製造金屬基複合材料的方法和裝置的製作方法

2023-05-09 16:54:51 1

專利名稱：製造金屬基複合材料的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及冶金領域，更具體地是涉及製造分布著很細顆粒的鑄造基體金屬材料的方法，這些顆粒可以是陶瓷、金屬、合金、金屬間化合物、碳化物、氮化物、硼化物和其它可以提高基體金屬性能的物質。
飛機、船舶、汽車製造工業和一些其它工業的發展需要具有更好的加工性能及使用性能的新材料。
現有技術是通過把基體金屬與添加的組分熔化成液態，在能夠保證各種組分完全熔化及相互溶解的整個系統的溫度下進行熔煉來生產金屬結構材料(合金)(圖2a)。
在合金液冷卻與凝固時，隨著溫度的降低，合金組分的溶解度極大地降低。對某一合金系統及組分，在特定溫度下，從均勻的合金液中沉澱出固相併長大，這些固相是以合金組分的晶體形式，或者，更經常地以合金組分的化合物(金屬間化合物相)的晶體的形式沉澱的固相(圖2b、c)。在進一步冷卻時，其餘的合金液以合金組分在基體金屬中以固溶體的形式結晶(圖2d)。具有與本體合金(基體)的晶格和性能不同的金屬間化合物相強烈地影響著整個合金系統的性能。
在合金結晶的過程中沉澱出的金屬間化合物相的尺寸不應超過1微米，否則由於降低了延性和強度極大地損害了合金的質量。
在固態下，金屬和非金屬在金屬基體中的溶解是極其有限的，這一因素說明了商用合金的選擇面很窄，通過改變成分來提高商用結構合金的性能實際已達到了極限。已經發展了一種新型的結構材料，在其中含有能使整個合金系統達到要求的性能的人為加入的氧化物、碳化物和其它化合物的顆粒或纖維。由於這些金屬系統的組分並不像普通的合金那樣從基體金屬中沉澱出來，而是人工地加進合金系統中的，所以這種材料稱為複合材料。雖然在熔煉合金時有時也會自然生成這種材料，但是所有已知的帶有加入顆粒並且其性能與基體明顯不同的合金基本上都是複合材料。
人工合成或自生的複合材料所代表的金屬材料性能如下-材料的延性取決於基體的塑性流動的能力(通常是在基體合金中組分的固溶體的塑性流動的能力)以及在基體中的金屬間化合物和其它夾雜物的尺寸和晶系(晶體結構);
-強度、耐熱性、疲勞強度和抗裂紋擴展的能力取決於夾雜物與基體的相互作用以及在夾雜物作用下的基體晶格畸變。
-材料的硬度、耐磨性、摩擦特性取決於夾雜物的性質;
-材料的彈性模量、線膨脹係數、比重(密度)取決於基體和夾雜物的一系列性能;
因此，為了發展具有預定的兼有工藝性能及使用性能的新型金屬材料，在理論上可以通過選擇每一金屬系統的最佳組分，也就是選擇其性質和相互作用可決定整個複合材料系統的性能的基體和夾雜物來達到。
金屬系統的基體的選擇取決於材料所要求的使用性能以及基體(鋼、鋁、銅、鎂、鎳等)的性能水平。
實施製造結構金屬材料的技術的主要困難是如何把能在基體中熱力學穩定及熱穩定的、只有幾毫微米到幾微米的化合物的超細顆粒的組分噴射到合金結構中。
在自生的複合金屬材料(也就是複雜合金)的生產中，上述問題通過快速冷卻均質的合金液來使顆粒(金屬間化合物)從基體金屬中的合金組分的飽和固溶體中沉澱出來加以解決。所需的冷速實際上只有在比較少量的合金液的情況下才能達到。在實賤中，通過首先用物理方法使合金液分散然後在冷卻介質中冷卻細小合金液滴來提供這種快速冷卻。這就要求採用昂貴的乾燥、除氣和壓實顆粒(細粒)的操作來製成粉粒。因此在工業上採用制粒技術來生產新型合金的工藝還沒有廣泛地使用。
把超細顆粒引入金屬液中的困難在於兩方面。首先，由於超細顆粒(千分之幾微米或更小的尺寸)缺乏流動性，當把它們噴射到金屬液中時很難計量，有時甚至不可能計量。第二，由於在同金屬液接觸時，顆粒表面吸附氧，而在顆粒表面的基體金屬的氧化物阻礙顆粒與金屬液的潤溼。這個問題在把顆粒噴射到與氧有高的親和力的金屬(鋁、鎂等)液時特別突出。上述因素也阻礙著通過把顆粒-晶核注入金屬液中作為對合金的直接變質處理的技術的實施，妨礙噴射入粉末狀合金組分來使金屬液合金化，並阻礙著在合金生產中特別在鋁-矽系統的合金生產中合金材料(例如矽)的粉狀廢料的應用。
所提出的技術以及實行這一技術的裝置的一個最重要的特點是可以把摻入物(在生產複合材料時)或結構成分(在生產合金時)的細顆粒噴射到金屬液中，按照圖3的示意圖形成合金結構。
將所要的摻入物顆粒噴射到沒有該組分原子的基體中(圖3a)。當結構組分(AxBy)和合金組分B在基體A中的溶解達到系統平衡時，加入基體中的顆粒在合適的溫度下分散到飽和狀態的濃度，並且尺寸減小，這方法是很好控制的，並且允許生產具有溶解度有限的預定成分的合金。
在「鑄造的金屬-陶瓷顆粒複合材料的凝固、結構和性能」(Rohatgi P.K，Asthana R.，Das S.-Inst.Metal Rev，-1986-vol 31，N3-pp15-139)闡述了生產鑄造複合材料的一個方法的主要步驟，包括-生產基體金屬液;
-把固體顆粒均勻分布在金屬液中;
-使合成的複合材料結晶。
在現有技術中已經用下列的方法把超細顆粒注入到合金液中，如在「鑄造鋁-石墨顆粒複合材料-一種潛在的工程材料」(Rohatgi P.K.，Das S.Dan T.K.-J.Inst.Eng.，-March，1989-Vol 67，N2-pp77-83)中所說明的方法，包括-機械攪拌金屬液及加入的顆粒;
-把製成粉末狀的基體金屬和增強顆粒混合成的粉粒壓實，接著把顆粒料插入金屬液中並進行機械攪拌;和-用超聲幅射法使顆粒分散在金屬液中。
在生產鑄造金屬基體複合材料時遇到的問題是增強的摻入料顆粒與基體金屬液之間缺乏潤溼性或潤溼性低，和由於基體和摻入料之間的密度差大而造成鑄造材料的不均勻性。
在「石墨與液態鋁的潤溼性和合金化元素對潤溼性的影響」(Choh Takao，Kemmel Roland，Oki Takeo-Z.Metallklunde-1987-Vol 78 N4-pp286-290)中論述了提高增強摻入料顆粒與基體金屬之間的結合強度的若干工藝方法，這些方法是-把對金屬有親和力的塗層塗復在增強摻入料顆粒的表面上;
-把表面活性劑加到基體金屬液中;
-提高熔化溫度。
還有一種已知的生產複合材料的方法(日本專利申請號56-141960，申請日1980，4，8和專利號55-4595
公開日1981，11，05)建議使用與各種金屬材料能充分相容的直徑為150微米的天然空心的細球以及石墨粉、TiB2、氮化鋁和氧化鋁作為摻入料，再加入0.05～5.0%(重量)的薄片狀石墨和金屬鈣到金屬液中以保證材料的均勻性。
這一方法的缺點是必須把可溶解在液態基體金屬中但實際上不可溶在固態基體中，並且會與基體形成一種脆性的共晶組分的元素(鈣)加入到金屬液中去，這就導致基體及複合材料本身的機械性能的降低。此外，使用上述尺寸(150微米)的空心細球作為摻入料並不改善機械性能的絕對值，而只能對每單位質量的相對值有一些改善。
與本發明相關的現有技術(Met.Trans，1978，V9，N3，pp383-388)是使用熔融基體金屬-Mg、Al、Fe、Ni、Cr、Co中加入尺寸為0.01-10微米的不溶性氧化物顆粒(Al2O3、BeO、CaO、CeO2、TiO2、MgO、ThO2、VO2、ZrO2)和Nb、Ta、Hf、Ti、Zr的碳化物、硼化物和氮化物來製造複合材料。顆粒以粉末或細纖維狀加入。為了保證顆粒在金屬液中均勻地分布，將它們在予熱過的惰性氣體(Ar，He)流中噴射入，同時強烈攪拌基體金屬液。顆粒的體積百分比的範圍是0.5%到20%。另外，把一種能改善顆粒-金屬液的界面間的表面活性的元素加入到金屬液中。注入表面活性金屬(Mg，Si，Ti，Zr，V，Nb)確保在氧化物上形成一種能顯著提高系統溼潤性的親金屬的外皮，並且在30分鐘內不會發生偏析。
上述的方法有下面的缺點1.由於需要噴射入表面活性金屬，而在很多情況下這類元素會導致所得到的複合材料的工藝性能及機械性能降低，因此得到的基體金屬液的化學成分是有限的。
2.在凝固過程中沒有攪拌，特別對於凝固時間長的情況，將促使形成偏析和層狀區域結構，因此降低了所獲複合材料的質量;
3.增強顆粒的不可溶性排除了採用這種方法來生產具有以那些元素或其化合物的超細顆粒來增強的基體的各種材料的可能性，而那些元素在傳統上是通過基體金屬與合金化元素共同結晶隨後進行熱-機械加工來生產的那類材料的強化元素。
本發明的目的是通過提高增強摻入料顆粒分散的均勻性和它們基體金屬的結合強度來改善複合材料的質量，並能廣泛使用陶瓷顆粒、金屬和包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等的金屬間化合物、石墨和玻璃來提供多種複合材料。
為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種製造複合材料的方法，包括以下步驟把磨成粉末的固體添加劑顆粒夾帶在惰性氣體中，這些顆粒可以是陶瓷、金屬、包括氧化物、硼化物、碳化物、氮化物的金屬間化合物、石墨、玻璃;電離惰性氣體以把固體顆粒加熱到低於因熔化、升華或分解使顆粒成為非固態的溫度、但是高於該顆粒熔點的一半的溫度;把電離的夾帶氣體和夾帶了已加熱的固體顆粒的流噴射到金屬液中，同時使金屬液保持充分攪動來促使和保持加入顆粒的分散，在複合材料凝固的同時使含固體顆粒的金屬液中保持攪動直到完全凝固為止。
下面通過附圖來詳細說明本發明，附圖中

圖1、4和5示出實施本發明的各種實施例的裝置;
圖2和3示出在形成合金過程中發生的冶金狀態。
在本發明的實踐中，基體金屬液可以是鋁、鐵、銅、鎂、鎳、鈷、和鉻。合適的基體金屬是上述金屬的合金(其中它們是主要成分)，例如含鎂高到40%(重量)的鋁合金、鋼、鑄鐵和可鍛鑄鐵等。鎂、銅、鎳、鈦和它們的合金也適合用作基體金屬。
增強用的摻入料顆粒很細，平均尺寸為1至100微米。顆粒可以是不與基體形成化合物的金屬(如矽加入鋁中);金屬間化物(如TiAl3，ZrAl3，FeAl3，Fe2Al5，CrAl7，CrAl3，NiAl3，Co2Al9，ScAl3);碳化物(如SiC，TiC，WC，NbC，Fe3C);氮化物(如ZrO2，Al2O3，TiO2，B2O3)和其它的陶瓷材料(如藍寶石，玻璃，石墨和碳氮化物)。還可以用在金屬彌散強化中常用的其他顆粒材料，只要這些材料在本工藝的各工序中能保持足夠的熱力學穩定性。
在本發明中使用的夾帶惰性氣體最好是氬或氦，儘管其它惰性氣體也可以使用。惰性氣體被電離，夾帶的顆粒在噴射到金屬液中以前在電離的惰性氣體中預熱到低於顆粒熔化、升華或分解的高溫;也就是，在可能的情況下加熱到大約為0.9的熔點、升華溫度或者分解溫度。在更高的溫度下，顆粒或者會聚集而在金屬液中生成不希望有的大顆粒，或者導致顆粒成分與要求的成分不一樣。或者使在金屬液中所要求的顆粒的量大大損耗。在顆粒的溫度低於0.5的熔點(或升華溫度或分解溫度)時，則製成的複合材料產品的強度、硬度、結構均勻性、分散顆粒的均勻性和均質性都沒有提高。
預熱顆粒的溫度區間用試驗確定，其根據就是能對各相間的相互作用提供必要的和足夠程度的活化作用，從而保證通過在金屬液表面的基體流中的顆粒的離子腐蝕及分裂過程中從顆粒的表面除去吸附的氧而使顆粒和基體金屬之間保持強有力的結合。
對具體的顆粒材料適用的溫度範圍可以從手冊之類公開的溫度數據查到或用Agema公司等生產的精度為±1℃的高溫測定裝置來確定。但是，建立基本條件通常是更為方便的，特別當使用金屬間化合物之類的顆粒並且不能很方便地查到公開的數據的時候。例如，在製造複合材料前，對預熱階段用的氣體電離裝置制定一個試驗程序，對於一具體的裝入顆粒和氣體流，在電離氣體中顆粒的駐留時間增加到剛好能觀察到顆粒熔化(升華或者分解)的溫度，然後稍微降低以避免熔化，等。那麼這些過程的條件就是0.9熔化溫度。在顆粒發生熔化的駐留時間的一半將相應於0.5熔點。遵照技術人員都熟知的原理，通過調節氣體流和顆粒裝載量，可同樣地確定經驗的時間間隔。
下面的表A列出了本發明選用的特別有效的顆粒材料，表中也列出了加入顆粒的溫度範圍，並列舉了典型適用的基體金屬成分。
表A顆粒 顆粒尺寸 加入的溫度範圍 基體金屬液(成分)(微米) (℃)SiC 5-50 1100-2000 鋁鋁合金Al-4%Cu-1.5%Mg-0.5%Mn鐵TiAl31-10 670-1200 鋁鋁合金Al-4%Cu-1.5%MgTiB25-10 1400-2500 鋁，鋁基合金Si3N41-5 950-1710 銅，鎳石墨 5-50 1800-3240 Al-12%Si
在本發明中，可以加入大約0.5%(重量)到25%(重量)的摻入料到基體金屬熔池中，要加入具體的顆粒材料及其量按照技術上已知的觀點來確定，以達到硬度、強度、延性和彈性等機械性能特別的提高或它們的綜合。
表B示出了典型的顆粒含量和成分基體材料以及機械性能的提高情況。
表B顆粒 加入量 基體金屬 提高的性能(成分) (重量%) (成分)1.sic 10 Al Rm＝200MPa，E＝120(KN)/(MM2) ，(K1)/(K2) =92.ZrAl3+Cr Al31+1 Al
TiAl315 Al
式中Rm-瞬時拉伸強度Ra-屈服應力E-彈性模量K-線性磨損率S-顆粒在基體中的比密度1，2，3-用在鋁基複合材料，鋁和Al-10%Ti上的指數在本發明的實踐中，很重要的一點是通過從加入固體顆粒的開始就使基體金屬液受到物理攪動(例如，使之經受連續的攪拌力)，一直持續到鑄造及鑄造金屬的凝固完成為止。開始，基體金屬液處在物理攪動中，也就是在坩堝型容器中，攪拌力通過對本專業普通技術人員熟知的非幹涉接觸的磁性裝置加到基體金屬熔池中。在本工藝的該階段，也可用已知類型漿葉的機械攪拌。攪拌程度應當足夠有力，例如應當可以觀察到熔池的連續旋動，以保證加入的顆粒均勻地分散，在一定的時間間隔中可取出試樣進行這項測定。當含顆粒的基體金屬準備好用來澆注時，材料直接澆入到一個合適的鑄模中，並且使鑄模中的熔融材料保持物理攪動，最好為振動，在鑄模的外面施加超聲振動，這樣在金屬液中保持振動直到鑄模中的金屬完全凝固。施加超聲能量來提供物理攪動應該有足夠的強度來保持在坩堝中已達到的均勻性，但是不應該導致金屬液有明顯可見的運動。
在本發明的實踐中，夾帶固體顆粒的電離惰性氣體流噴射到基體金屬熔池中使得固體顆粒能進入熔池中的深度至少為5cm，例如約10%的熔池深度。
在液相體積從100%變化到0%，也就是完全凝固的過程中連續攪拌是本發明的一個前提，從而確保在上述各步驟中增強材料在基體中的均勻分布並提高顆粒-熔體界面的潤溼性。在製造複合材料的液-固態的任何階段缺乏攪拌都將導致減弱基體金屬和顆粒之間的表面接觸，而形成不希望有的層狀結構、偏析以及化學和組織的不均勻性。
增強顆粒在基體熔體中的熱力學穩定性抑制著它們與基體金屬的化學作用和不希望有的非控制尺寸和形狀的化合物的形成，這樣就保證了(與現有技術相反)通過熔煉基體金屬製成含超細顆粒增強的合金，然後進行共同的結晶和熱處理，從而製造出含有預定含量、預定尺寸和形狀的強化相的「金屬-金屬間化合物(金屬)」複合材料。
參見圖1，用石墨適宜地製成的坩堝(10)，內含基體金屬例如鋁的熔池(1)，該金屬熔池(1)被一個普通的磁感應器(4)攪拌使熔池(1)發生物理攪動，熔池最好能強烈地旋動(如圖1所示。坩堝(10)設置有一保護蓋(15)，在蓋中插入一個伸長的電離室(2)。惰性氣體例如氬可控制地從管道(8)送入電離室(2)中，氣體按照已知的技術電離並產生等離子弧，在電離室(2)中達到8000℃到20000℃的高溫。磨成粉末的摻入料裝在帶有計量裝置(未示出)的料鬥(3)中，計量裝置用來測量通過裝料管(16)裝入電離室(2)中的摻入料顆粒被迅速加熱到低於顆粒熔點的溫度，例如加熱到顆粒熔點的0.5到0.9之間的溫度。通過噴射惰性氣體並使它們滲入到金屬熔池表面以下的方法把夾帶在電離的惰性氣體(25)中的已知熱並活化了的顆粒導入到金屬熔池(1)中。由磁性感應器(4)造成的在金屬熔池中的連續的物理攪動把已加熱並激活的固體摻入料顆粒均勻地分散在熔池中。用例如熱電偶(未示出)來測量金屬熔池的溫度，以保證溫度低於會出現不希望有的摻入料顆粒熔化或分解的溫度。通過對在一定時間間隔從熔池中取出的試樣進行分析來確定摻入料分散的均勻性。當預定量的固體摻入料顆粒全都已經加入到金屬熔池中時，打開在坩堝(10)底部的塞子(5)，使含有固體添加劑顆粒(0)的金屬液澆入鑄模(6)例如鋼模中，金屬液在鑄模(6)中凝固，包裹著均勻分散的固體摻入料顆粒。為了保證在凝固過程中，固體摻入料顆粒能保持均勻地分散在金屬液相中，在鑄模(6)上裝上一個超聲發送器(7)，用超聲能量振動使得鑄模中的金屬液發生物理攪動，直到所有的液相轉變成固相為止。
圖4(A)示出圖1所示的坩堝裝有一導管(20)，用來把反應劑供入電離室(2′)中，通過高速的電離氣體(25)可把添加劑更深地滲入到金屬熔池中。圖4(B)示出圖4(A)的坩堝，但是在坩堝的底部送入電離的氣體和添加劑。惰性氣體形成氣泡(30)，這些氣泡在熔池表面被與金屬熔池上部相接觸的超聲發送器(12)所破碎和分散。
圖5示出了圖4(B)的坩堝，但是與圖4(B)不同的是其中超聲發送器(12)和電離的氣體(25)的噴出口偏離中心線設置，以便使含氣泡(30)的顆粒能有向上的螺旋運動。
實例為了試驗本發明的方法，使用了未合金化的金屬鋁和鑄鐵，以及含4%Cu、1.5%Mg、0.5%Mn的鋁基合金(也稱為D16合金)。這些材料分別用作製造各種複合材料的基體金屬液材料。所使用的初始增強材料是做成粉末的5-50微米的碳化矽，1-10微米的鋁化鈦TiAl3以及10-100微米的鈦粉。
製造複合材料的試驗是在如圖1所示的實驗裝置中進行的。坩堝由石墨製成，其中裝有基體金屬液(1)，夾帶增強顆粒的電離氬氣流被噴射到基體金屬液(1)中，增強顆粒被普通的等離子管型的電離裝置(2)預熱到預定的溫度，該電離裝置(2)配裝有計量裝置(3)，以便形成預定流速的粉末流通過電離裝置。顆粒溫度Tp是可以變化的，並可通過檢測噴射固體粉粒前後的基體金屬液的純度的變化進行監控。Tp用下式計算Tp=θ· (Cm)/(Cp) · (Mm)/(Mp) (1- (Tm·(1+KN))/(θ) )式中Q-在加添加甲基後的金屬液的溫度，℃Tm-在加入添加劑前的基體金屬液的溫度，℃Cm-基體金屬的比熱，Mm-金屬的質量，KgCp-顆粒的比熱，Mp-顆粒的質量，KgKN-無因次係數，考慮在用未加入顆粒的電離氣體的氣流處理時預熱的情況下，對金屬液表面的空氣冷卻的熱影響。對於5Kg的金屬液，電離的氬氣流為0.1M/min時，KN＝0.05-0.06。
在噴射添加劑的過程中用磁性感應器(4)攪動金屬液混合物。在加入預定量的固體添加劑後，從坩堝移去塞子(5)，讓液-固混合物通過坩堝底部的孔澆入鋼製的鑄模中。使用50mm直徑的鋼模(6)，並用超聲發生器(7)來攪動金屬液-固體顆粒的混合物直到它們在鑄模中凝固為止。將得到的2.5Kg的固體鑄件進行熱擠壓。對下面一些參數進行測量來對製得的複合材料進行質量評估。
-化學和結構均勻性;
-增強顆粒的尺寸;
-複合材料的強度;
通過垂直於鑄造方向的鑄件各個橫截面中增強顆粒組分的含量變化來評價複合材料的化學不均勻性，化學不均勻性係數K由下式確定KC=Cmax-Cmin1nK=1nCK]]>式中Ck-在鑄件第K個橫截面的增強顆粒成分的含量，%(重量)。
n-所分析的橫截面的數目;
Cmax，Cmin-在鑄件橫截面中增強顆粒含量的最大值及最小值，%(重量)複合材料的結構不均勻性用增強顆粒的平均尺寸的變化來評估，並用得數Kav來表示
式中di-第i個顆粒的平均尺寸，微米dmax、dmin-所分析的顆粒的最大尺寸及其最小尺寸。
n-被分析的顆粒數目。
複合材料的強度通過測量極限拉伸強度Rm，MPQ(UTS)來評估。化學成分用精度為±0.01%的ARL72000定量儀來測定;而結構特點用放大倍數達3000倍的Me F-3A光學顯微鏡和可定量測定結構中元素的Omnimet2結構分析儀來進行測定。強度則用最大加力為100千牛頓的UTS-100拉伸試驗機來測定。所有上述設備都是普通設備。表1示出了試驗結果。
試驗數據證明採用本發明的製造金屬基複合材料的方法的No6、9、12、36、42、51、57、66、69、72的試驗中製造的複合材料試樣能確保最好的特性。
在本發明的另一實施例中，製造複合材料的摻入料是在電離的夾帶氣體環境中人工合成出的。如此製造出的由清潔的電離氣體所包圍的初生材料加到基體金屬液中，而金屬液則用例如磁性和超聲技術等方法進行物理攪動以把人工合成的材料均勻地分散在金屬基體中。摻入料是用加入基本上按化學計算量的用以製造摻入料的反應劑來進行人工合成的。例如在製造氮化鈦填料時，把20-50微米的鈦粉按下式的比例夾帶在氮氣中2Ti+N2-2TiNTi/N混合物通入電離的惰性氣體流中，並暴露在2200-3000℃溫度範圍的電離氣體中以足夠的時間，以便完成鈦和氮之間的反應形成汽相的TiN，汽相的TiN被電離被電離的惰性氣體夾帶到例如鋁等基體金屬液的表面上，金屬液受到物理攪動以使得氮化鈦均勻地分散在小的分割的體積中，在基體金屬凝固時，它們就提供了超細的增強摻入料顆粒。
其它的摻入料可以類似地合成出來，如下式3Si(粉末)+2N2-SiNTi(粉末)+3Al(粉末)-TiAl3基體金屬液的溫度保持能冷卻添加材料使得合成的添加材料不會意外地溶在基體金屬液中的溫度。
在本發明的另一實施例中，含碳的氣體，如碳氫化合物、丙烷、丁烷天然氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等在與電離惰性氣體的氣流的混合物中電離和離解。碳離解產物是單原子的碳，它作為摻入添加劑被噴射到基體金屬液中。對於含氧的氣體，被釋放的單原子氧是一種與基體金屬液例如鋁發生反應，並在金屬液中形成超細的氧化鋁Al2O3摻入料顆粒的電離氣體流。
按照列在表2中的條件和使用表2中材料的本發明的實踐，將所述的添加劑加入到所述的基體金屬液中來製造具有改善的機械性能的複合材料。
表 權利要求
1.製造複合材料的方法，包括下面的步驟把磨成粉粒的添加劑顆粒夾帶在電離的惰性氣體流中，電離惰性氣體、用電離氣體產生的熱把固體顆粒加熱到低於因熔化、升華或分解會使固體顆粒成為非固態的溫度，但是高於該熔化、升華或分解溫度的一半；把所述的電離的惰性氣體流和夾帶有加熱了的固體顆粒的流噴入到金屬液中形成細散固體顆粒與金屬液的混合物，然後在金屬液和固體顆粒的混合物中造成物理攪動使固體顆粒均勻分布在金屬液中，對金屬液持續進行物理攪動直到細散顆粒和具體金屬的混合物完全凝固為止。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於金屬液和固體顆粒開始就裝在坩堝中，所述的攪動由設置在坩堝外面的磁性裝置提供，一部分所述的金屬液和固體顆粒的混合物澆入鑄模中，並由設置在鑄模外的超聲裝置提供對混合物的攪動。
3.製造複合材料的方法，包括下面的步驟把一定比例的細粒固體和/或氣相反應劑夾帶在電離惰性氣體的氣流中以便通過反應來形成預定的成分，上述的夾帶在所述電離惰性氣體中的反應劑進行反應產生的反應產物滲入到金屬熔池中;對所述金屬熔池進行物理攪動，使所述的反應產物均勻地彌散在熔池中。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的基體金屬是選自鋁、鐵、鎂、銅、鎳、鉻、鈦中，所述的添加劑材料是選自基體金屬中的一種和其它金屬的二元或多元化合物，或者是金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。
5.一種具有均勻分布的成分的複合材料或合金，所述的複合材料或合金是通過把被電離氣體加熱了的添加劑顆粒噴射到被物理攪動的基體金屬液中並從噴射區中不斷地移出所合成的材料，然後在連續保持物理攪動的條件下進行冷卻而製成。
6.按照權利要求5所述的複合材料或合金，其特徵在於所述的基體金屬是選自鋁、鐵、鎂、銅、鎳、鉻、鈦，所述的添加劑材料是選自基體金屬中的一種和其它金屬的二元或多元化合物，或者是金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和硼化物。
7.製造複合材料的裝置，包括(Ⅰ)容納基體金屬液的坩堝;(Ⅱ)在坩堝附近設置的等離子體發生裝置，用來接收惰性氣體氣流和被夾帶的摻入料顆粒，並對上述的惰性氣體進行電離，並從而加熱所述的填料顆粒;(Ⅲ)把所述的電離了的氣體和加熱了的顆粒噴射到所述的坩堝中並滲入坩堝中的金屬液中的機構;(Ⅳ)裝在坩堝旁邊的連續攪動金屬液的機構;(Ⅴ)接收坩堝中放出的含有填料顆粒的金屬液的鑄模裝置;和(Ⅵ)裝在鑄模裝置旁邊的連續攪動金屬液的機構。
8.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的坩堝是帶蓋的，噴射電離氣體和加熱的顆粒的裝置穿過該蓋子。
9.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於攪動坩堝中的金屬液的裝置是磁性攪拌機構。
10.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於攪動鑄模內的金屬液的機構是超聲發送器。
11.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於噴射電離氣體和加熱的顆粒的機構穿過所述的坩堝的底部。
12.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的超聲發送器設置在附近坩堝的上部。
13.按照權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的超聲發送器和噴射電離氣體和加熱的顆粒機構是水平設置的，使坩堝中的金屬液產生轉動。
全文摘要
製造複合材料的方法，包括把磨成粉粒的添加劑顆粒夾帶在電離的惰性氣體流中，電離惰性氣體、用電離氣體產生的熱把固體顆粒加熱到低於由於熔化、升華或分解使固體顆粒成為非固態的溫度。然後，把所述的氣體流和所夾帶的加熱了的固體顆粒噴射到金屬液中，形成細散固體顆粒與金屬液的混合物，然後在金屬液和固體顆粒的混合物中造成物理攪動使固體顆粒均勻分布在金屬液中，這種物理攪動要持續到固體顆粒金屬液的混合物完全凝固為止。
文檔編號C22C1/10GK1062769SQ91109009
公開日1992年7月15日 申請日期1991年9月18日 優先權日1990年9月19日
發明者保瑞斯夫, 保瑞森考, 伊萬晨可, 卡路司克, 保德諾娃, 雷潑堡特, 彼羅瑟夫, 帕維羅夫, 彼羅耶夫, 武爾克夫, 赦斯泰爾夫 申請人:全蘇鋁鎂、電極工業科學研究設計院