属内的作用强度按指数规律衰减，因此电磁场对熔体的有效作用深度有限，特别对于大体积的熔池或采用较高频率的电磁场时，熔体内电磁场作用的差异非常明显，即电磁场在熔体内作用出现严重的不均匀性，中心区域电磁场作用微弱而边缘区域电磁场作用很强。单一施加超声场时，由于超声波是一种机械疏密震荡波，属于纵波，其作用有很显著的方向性，同时超声波在金属熔体中的衰减亦十分严重，因此，超声效应主要集中在变幅杆下的柱状区域范围内，即超声场作用集中在熔体的中心区域，熔体的边缘区域则很弱。

为弥补单一施加电磁场或超声场的不足，本发明提出采用电磁场与超声场耦合作用下原位合成颗粒增强金属基复合材料的新方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种在电磁场与超声场耦合作用下熔体反应合成制备内生颗粒增强金属基复合材料的新方法，制备高性能原位颗粒增强金属基复合材料。

本发明的基本原理是：在原位颗粒增强金属基复合材料的反应合成过程同时施加磁场和高能超声场，利用磁场对熔体产生电磁力、磁化及涡流感应热等磁化学原理和高能超声场在熔体内产生的声空化和声流冲击等声化学原理对复合材料合成制备过程进行耦合作用，达到控制颗粒相的分布、抑制颗粒长大和团簇并改变原位合成反应的热力学和动力学条件的目的，实现磁场磁化学和高能超声场的声化学耦合作用下合成颗粒增强金属基复合材料。该新方法的原理结合图1实现本方案的装置示意图说明如下：

在保温耐火材料制成的熔池(或坩埚)1内合成制备复合材料熔体2，在熔池(或坩埚)上部插入高能超声变幅杆3，对熔体施加超声处理，在熔池(或坩埚)外侧施加磁场4。根据复合材料熔体制备方法以及要求效果的不同，可以选择不同的磁场施加形式。因此外加磁场4可以是强脉冲磁场、高频振荡磁场及低频旋转磁场三种磁场。

磁场与超声场耦合作用的原理是：

(1)外加磁场4选用强脉冲磁场，即强脉冲磁场与超声场耦合作用，强脉冲磁场在熔体内的脉冲电磁力、脉冲磁化力和感应电流的焦耳热，均对原位化学反应有加速作用，并能起到使颗粒相弥散分布的目的，但脉冲磁场在金属熔体内有一定衰减，熔体边缘区域的反应受磁场的影响强而中心部位较弱，因此要选择与高能超声耦合作用，功率超声通过在熔体内的空化效应和声流冲击，空化效应使颗粒团簇得到控制，声流冲击起到微区搅拌作用，由于超声场作用区域是中心区域强而边缘弱，两者正好互相弥补不足，耦合作用达到加速原位反应，使颗粒相快速生成并呈弥散分布的目的。

(2)外加磁场4也可选用高频振荡磁场，高频振荡磁场由于在熔体内存在集肤效应，所以集中作用于熔池的边缘，对复合材料熔体中的颗粒形成振荡的电磁力，使颗粒团簇得到控制，超声场仍主要作用于熔池中部区域。