一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法
【技术领域】
[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。
【背景技术】
[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。
【发明内容】
[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。
【附图说明】
[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。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】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