专利名称：内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管及制备法的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料，具体地说是一种内外层同时强化的颗粒增强铝基(即铝合金基)功能梯度复合管及制备法。
功能梯度材料是由一位日本科学家新野正之在《材料基础》1987，卷10，页31(M.NiinoFunct.Mater.，1987，vol.10，p.31)中提出的一种新型复合材料，目前关于离心铸造法制备SiC或Al2O3等密度大于基体铝合金的颗粒增强铝合金基功能梯度复合管，根据胡克雅史，瓦特博雅史在《冶金及材料汇刊A》，1996，卷27A，页4145(Y.Fukui，and Y.WatanabeMetall.Mater.Trans A.，1996，vol.27A，p4145)和刘清民，焦玉宁，杨院生，胡壮麒在《冶金及材料汇刊B》，1996，卷27B，页1025(Q.M.Liu，Y.N.Jiao，Y.S.Yang，and Z.Q.HuMetall.Mater.Trans B.，1996，vol.27B，p1025)报道，密度大于基体铝合金的颗粒只分布在复合管外层，复合管中颗粒的体积百分数从复合管的外表面至内表面是逐渐降低的，其强化部位受限，只有外层，故在应用范围上不适应于要求内外、层同时具有高强度，良好耐磨、耐蚀性和热膨胀系数低，而中间层却具有具有较好韧性和塑性的场合。
本发明的目的是提供一种满足内外层同时具有高强度，良好耐磨、耐蚀性和热膨胀系数低，而中间层却具有具有较好韧性和塑性的颗粒增强铝合金基功能梯度复合管及制备法。
本发明的技术方案是由颗粒富集层和颗粒贫集层所组成的梯度结构，其中所述颗粒贫集层分布在复合管的中间区，颗粒富集层分布在复合管的内、外层；
其制备方法是采用非真空感应炉，水平式离心铸造机，步骤如下1.在非真空感应炉中将铝合金基体和密度大于基体铝合金的颗粒，采用复合铸造法制备成浆体，温度控制在933～1003K范围，并使浆体处于半固态，即颗粒与基体铝合金已经润湿且有良好的接触界面；2.将准备好的所述浆体在非真空感应炉中加热，小功率慢速升温，加热速度为4～8K/分钟，在升温的同时对浆体进行机械搅拌，使颗粒在浆体中均匀分布，当温度上升至1073～1100K时，保持所述温度，等待浇铸；3.将浇道预热至873～1073K；4.启动离心铸造机，铸模预热至663～683K，根据管径及管壁厚度确定铸机转速；5.在带电的情况下，直接将步骤2制备好的浆体浇入铸机，制得内、外层同时强化的颗粒增强功能梯度复合管；所述基体铝合金为铸造铝合金或变形铝合金；密度大于基体铝合金的颗粒为SiC、Al2O3或ZrO2等，直径为3.5μm～100μm。
本发明具有如下优点1.力学性能好。本发明利用非真空感应炉和水平式离心铸造机，使密度大于基体铝合金(铸造铝合金或变形铝合金)的颗粒(SiC、Al2O3、ZrO2等)同时分希在铸管的内层和外层，使内、外层同时具有高强度、高硬度，良好的耐磨、耐蚀性等；而铸件中心区域是只分布有少量颗粒的颗粒贫集区，具有良好的韧性，中间层良好的韧性又能为复合管的受力提供缓冲作用，使其具有梯度性能。
2.本发明制备的内、外层同时强化颗粒增强功能梯度复合管，可用于内、外层需同时耐热、耐磨、耐腐蚀的环境下工作。
3.本发明是通过液态法制备浆体，离心铸造机成型的，所以成本低、操作简单。
图1为本发明实施例1制备的内、外层同时强化的功能梯度复合管八分之一横截面宏观相(灰色区域为颗粒富集层)。
图2为本发明实施例1制备的内、外层同时强化的功能梯度复合管四分之一纵截面宏观相(灰色区域为颗粒富集层)。
图3为本发明实施例1制备的内、外层同时强化的功能梯度复合管径向颗粒体积百分数及显微硬度曲线(复合管内表面为坐标原点)。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1其制备方法为采用非真空中频感应炉，水平式离心铸造机，步骤如下1.在非真空中频感应炉中将ZL109铸造铝合金基体和密度大于基体铝合金的直径为3.5μm的SiC颗粒，采用复合铸造法制备成浆体，温度控制在1003K，并使浆体处于半固态，即颗粒与基体铝合金已经润湿，且有良好的接触界面；2.将复合铸造法制备的且处于半固态的浆体(由直径为3.5μm的SiC颗粒和半固态ZL109合金组成)在非真空感应炉中加热，小功率慢速升温(升温速度约6K/分钟)，在升温的同时对浆体进行机械搅拌，使颗粒在浆体中均匀分布，当温度上升至1093K时等待浇铸；3.将浇道预热至1073K；4.启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟；铸模预热至673K；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机，制得内、外层同时强化的密度大于基体铝合金的SiC颗粒增强功能梯度复合管，它是由颗粒富集层和颗粒贫集层所组成的梯度结构，其中所述颗粒贫集层分布在中间区，颗粒富集层分布在内外表面，管壁厚约16mm，外径80mm，长度94mm。
如图1～2所示，沿轴向截取约四分之一的复合管管壁后，沿径向和轴向分别对截取的试样进行机械抛光并照宏观相；灰色区域为颗粒富集层，分别分布在复合管的内、外表面，厚度都为3～4mm；中间白色区域为颗粒贫集层。如图3所示，采用计算机图象分析法，对颗粒增强内、外层同时强化的铝合金基功能梯度复合管沿径向的颗粒体积百分数进行了测量(图3下)；其结果表明颗粒体积百分数沿复合管径向从外表面至内表面是呈凹形分布，也就是说在靠近复合管的内表面和外表面处各有一层颗粒富集层，而复合管中间区域为颗粒贫集层，其显微硬度(图3上)与颗粒体积百分数的分布有相似的变化趋势。
实施例2与实施例1不同之处在于1.在非真空中频感应炉中将LY12变形铝合金基体和密度大于基体铝合金的直径为35μm的Al2O3颗粒，采用复合铸造法制备成浆体，温度控制在933K，并使浆体处于半固态，即颗粒与基体铝合金已经润湿，且有良好的接触界面；2.将复合铸造法制备的且处于半固态的浆体(由直径为35μm的Al2O3颗粒和半固态ZL109合金组成)在非真空感应炉中加热，小功率慢速升温(升温速度约4K/分钟)，在升温的同时对浆体进行机械搅拌，使颗粒在浆体中均匀分布，当温度上升至1080K时等待浇铸；3.将浇道预热至873K；4.启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟；铸模预热至683K；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机，制得内、外层同时强化的密度大于基体铝合金的Al2O3颗粒增强功能梯度复合管，管壁厚约16mm，外径80mm，长度94mm。
实施例3
与实施例1不同之处在于1.在非真空中频感应炉中将ZL109铸造铝合金基体和密度大于基体铝合金的直径为100μm的ZrO2颗粒，采用复合铸造法制备成浆体，温度控制在963K，并使浆体处于半固态，即颗粒与基体铝合金已经润湿，且有良好的接触界面；2.将复合铸造法制备的且处于半固态的浆体(由直径为100μm的ZrO2颗粒和熔融态ZL109合金组成)在非真空感应炉中加热，小功率慢速升温(升温速度约8K/分钟)，在升温的同时对浆体进行机械搅拌，使颗粒在浆体中均匀分布，当温度上升至1073K时等待浇铸；3.将浇道预热至973K；4.启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟；铸模预热至663K；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机，制得内、外层同时强化的密度大于基体铝合金的ZrO2颗粒增强功能梯度复合管，管壁厚约16mm，外径80mm，长度94mm。
权利要求
1.一种内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管，其特征在于是由颗粒富集层和颗粒贫集层所组成的梯度结构，其中所述颗粒贫集层分布在中间区，颗粒富集层分布在内外表面。
2.一种按照权利要求1所述内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管的制备法，其特征在于是采用非真空感应炉，水平式离心铸造机，步骤如下1)在非真空感应炉中将铝合金基体和密度大于基体铝合金的颗粒，采用复合铸造法制备成浆体，温度控制在933～1003K范围，并使浆体处于半固态，即颗粒与基体铝合金已经润湿且有良好的接触界面；2)将准备好的所述浆体在非真空感应炉中加热，小功率慢速升温，加热速度为4～8K/分钟，在升温的同时对浆体进行机械搅拌，使颗粒在浆体中均匀分布，当温度上升至1073～1100K时，保持所述温度，等待浇铸；3)将浇道预热至873～1073K；4)启动离心铸造机，铸模预热至663～683K，根据管径及管壁厚度确定铸机转速；5)在带电的情况下，直接将步骤2制备好的浆体浇入铸机，制得内、外层同时强化的密度大于基体铝合金的颗粒增强功能梯度复合管。
3.按照权利要求2所述内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管的制备法，其特征在于所述基体铝合金为铸造铝合金或变形铝合金。
4.按照权利要求2所述内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管的制备法，其特征在于所述密度大于基体铝合金的颗粒为SiC、Al2O3或ZrO2，直径为3.5μm～100μm。
全文摘要
本发明涉及复合材料,具体地说是一种内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管。是由颗粒富集层和颗粒贫集层所组成的梯度结构,其中:所述颗粒贫集层分布在复合管的中间区,颗粒富集层分布在复合管的内外层;制备法:采用复合铸造法制备浆体,通过控制感应炉的供电功率和搅拌方式,使颗粒在铝合金中均匀分布,提高浇铸温度(1073～1100K)直接浇铸,利用水平式离心铸造机成型。它能在满足内外表面强度的同时,具有良好韧性和梯度性能。
文档编号B22D25/00GK1381323SQ01113849
公开日2002年11月27日 申请日期2001年4月13日 优先权日2001年4月13日
发明者秦孝华, 韩维新, 范存淦, 戎利建, 李依依 申请人:中国科学院金属研究所