一种利用超声重熔稀释预制块强制分散纳米粒子强化铝合金的方法，属于有色金属材料制备技术领域。现有方法无法克服纳米颗粒的团聚效应。本发明专利技术包括以下步骤：1、将铝合金材料熔炼，熔液温度冷却到高于液相线30~40℃时将Al2O3等粒子加入到熔液中，经多次高能超声处理至熔液处于液相线下20~40℃，浇铸成预制块；2、将预制块切割成小块，投入铝或铝合金熔液中，将合金探头浸入熔液中进行多次超声处理至熔液温度处于液相线下20~40℃；3、采用低压等铸造技术将熔液浇铸入模具内，在凝固过程中在模具外继续施加超声波至熔液完全冷却，脱模后经热处理得到复合材料。本发明专利技术解决了纳米粒子与金属液的润湿性?均匀性问题。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，属于有色金属材料制备
。现有方法无法克服纳米颗粒的团聚效应。本专利技术包括以下步骤：1、将铝合金材料熔炼，熔液温度冷却到高于液相线30~40℃时将Al2O3等粒子加入到熔液中，经多次高能超声处理至熔液处于液相线下20~40℃，浇铸成预制块；2、将预制块切割成小块，投入铝或铝合金熔液中，将合金探头浸入熔液中进行多次超声处理至熔液温度处于液相线下20~40℃；3、采用低压等铸造技术将熔液浇铸入模具内，在凝固过程中在模具外继续施加超声波至熔液完全冷却，脱模后经热处理得到复合材料。本专利技术解决了纳米粒子与金属液的润湿性?均匀性问题。【专利说明】
本专利技术属于有色金属材料制备
，具体涉及。
技术介绍
在当今大力提倡节能降耗、交通运输设备轻量化等方面的要求下，航天、航空、军事、交通等领域都需要大量的高强度铝合金材料。而纳米/亚微米颗粒强化铝合金复合材料比非强化的合金材料具有更优异的比强度、比刚度、延伸率、耐疲劳和耐磨性，在飞机、高铁、汽车等零部件制造行业应用越来越广泛。目前制备颗粒强化金属复合材料的方法主要有高能球磨法、粉末冶金法、搅拌铸造法、半固态搅拌法等，但这些方法只能解决较大尺寸(10飞00 μ m)的颗粒在金属基体中的分散，对纳米粒子(10-500 nm)的分散作用非常有限。这是因为纳米粒子具有很高的比表面积和表面能，颗粒之间很容易团聚。若作为强化相的纳米粒子是以团聚体的形式，而不是以独立均匀分散的形式进入金属熔液中，则会恶化复合材料的性能，因此将纳米粒子在金属熔液中均匀分散开是制备纳米/亚微米粒子强化铝合金复合材料的关键。超声法制备纳米/亚微米粒子强化金属基复合材料是近年来出现的新方法，可应用于纳米/亚微米粒子与金属液的复合过程。这是因为超声波在金属液中传播时，金属液受到周期性交变声场的作用，产生空化效应和声流效应，空化效应产生的局部高温能降低金属液的粘度和表面能，显著促进纳米粒子与金属液间的润湿，迫使其在金属液中均匀分散。同时超声波还对熔融金属液进行了处理，促进金属液中的气体去除，有利于夹杂物的凝聚和消除，提高合金化学成分的均匀性，防止了偏析。专利201210008824公开了一种采用超声分散制备弥散强化铜的方法，与本申请所采用的超声分散纳米粒子强化铝合金的金属液明显不同。在国内，清华大学、中科院金属所、东北大学、上海交大、中南大学等采用超声搅拌法制备铝基复合材料。这些方法是在金属熔化后，施加超声振动，同时加入陶瓷粒子(通常为亚微米的Al2O3和SiC等)，待均匀混合后浇铸成形。该方法在一定程度上解决粒子与金属液的润湿性，但是粒子很容易漂浮在金属液体的表面，只有很少一部分能进入金属液中。实际上，采用这类方法，当粒子的粒径为亚微米时已经出现明显团聚，利用超声就已经难以分散，当粒径小于500 nm时团聚体几乎无法分散。为了提高纳米粒子的分散性，需要对金属液长时间施加功率密度很大的超声波。采用合金钢制造的超声变幅杆探头在超声引发的高温腐蚀与空化腐蚀作用下，易熔入金属液而污染基体合金。 在合金铸造过程中外加超声波可以产生明显的晶粒细化，还不会造成合金污染。这是因为超声在金属液中的空化效应引发的次级效应对周围金属液产生巨大作用，金属液中的初生晶被打碎，异质结晶核数目增多，结晶核与固相间的润湿角减小，在声流的带动下，这些形核微粒散播到金属液的各个区域，使金属液中等轴晶的形核几率大大提高，从而使合金的显微结构明显细化，大幅度提高合金的性能。专利技术专利内容 本专利技术的目的就是克服传统超声波无法解决纳米粒子在金属液中均匀分散的难题，提供一种可以解决纳米粒子与金属液的润湿性、均匀性问题，使铝合金显微结构得到明显细化，制备出高强度铝合金复合材料的超声重熔稀释预制块的方法。为此，本专利技术提供以下技术方案:本专利技术是利用高能超声制备纳米粒子占复合材料质量百分比为IOwt.9T20wt.%的预制块，将预制块切割成小块依次投入金属液中，利用高能超声泡崩溃时产生的局部高温和强烈冲击波促进预制块的熔化和分散，在声流效应的作用下，纳米粒子在金属液中均匀弥散；超声分散时选用铌(Nb)合金，或者镍(Ni)含量高的钛(Ti)合金探头，避免了探头污染，在一定程度上解决了超声振动波的衰减明显，不易到达金属液较深或较远区域的问题；在凝固过程中继续采用超声波，不仅改善了复合材料的显微结构和成分的宏/细观均匀性，还降低了直径大于600 _铸锭的开裂、疏松和缩孔等问题，实现了纳米粒子与金属界面的牢固结合；经过稀释后的复合材料性能优异，纳米粒子占复合材料质量百分比为0.lwt.9T3wt.%，将其加热熔化成金属液后，即使不加超声处理，纳米粒子仍然均匀分散于金属液中，凝固时粒子的弥散性很强，不会发生二次团聚，即重熔弥散性优异，铸造和锻造性能得到大幅度提高，可用于制备高强度的高铁铝合金制动盘、重型车的轮辋等大型铝合金结构件。 为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现: 以利用超声分散纳米Al2O3粒子强化牌号为ZLlll铝合金`为例来说明: 步骤一:选择平均粒径为30 nm的球形Al2O3粒子作为强化体，这是因为纳米Al2O3粒子与铝合金熔液有较好的润湿性； 步骤二:将上述纳米Al2O3粒子按`占复合材料重量百分比IOwt.%，投入到温度为70(T750°C的ZLlll铝合金熔液中，停止加温，让铝合金熔液在炉内缓冷； 步骤三:当铝合金熔液温度冷却到高于其液相线温度3(T40 °C时，开始机械搅拌3-10min，然后将探头插入铝合金熔液中部首次持续施加超声波振动，超声波发生器输出功率160±5 W，输出频率30±3 kHz，时间5-10 min，铝合金熔液的温度675-690 V ； 步骤四:第二次超声振动，超声波发生器输出功率为130±5 W，输出频率25±2 kHz，时间5-10 min，铝合金熔液的温度64(T660°C ； 步骤五:第三次超声振动，超声波发生器输出功率为75±5W，输出频率为19±1 kHz，时间5-10 min，铝合金熔液的温度615飞35 °C，处于液相线下2(T40 °C，此时铝合金熔液呈半固态； 步骤六:将上述铝合金熔液浇铸入模具，冷却后得到A1203/ZL111复合材料的预制块，Al2O3占复合材料重量百分比10 wt.%，将这预制块切割成小块，每块质量大约1(T50 g；步骤七:将ZLlll铝合金加热熔化后，降低铝合金熔液的温度到液相线下20-40 V,成为半固态，然后不断地把体积较小的预制块体置入铝金属液中溶解，将探头插入铝合金熔液中部持续施加超声波振动，预制块稀释后使得Al2O3粒子占复合材料的质量百分比Iwt.%，尽量减少超声分散的时间，选择5-10 min，增大超声能量，功率选择50±5 kHz，增加探头数量，选择3个，可变换探头的位置，让纳米Al2O3在最短时间在铝合金熔液内分散均匀；步骤八:将上述铝合金熔液利用低压铸造方法浇铸入模具中，在凝固过程中在模具周围继续采用超声波振动，直到熔液完全冷却，超声波发生器输出功率为120±5 W，输出频率为 23±5 kHz ο本专利技术的进一步技术方案是: 在上述步骤二中，在铝金属液未超声处理前进行变质处理，例本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用超声重熔稀释预制块强制分散纳米粒子强化铝合金的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：步骤一：将铝或铝合金置于坩埚中熔炼，熔液温度冷却到高于液相线30~40?℃时将粒径为10~30?nm的粒子按照粒子占复合材料质量百分比10wt.%~20wt.%加入到熔液中，经多次高能超声处理至熔液处于液相线下20~40℃，浇铸成预制块；步骤二：将预制块切割成小块，按照粒子质量为铝合金总和的0.5~3?wt.%投入铝或铝合金熔液中，将合金探头浸入熔液中进行多次超声处理至熔液温度处于液相线下20~40℃；步骤三：采用常压、低压、重力、负压或差压铸造技术将上述熔液浇铸入模具内，在凝固过程中在模具外继续施加超声波至熔液完全冷却，脱模后经热处理得到复合材料?根据权利要求1所述的一种利用超声重熔稀释预制块强制分散纳米粒子强化铝合金的方法，其特征在于：所述的铝合金熔液内分散有作为强化体的Al2O3、TiC、SiC、TiCN、石墨烯、纳米碳管或纳米碳粉纳米粒子中的一种或多种。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：房明，喻亮，葛锦明，张显南，俞晓祥，
申请(专利权)人：浙江天乐新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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