本发明专利技术涉及一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法，将基体铝合金和SiC预制件放入坩埚内的托架上，基体铝合金加热熔化，当熔体达到设定温度后，超声工具头向熔体内辐射超声波，熔体逐渐浸渗入SiC预制件内，浸渗完成后，停止加热和超声振动，当熔体冷却到高于基体铝合金液相线温度30～50℃后，将浸渗完成的预制件在空气中冷却，得到SiC/Al复合材料。通过优化超声工具头结构，增加阻隔垫等方法，使超声振动破坏熔体表面的氧化膜，改善熔体与SiC预制件之间的浸润性，浸渗温度和浸渗时间都明显低于普通无压浸渗过程，同时抑制了有害界面反应的发生，从而提高了无压浸渗制备SiC/Al复合材料的效率和质量。
【技术实现步骤摘要】
一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置及方法
本专利技术属于金属基复合材料制备与加工
，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。
技术介绍
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。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℃，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Al4C3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。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术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。一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，该装置包括坩埚3，坩埚3外侧设有加热装置2，坩埚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由该孔插入坩埚3中，坩埚3内放置托架4，托架4为H型，托架4的托盘上设有多个小孔，坩埚3底部安装有超声工具头8，坩埚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埚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。优选地，在坩埚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。优选地，超声工具头8与坩埚3之间设有阻隔垫12。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。使用上述装置制备SiC/Al复合材料的方法，包括以下步骤：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；2)将超声工具头8固定在坩埚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放入坩埚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；3)封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入惰性气体，开启加热装置2对坩埚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；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；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℃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。其中，步骤2)中所述基体铝合金为Al-Si-Mg系合金，不排除包含其他元素。优选地，步骤3)中所述加热，升温速率为3～10℃/min。优选地，步骤4)中所述设定温度为700～900℃。优选地，步骤4)中超声工具头8的工作频率为20～30kHz。优选地，步骤4)中浸渗时间为30～90min。本专利技术的有益效果为：本专利技术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。本专利技术在坩埚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，在超声工具头与坩埚底面间安装阻隔垫，一方面起到密封作用，另一方面能够阻止超声振动向坩埚壁传递，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。附图说明图1为超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料系统示意图；图2为超声工具头及其与坩埚连接示意图；图3为实施例1得到的SiC/Al复合材料微观组织分析图。标号说明：1-热电偶；2-加热装置；3-坩埚；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。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，如图1所示，该装置包括坩埚3，坩埚3外侧设有加热装置2，坩埚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由该孔插入坩埚3中，坩埚3内放置托架4，托架4为H型，托架4的托盘上设有多个小孔，坩埚3底部安装有多个超声工具头8，超声工具头8由螺母13固定在坩埚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与坩埚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埚壁传递，从而提高超声振动向熔体内传送的效率。坩埚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埚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。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固定在坩埚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连接；之后将托架4放入坩埚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，各部分安放到位后封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入氮气，开启加热装置2对坩埚3进行加热，同时在循环循环水冷罩10内通入冷却水。坩埚3内的基体铝合金7受热逐渐熔化，熔体通过托盘上的小孔流下，与超声工具头8接触，当热电偶1显示熔体温度达到设定温度后，接通超声换能器11电源，超声工具头8向熔体内辐射超声波，超声振动的作用下，SiC预制件6与基体铝合金7的界面浸润性得到改善，超声振动与预制件6内固液界面的毛细作用相结合，促进了熔体渗入到预制件6内部。当浸渗完成后，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液相线温度30～50℃时，将托架4从坩埚3内取出，浸渗完成的预制件6在空气中冷却，最终得到所需SiC/Al复合材料。实施例1将SiC颗粒与硅溶胶混合，然后在模具内压制成一定形状尺寸的预制件6，基体铝合金7选用Al-Si-Mg合金，超声工具头8的端面为圆弧面，坩埚3底部安装好超声工具头8、阻隔垫12，并连接超声变幅杆9及超声换能器11后，将托架4放入坩埚3内，然后将基体铝合金7及SiC预制件6依次放在托架4上，且SiC预制件6放于基体铝合金7上面；封闭坩埚3，在坩埚3内插入热电偶1并通入氮气保护，开始进行加热，升温速率为5℃/min，基体铝合金7逐渐熔化，熔体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，该装置包括坩埚(3)，坩埚(3)外侧设有加热装置(2)，坩埚(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)由该孔插入坩埚(3)中，坩埚(3)内放置托架(4)，托架(4)为H型，托架(4)的托盘上设有多个小孔，坩埚(3)底部安装有超声工具头(8)，坩埚(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埚(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。
【技术特征摘要】
1.一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，该装置包括坩埚(3)，坩埚(3)外侧设有加热装置(2)，坩埚(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)由该孔插入坩埚(3)中，其特征在于，所述坩埚(3)内放置托架(4)，托架(4)为H型，托架(4)的托盘上设有多个小孔，坩埚(3)底部安装有超声工具头(8)，坩埚(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埚(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；所述超声工具头(8)的端面设计为平面或圆弧面；超声工具头(8)与坩埚(3)底部之间设有阻隔垫(12)。2.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，在坩埚(3)底部安装有1至多个超声工具头(8)。3.根据权利要求1所述的一种超声无压浸渗制备SiC/Al复合材料的装置，其特征在于，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。4.使用权利要求1-3中任一权利要求所述装置制备SiC/Al复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将SiC颗粒与粘结剂混合，然后在模具内压制成预制件(6)；2)将超声工具头(8)固定在坩埚(3)底部，之后连接超声变幅杆(9)和超声换能器(11)，然后...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨必成，聂俊辉，马自力，樊建中，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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