專利名稱：納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米金屬復(fù)合材料及其制備方 法，特別是一種納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，極大的促進(jìn)了新材料的技術(shù)進(jìn)步，隨著新的材料制備技術(shù) 的不斷涌現(xiàn)，新材料不斷崛起，各種非金屬材料(高分子材料、陶瓷材料等)的發(fā)展達(dá)到了 前所未有的速度。工程塑料的問世，提出了 “向鋼鐵挑戰(zhàn)”的口號，近年來美國的塑鋼比已 達(dá)到了 25%以上；陶瓷材料在近二、三十年來發(fā)展也非常迅速，新品種層次不窮，特種陶瓷 在許多方面突破了傳統(tǒng)陶瓷的概念和范疇，出現(xiàn)了陶瓷發(fā)展史上的一次革命性變化，有人 甚至提出，人類即將踏入第二個(gè)石器時(shí)代。各種材料迅速發(fā)展的態(tài)勢，使得金屬材料的主體 地位受到了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，非金屬材料在材料總量中的比重正逐步提高。因此從總體上看， 金屬作為主體材料在20世紀(jì)已達(dá)到了頂峰，21世紀(jì)將會是金屬材料、高分子材料、陶瓷材 料及復(fù)合材料并駕齊驅(qū)的時(shí)代。時(shí)至今日，在各種材料不斷涌現(xiàn)的今天，金屬材料依然是主體，鋼鐵在金屬材料中 仍然占主導(dǎo)地位。目前，我國鋼產(chǎn)量已超過5億噸，除少數(shù)鋼種外，已基本滿足了我國經(jīng)濟(jì) 建設(shè)的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，為了達(dá)到上述鋼的生產(chǎn)規(guī)模，幾十年來，國家已先后投入約7000多億 人民幣。鋼鐵生產(chǎn)工程之浩大，設(shè)備之笨重，能源消耗之驚人，環(huán)境污染之嚴(yán)重是人所共知 的。專家預(yù)測，按現(xiàn)在鋼的性能、質(zhì)量，為了滿足我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，鋼產(chǎn)量每年應(yīng)以 5%以上的速度遞增?？上攵?如果只從鋼的量上作文章，目前我國鋼鐵生產(chǎn)的整個(gè)系 統(tǒng)，從礦山一冶煉一加工，從投入一能源一消耗一環(huán)境污染，全得翻番，這樣的前景是不堪 設(shè)想的。面對上述形勢，冶金工作者正在探索一條新的途徑，即在保持現(xiàn)有鋼產(chǎn)量規(guī)模基 本不變的條件下，努力使鋼的性能提高一倍。如果一噸鋼能當(dāng)兩噸用，在保持現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模 大體不變的情況下，鋼材的供需矛盾就能得到解決了。近幾年，冶金工作者正在從提高鋼的純凈度，細(xì)化鋼的基體組織以及徽合金化等 方面來提高鋼的性能、質(zhì)量，這是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的措施之一。但是提高鋼的純凈度也是一個(gè) 系統(tǒng)工程。純凈度與廢鋼和鐵水質(zhì)量，耐火材料質(zhì)量，冶煉工藝和冶煉技術(shù)水平等諸多因素 有關(guān)。因此提高鋼的純凈度不僅是一項(xiàng)難度很大的工程，而且也將付出很高的代價(jià)。為提高金屬材料的強(qiáng)度和性能，減少鋼材用量，20世紀(jì)90年代后期，日本、韓國、 中國相繼提出超細(xì)晶粒鋼開發(fā)計(jì)劃，將晶粒細(xì)化的作用提高到更加顯著的地位。日本官方 支持的國立研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)研究，探討晶粒細(xì)化的極限；而很多企業(yè)則利 用晶粒細(xì)化的思想，進(jìn)行不同等級、滿足不同性能要求的具體材料的開發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出了工 業(yè)規(guī)模不同性能和用途的細(xì)晶粒鋼等。韓國以POSCO為代表，進(jìn)行了高強(qiáng)度、耐腐蝕、可焊 接的新一代鋼鐵材料的開發(fā)，并已經(jīng)探索出工業(yè)應(yīng)用的途徑。與此同時(shí)，歐洲也進(jìn)行了相應(yīng) 的應(yīng)用研究。1999年，歐洲煤鋼聯(lián)盟(ECSC)確立了一項(xiàng)為期1年的超細(xì)晶鋼可行性研究項(xiàng)目，隨后在2001年又啟動了名為“利用創(chuàng)新變形過程制造超細(xì)晶粒鋼”的研究項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng) 目的目的是研究鋼材的變形過程，在工業(yè)規(guī)模上制造具有優(yōu)良力學(xué)和使用性能、在后續(xù)加 工中具有良好響應(yīng)的新一代鋼鐵材料。該項(xiàng)目包括四個(gè)工作單元，分別涉及表面超細(xì)晶、低 碳超細(xì)晶、中碳超細(xì)晶、高碳超細(xì)晶等幾種重要的鋼鐵材料。該項(xiàng)目目前已取得重大進(jìn)展。 我國于1998年底啟動了國家重大基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”， 在“努力實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料均質(zhì)化、純凈化、細(xì)晶化”的思想指導(dǎo)下，400、800、1500Mpa級超級鋼 等項(xiàng)研究取得了重大進(jìn)展，并率先在世界上進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，引起國際上的重視， 標(biāo)志著我國鋼鐵材料研究已進(jìn)入了一個(gè)新的階段。但目前國內(nèi)外所開發(fā)的超細(xì)晶粒鋼主要采用大壓下量軋制變形、高的應(yīng)變速率、 低的變形溫度、快速熱循環(huán)、復(fù)雜的工藝組合以及對工藝過程的精確控制等。這些要求多少 超出了鋼廠現(xiàn)有設(shè)備能力和生產(chǎn)能力，并使生產(chǎn)成本顯著增加，從而成為限制超細(xì)晶粒鋼 工業(yè)化生產(chǎn)的主要問題之一，此外，超細(xì)晶粒鋼還存在組織穩(wěn)定性和塑性穩(wěn)定性兩個(gè)棘手 的問題，因而現(xiàn)階段絕大部分納米及亞微米鋼還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。另外，目前國內(nèi)外所制 造的超細(xì)晶粒鋼材料僅適用于低溫下普通用途的板材、線材及管材等，對于工具和模具行 業(yè)，金屬耐磨材料行業(yè)尚不適用，其應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求。特別是對使用量 大、應(yīng)用范圍廣的鋼鐵材料，人們希望利用最少的資源，最低的成本，生產(chǎn)制造出具有各項(xiàng) 綜合性能非常優(yōu)異的先進(jìn)鋼鐵材料，以滿足生產(chǎn)發(fā)展和科技進(jìn)步對新材料的特別需求。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數(shù)以及 低成本而在精密和光學(xué)儀器中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于以往的研究中使用的增強(qiáng)顆粒存在 尺寸偏大的問題(往往都在幾個(gè)微米甚至于幾十個(gè)微米以上)，給增強(qiáng)的幅度帶來一定的 局限性。納米材料是納米科學(xué)中的一個(gè)重要的研究發(fā)展方向。近年來，隨著納米科學(xué)的興 起，納米材料已在許多科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的重視，成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。所謂納米材 料是由納米量級的納米粒子組成的固體材料，納米粒子的大小一般不超過lOOnm，當(dāng)粒子尺 徑進(jìn)入納米量級1 IOOnm時(shí)，由于納米粒子的表面原子與體積總原子數(shù)之比隨粒徑尺寸 的減小而急劇增大，使其顯示出4個(gè)基本效應(yīng)強(qiáng)烈的量子尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、體 積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。這些特性使納米材料呈現(xiàn)出許多奇特的性質(zhì)而具有某些優(yōu) 異的性能，如高熱膨脹系數(shù)、高比熱容、低熔點(diǎn)、奇特的磁性、極強(qiáng)的吸波性能等。納米微粒 尺寸很小，納米粒子的表面原子數(shù)與其總原子數(shù)之比隨粒徑尺寸的減小而急劇增大，所以 納米材料有高密度缺陷、高的過剩能、大的比表面積和界面過剩體積。納米材料也因此具有 許多特殊的性能，如高的彈性模量、較強(qiáng)的韌性、高強(qiáng)度、超強(qiáng)的耐磨性、自潤滑性和超塑性 等。由于納米材料的特異性能，因而具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。金屬基納米復(fù)合材料(Metal matrix nanocom-posites，MMNCs)是以金屬及合金 為基體，與一種或幾種金屬或非金屬納米級增強(qiáng)相相結(jié)合的復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng)金屬基一 納米復(fù)合材料，就是將納米顆粒溶合到金屬基體中，使納米粒子與金屬基體緊密結(jié)合，使之 具有長期的穩(wěn)定性。而且復(fù)合之后，在光學(xué)、機(jī)械性能等方面也可顯示出更大的優(yōu)勢。把納 米材料與金屬基體進(jìn)行有機(jī)的復(fù)合，利用納米材料與基體的相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)，還可以 實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，開發(fā)性能優(yōu)異的新功能材料。實(shí)驗(yàn)表明在鋼中加入非金屬納米粉，能大量增加鋼液中外來的異質(zhì)核心，使鋼中的夾雜物彌散化，減少或消除夾雜物的有害作 用，這樣就可以降低對鋼純凈度的要求。鋼中加入非金屬納米粉還有可能細(xì)化鋼的基體組 織，大量異質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的存在，在鋼中能起彌散強(qiáng)化的作用。因此，在鋼中加入非金屬納米粉能 大大提高鋼的性能，改善鋼的質(zhì)量。具有力學(xué)性能好、剪切強(qiáng)度高、工作溫度較高、耐磨損、 導(dǎo)電導(dǎo)熱好、不吸濕、不吸氣、尺寸穩(wěn)定、不老化等優(yōu)點(diǎn)，故以其優(yōu)異的性能應(yīng)用于自動化、 航天、航空和汽車工業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域。由于金屬基納米復(fù)合材料所具有的上述各項(xiàng)優(yōu)良性能和所具有的廣泛的市場前 景，世界各國均在對其進(jìn)行大力開發(fā)和研究，并開發(fā)出了各種制備工藝。目前，國內(nèi)外所開 發(fā)的制備金屬基納米復(fù)合材料的方法主要有機(jī)械合金化法(Mechanical alloying, ΜΑ), 熔融紡絲(Meltspun，MS)法、粉末冶金法(Powder metallurgy, PM)、機(jī)械誘發(fā)自蔓延高 溫合成(Self-propagatinghigh-temperature synthesis, SHS)反應(yīng)法、真空蒸發(fā)惰性氣 體凝聚及真空原位力口壓法(Inert gas con-densation method combined with vacuum co-evaporation andin-situ compaction, ICVCSC)等，但上述幾種制備方法均存在以下的 缺點(diǎn)1)機(jī)械合金化法工藝簡單、增強(qiáng)體分布均勻、增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)范圍較大、制品質(zhì) 量較好、產(chǎn)量高、能制備高熔點(diǎn)的金屬和合金納米材料。缺點(diǎn)是在制備過程中易引入雜質(zhì)、 晶粒尺寸不均勻、球磨及氧化會帶來污染。2)熔融紡絲法工藝簡單、設(shè)備投資少、生產(chǎn)成本較低。缺點(diǎn)是增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù) 有限(一般不超過20% )、有界面反應(yīng)的可能性、增強(qiáng)體分布難達(dá)到均勻化、有氣孔，需二次 加工。3)粉末冶金法基本上不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)可較高，增強(qiáng) 體分布均勻。缺點(diǎn)是工藝程序多、制備周期長、成本高、降低成本的可能性小。4)真空蒸發(fā)惰性氣體凝聚及真空原位加壓法適用范圍廣、增強(qiáng)體分布均勻、制 品質(zhì)量好。缺點(diǎn)是工藝設(shè)備昂貴、產(chǎn)量極低、制造大型零部件有困難，如冷卻工序安排不妥 善，可產(chǎn)生明顯的界面反應(yīng)，制備周期較長。5)機(jī)械誘發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)法過程簡單、不需要復(fù)雜的設(shè)備、產(chǎn)品純度高、 能獲得復(fù)雜的相和亞穩(wěn)定相。缺點(diǎn)是不易獲得高的產(chǎn)品密度、不能嚴(yán)格控制反應(yīng)過程和產(chǎn) 品性能。6)原位反應(yīng)復(fù)合法成本較低、增強(qiáng)體分布均勻、基本上無界面反應(yīng)、可以使用傳 統(tǒng)的金屬熔融鑄造設(shè)備，工藝周期較短。缺點(diǎn)是工藝過程要求嚴(yán)格，較難掌握，增強(qiáng)相的成 分和體積分?jǐn)?shù)不易控制。7)非晶合金晶化法成本低、產(chǎn)量大、界面清潔致密、樣品中無微孔隙、晶粒度變 化易控制。缺點(diǎn)是只適用于非晶形成能力較強(qiáng)的合金系。上述各種制備工藝它們各具特色，適用范圍不盡相同，所制備出的各種金屬基納 米復(fù)合材料在性能上與傳統(tǒng)材料相比均有大幅度的提高，在發(fā)展傳統(tǒng)復(fù)合材料與開發(fā)新型 復(fù)合材料方面起著巨大的推動作用。但這些制備技術(shù)均存在自身局限性，其中大多數(shù)由于 設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜且難以控制而仍集中于實(shí)驗(yàn)室研究階段。為實(shí)現(xiàn)納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制造，國內(nèi)外均開展了大量的研究開發(fā)工作，不 斷的研究出了新的制備工藝，在制造有色金屬納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料工藝上，中國發(fā)明專利ZL200510011568. 4公開了一種納米顆粒增強(qiáng)高強(qiáng)韌鑄造鎂合金及其制備成型工藝，該 工藝所制造的鎂合金基體組分及重量百分比含量為5.0 10.0% Al，0. 1 1.0% Zn， 0. 05 0. 5% Mn,限制元素 Si 彡 0. 05%, Fe 彡 0. 005%, Cu ^ 0. 01%, Ni ^ 0. 002%，其 余為鎂。使用的顆粒為SiC納米顆粒，粒徑小于lOOnm，添加量為合金體積含量的0. 1 3.0%。SiC納米顆粒添加前要進(jìn)行預(yù)處理，其預(yù)處理工藝為1、在容器中導(dǎo)入適量分析純乙醇，將一定量的干燥SiC納米顆粒放入容器中，攪 拌，充分潤濕，SiC納米顆粒與乙醇的比例為lg/10ml lg/3ml ；2、將占上述混合物體積1/50 1/10的聚乙烯醇溶液加入到SiC納米顆粒與乙醇 的混合物中，充分?jǐn)嚢?，混合均勻?、將含有SiC納米顆粒的上述混合物置于烘箱中干燥，烘烤溫度為80 95°C。納米顆粒增強(qiáng)鑄造鎂合金的制備成型工藝為1、將鎂合金材料加入到刷過涂料的干燥坩堝中，為防止熔煉過程中鎂合金氧化燃 燒，使用溶劑或高純氬氣加以保護(hù)，溶化后溶液溫度保持在680 720V ；2、控制鎂合金溶液溫度至650 700°C (高于鎂合金液相線60 80°C )或5850 610°C (低于鎂合金液相線50 30°C )，去除表面浮渣，將占鎂合金體積0. 1 3. 0的通過 液處理工藝的SiC納米顆粒加入合金液中，壓入液面下攪拌，攪拌時(shí)間3 10分鐘，攪拌器 轉(zhuǎn)速10000 2000轉(zhuǎn)/分鐘；3、精煉除氣后，控制澆注溫度為650 700°C去除出表面浮渣，通過重力模鑄或壓 鑄得到納米顆粒增強(qiáng)的高強(qiáng)韌鑄造鎂合金鑄件。該工藝在傳統(tǒng)鑄造鎂合金的基礎(chǔ)上，通過 加入納米強(qiáng)化顆粒，提高鑄造鎂合金的強(qiáng)韌性；通過對納米顆粒進(jìn)行預(yù)處理，增加顆粒與鎂 合金的潤濕性；通過控制適當(dāng)?shù)逆V合金液溫度和機(jī)械攪拌工藝，使納米顆粒在鎂合金液中 分布均勻。但由于該工藝所使用的SiC納米顆粒在800°C就可以發(fā)生分解，并且隨著溫度的 升高，分解變得更加劇烈，而且SiC納米顆粒直接加入合金中，無法解決納米顆粒的團(tuán)聚， 增強(qiáng)顆粒量少，使用機(jī)械攪拌，因此該工藝僅適用于有色金屬，而不適用與高溫金屬。中國 發(fā)明專利ZL200510127307. 9公開了一種納米碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法， 該方法是采用納米碳化硅顆粒和鋁粉作為原料制成；其中納米碳化硅顆粒的體積占原料體 積的0. 5 20%，鋁粉的體積占原料體積的80 99. 5%。其制備方法為1、將原料混合投 入密封球磨罐后抽真空再充入氬氣反復(fù)進(jìn)行2 10次；2、高能球磨；3、熱壓燒結(jié)；4、熱擠 壓，即得到納米碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明制備工藝簡單，成本低，納米碳化硅 顆粒在鋁基體內(nèi)分布均勻，制粉率高，而且，復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著提高。它解決了傳 統(tǒng)制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法中納米級增強(qiáng)顆粒不能均勻分布于鋁基體內(nèi)，制備工 藝繁雜，成本高的問題。但由于該工藝采用鋁粉作原料，并采用粉末冶金工藝熱壓燒結(jié)后再 熱擠壓，因?yàn)楣に噺?fù)雜，成本高，設(shè)備投資大，技術(shù)難度大，同樣僅適用于低溫金屬。為實(shí)現(xiàn)納米合金鋼的生產(chǎn)，使其在模具材料和耐磨材料領(lǐng)域上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，近年來， 國內(nèi)外開展了大量的研究，開發(fā)出了一些新型制備工藝。中國發(fā)明專利ZL200610046063. 6 公開了一種高強(qiáng)耐磨耐高溫納米合金鋼材料及其制作方法，該發(fā)明為依據(jù)冶煉方法制取納 米合金鋼。該材料的化學(xué)成分(按重量百分比)為鎢(W)O. 06 6.0%，錳(Mn)O. 6 3. 0%，釩(V)O. 06 6. 0%，鈮(Nb)0. 22 4. 0%，鉬(Mo)0. 0 7. 0，碳(C)O. 5 4. 0，鉻 (Cr) 1.0 8.0，其他元素0. 1 3.0，其余為鐵(Fe)。所用的主體設(shè)備為真空感應(yīng)爐。工藝流程主要包括原料準(zhǔn)備、入爐冶煉、鑄造成型等三道工序。原料采用生鐵或普碳鋼，合金采 用上述所配比成分元素的鐵合金。生產(chǎn)工藝為將上述各種原料在真空感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行真空冶 煉，當(dāng)溫度達(dá)到1620 1750°C，入爐原料全部熔化且成分均勻之后，冶煉出鋼，鑄錠成型。 所生產(chǎn)的鋼錠經(jīng)檢驗(yàn)80%晶粒度小于50nm。該工藝具有生產(chǎn)工藝簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。但 該工藝僅是利用目前國內(nèi)外所廣泛應(yīng)用的微合金細(xì)化晶粒，通過合金元素抑制鋼的晶粒長 大原理進(jìn)行制備的，尤其是利用鈮(Nb)在金屬結(jié)晶過程中所具有的能夠抑制再結(jié)晶，提高 材料的再結(jié)晶溫度的性能進(jìn)行制造的，所制造的鋼錠仍然屬于細(xì)晶粒鋼范圍，不能夠稱其 為納米合金鋼。且該工藝是通過高純凈度金屬液和微合金化相結(jié)合的方式，在鋼內(nèi)部形成 一定的形核粒子，由于這些粒子幾乎在固相線以下奧氏體中析出，所以對奧氏體本身的形 核起不到形核核心作用，即對細(xì)化鑄態(tài)晶粒沒有作用，只能對后期熱加工過程中的晶粒長 大起釘扎阻礙作用，因而存在對鋼液的純凈度要求高，所生產(chǎn)的合金鋼的質(zhì)量穩(wěn)定性差，缺 乏第二相粒子對晶粒的釘扎，質(zhì)量難以保證，工藝可控性差，生產(chǎn)過程控制要求較高，控制 難度大等缺陷。
0030]目前，世界各國所發(fā)展的納米復(fù)合材料多局限于聚合物材料中，而采用納米粉體 改性整體金屬材料方面所做的工藝卻比較少，這是因而對于金屬材料基體而言，尚無特別 好的分散方法對團(tuán)聚狀態(tài)的納米粉體進(jìn)行分散。金屬基納米復(fù)合材料的制備比聚合物基納 米復(fù)合材料要復(fù)雜和困難得多，其主要難點(diǎn)在于(1)巨大的表面所產(chǎn)生的表面能使具有 納米尺寸的物體之間存在極強(qiáng)的團(tuán)聚作用而使顆粒尺寸變大。如何能將這些納米單元體分 散在金屬基體中構(gòu)成復(fù)合材料，使之不團(tuán)聚而保持納米尺寸的單個(gè)體以充分發(fā)揮其納米效 應(yīng)是合成金屬基納米復(fù)合材料必須解決的首要問題。然而迄今為止尚無十分有效的分散方 法對團(tuán)聚狀態(tài)的納米粉體在金屬基體中進(jìn)行分散；(2)為保證與納米增強(qiáng)相能進(jìn)行良好的 復(fù)合，基體金屬必須具有足夠的流動性、成型性。但基體金屬一般均具有較高的熔點(diǎn)，因此， 金屬基納米復(fù)合材料在高溫制備時(shí)勢必會發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)、氧化等有害的化學(xué)反應(yīng)。 如何嚴(yán)格控制界面反應(yīng)是制備高性能金屬基納米復(fù)合材料的又一關(guān)鍵所在；(3)金屬基體 與納米第二相之間浸潤性差，甚至不浸潤，必須設(shè)法對納米微粒進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪愿?善與基體的浸潤性；(4)凝固過程和界面問題。凝固過程由于增強(qiáng)體的存在而使基體金屬 的凝固過程變得更加復(fù)雜，現(xiàn)有的金屬凝固理論顯然并不適用，增強(qiáng)體的加入，其凝固過程 中的溫度場和濃度場、晶體生長的熱力學(xué)和動力學(xué)過程都會發(fā)生變化。由于一般凝固過程 都處于非平衡狀態(tài)。因此流體的流動行為、溶質(zhì)的再分配規(guī)律以及凝固體的組織形態(tài)也有 相應(yīng)的變化，這都將對金屬基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生明顯的影響。由于所存在的上述諸多關(guān) 鍵因素，嚴(yán)重制約著金屬基納米復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用，致使目前國內(nèi)外所開發(fā)的一些金屬 基納米復(fù)合材料的制備工藝仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，使目前對于金屬基一納米復(fù)合材料的研究 尚屬空缺，至少還沒有形成產(chǎn)品。目前，納米材料的應(yīng)用還處于開始和探索階段，雖然人們已用各種不同的方法制 備出多種用途的納米材料，但存在著制備費(fèi)用過高、產(chǎn)量低等一些特點(diǎn)，阻礙著其在各方面 領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是三維尺寸納米材料的應(yīng)用尚待進(jìn)一步開發(fā)。然而作為一種很具發(fā)展前 途的新型材料，納米技術(shù)顯示出方興未艾的應(yīng)用前景。因此，研究開發(fā)具有制備工藝簡單， 生產(chǎn)成本低的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備對實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的納米金屬復(fù) 合材料在工業(yè)上的應(yīng)用，使金屬基納米復(fù)合材料以其優(yōu)良的特性在新材料、冶金、自動化和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮更加巨大的作用具有重大的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種將納米顆粒添加到鋼或有色 金屬基體中，納米顆粒在基體金屬中分布均勻，實(shí)現(xiàn)納米顆粒與金屬材料的有效復(fù)合，發(fā)揮 納米材料的奇異特性，從而制備出性能更加優(yōu)異的新型高性能納米顆粒增強(qiáng)超細(xì)晶粒鋼材 和有色金屬材料，獲得具有制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品性能好的納米顆粒增強(qiáng)金屬基 復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備。解決其技術(shù)問題的設(shè)備方案是該設(shè)備由納米顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備和鑄造成 型設(shè)備二個(gè)系統(tǒng)組成；其中納米顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備采用高能攪拌球磨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，鑄 造成型設(shè)備由熔鑄成型和澆注成型設(shè)備系統(tǒng)組成，熔鑄成型設(shè)備由安裝在工作臺上的帶有 升降裝置的立柱上的電極把持器，在電極把持器上安裝有自耗電極或非自耗電極，并連接 有正極電源，在電極把持器下面與自耗電極垂直處安裝有水冷結(jié)晶器，水冷結(jié)晶器外部安 裝有電磁攪拌器，在水冷結(jié)晶器的上部或下部裝有超聲波振動器，在水冷結(jié)晶器內(nèi)的上部 兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極，在水冷結(jié)晶器的下部連接有底水箱和底水箱升降裝置，在 底水箱上連接有負(fù)極電源，并與電極把持器上的正極電源組成電回路，在上述設(shè)備的外部 安裝有密封箱，在密封箱的外部連接有惰性氣體罐和真空泵及控制閥設(shè)備；澆注成型設(shè)備 由安裝在澆注底板上的鑄型，在鑄型的外部安裝有電磁攪拌器，在鑄型的上部或下部裝有 超聲波振動器，在鑄型內(nèi)的上部兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極，在澆注底板的旁邊安裝有 中注管，中注管的中心有澆注流道并與鑄型底部的孔相連接，在中注管的上部連接有澆注 包，在澆注包內(nèi)盛有基體金屬液，在澆注包內(nèi)安裝有塞棒設(shè)備組成。
水冷結(jié)晶器包括水箱和在水箱的底部連接有冷卻水入口，頂部連接有冷卻水出 口，水箱的中心為一直通孔，電源為低電壓大電流，其電壓和電流均可在大范圍內(nèi)調(diào)整。鑄型材料采用黑色金屬或耐火材料制造。解決其技術(shù)問題所采用的工藝技術(shù)方案是1、納米晶顆粒液混合粉體的制備首先將從碳化物、氮化物、硼化物、氧化物納米 顆粒、納米碳管一組元素中選擇其中的一種或者多種元素與一定含量的從Cr3C2、VC、TaC, ZrC, NbC、HfC, TiB、TiN、NbN, A1N、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N 和稀土氧化物的一組元素中選擇其 中的一種或者多種元素的晶粒抑制劑和相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊混合后放在高能攪 拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，制備成含有納米晶顆粒的預(yù)混合粉體；或?qū)i、V、Zr、Nb、B、W、Mo強(qiáng)碳化物、強(qiáng)氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合 成碳化物、氮化物、硼化物的形成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需劑量的碳粉、 含氮物體和一定劑量的Al粉、Cu粉、Fe2O3粉一組元素中選擇其中的一種或者多種元素及 相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊混合后放在高能攪拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，通過機(jī)械誘發(fā) 自蔓延高溫在球磨機(jī)內(nèi)原位合成70 90%的納米晶顆粒的預(yù)混合粉體；為防止粉末氧化，球磨過程中采用惰性氣體保護(hù)，將球磨好的含有納米顆粒的預(yù) 混合粉末經(jīng)鈍化處理后，裝入低碳鋼薄壁鋼管中密封抽真空；或?qū)⑶蚰ズ玫暮屑{米顆粒 的預(yù)混合粉末在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制成塊，烘干；或?qū)⒀b有納米顆粒的預(yù)混合粉體低碳鋼薄 壁鋼管在軋機(jī)或拉拔機(jī)上軋制或拉拔成帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線；
2、基體金屬的熔煉啟動金屬熔煉爐，按所需基體金屬成份配制相應(yīng)數(shù)量的各種 合金元素，并在基體金屬合金成分中加入0. 1 3%的Nb和0. 1 5%的V、0. 1 2%的 Ti的金屬晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，其中V和Ti可以只加入其中的任一種或二種同時(shí)加入 或兩種都不加入，將所熔煉好的基體金屬液倒入工作臺上的金屬液體中間包內(nèi)；3、鑄造成型將倒入工作臺上中間包內(nèi)的所熔煉好的基體金屬液澆鑄成自耗電 極，或直接將其用于鑄型澆注；將所澆鑄好的自耗電極安裝在電極把持器上，同時(shí)將一根或 多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管焊接在自耗電極上；或?qū)⒁桓蚨喔b有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或一根或多根帶有 納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線安裝在電極把持器上；或?qū)⒁桓蚨喔b有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或納米顆粒預(yù)混合 粉末壓制塊，固定在鑄型的中心，或在鑄型內(nèi)按照一定的間隔距離沿鑄型的中心均勻分布 固定；將所需成份的液體熔渣倒入水冷結(jié)晶器內(nèi)形成渣池，啟動真空泵，將保護(hù)罩抽成 真空或打開惰性氣體泵，向保護(hù)罩內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體，啟動自耗電極電源，將安裝在電極 把持器上的已焊接好裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管的自耗電極插入液 態(tài)渣池內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管與自耗電極同時(shí)在 渣池內(nèi)熔化；或?qū)⒔?jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線以一定的受控 速度連續(xù)地插入到渣池中，與基體金屬自耗電極同時(shí)熔化；或?qū)惭b在電極把持器上的一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁 鋼管或一根或多根帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線，插入液態(tài)渣池內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使 裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線在 渣池內(nèi)熔化，熔化好的含有納米增強(qiáng)顆粒的復(fù)合金屬液滴經(jīng)過熔渣的合成渣洗精煉后，下 落到金屬熔池內(nèi)，啟動電磁攪拌器和超聲波振動器，使二相材料在水冷結(jié)晶器內(nèi)混合均勻， 并在水冷結(jié)晶器的快速冷卻下快速凝固和結(jié)晶成型，底水箱上即得到與水冷結(jié)晶器內(nèi)腔形 狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，啟動高能脈沖電源，通過高能脈沖電極對 金屬基復(fù)合材料結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，如需生產(chǎn)大長度的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材 料，啟動抽錠裝置，使其向下移動，即可使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，并制造出所需長度的含有納米顆 粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料；或?qū)⒁睙捄玫幕w金屬液直接澆注到已按照要求固定好一根或多根裝有納米顆 粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管或納米顆粒預(yù)混合粉末壓制塊的鑄型內(nèi)；或在澆注過程中將經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線 以一定的受控速度連續(xù)地加入到所澆注的基體金屬液中；啟動電磁攪拌器和超聲波振動器，使二相材料在鑄型內(nèi)混合均勻，并在鑄型內(nèi)凝 固和結(jié)晶成型，鑄造成與鑄型內(nèi)腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，啟動 高能脈沖電源，通過高能脈沖電極對復(fù)合材料結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，既可以得到具有良 好結(jié)晶組織的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。水冷結(jié)晶器內(nèi)的熔渣為一元物質(zhì)或者多元物質(zhì)所組成的渣系，成份由CaFe2 —元 物質(zhì)或由CaFe2與Al2O3或Mg0、Mn0、Ca0、Ti02、RE、RExOy —組元素中選擇的一種或者多種元素所組成的不少于二元物質(zhì)的渣系；金屬基復(fù)合材料中的基體材料為任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金屬、有 色金屬、金屬間化合物；納米增強(qiáng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料重量的0. 60% ；晶粒抑 制劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料重量的0. 2%或?yàn)轭A(yù)混合粉體重量的0. 5% ；裝載 納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管尺寸為Φ 3mm Φ 20mm，經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有 納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線的尺寸為Φ3πιπι Φ 10mm，基體金屬粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 預(yù)混合粉體重量的1 % 60 %。有益效果由于采用了上述方案，在本發(fā)明中由于采用高能攪拌球磨機(jī)械合金化工藝，將納 米顆粒與一定量的基體金屬粉末和晶粒抑制劑共同進(jìn)行高能機(jī)械攪拌球磨和混合，從而使 納米顆粒與基體金屬粉末和晶粒抑制劑在攪拌球磨和混合過程中大量的碰撞現(xiàn)象發(fā)生在 球粉末與磨球之間，被捕獲的粉末在碰撞作用下發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，使粉末反復(fù)的焊合 和斷裂。經(jīng)過“微型鍛造”作用，元素粉末實(shí)現(xiàn)均勻混合，晶粒尺度達(dá)到納米級，比表面積大 大增加。由于增加了反應(yīng)的接觸面積，縮短了擴(kuò)散距離，元素粉末間能充分進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散 速率對反應(yīng)動力的限制減小，而且晶粒產(chǎn)生高密度缺陷，儲備了大量的畸變能，使反應(yīng)驅(qū)動 力大大增加，可使互不相溶的合金元素或溶解度較低的合金粉末發(fā)生互擴(kuò)散，形成具有一 定溶解度或較大溶解度的超飽和固溶體和非晶相，從而使粉體在混合過程中實(shí)現(xiàn)納米化和 合成納米化合物，實(shí)現(xiàn)納米顆粒在基體金屬和晶粒抑制劑中的均勻分布。由于在混合過程 中加入了一定量的基體金屬粉末和晶粒抑制劑，從而解決了納米顆粒的團(tuán)聚和分散技術(shù)難 題，而且生產(chǎn)效率高，制備成本低。由于納米晶?；钚院艽?，在鑄造過程中極易長大，因此，采用在納米預(yù)混合粉體中 添加晶粒抑制劑，從可以在一定程度上抑制晶粒的進(jìn)一步長大。同時(shí)，為解決基體金屬的晶 粒長和再結(jié)晶，在基體金屬中采用添加晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，使其在基體金屬結(jié)晶過 程中在金屬內(nèi)部形成一定的形核粒子，由于這些粒子幾乎在固相線以下奧氏體中析出，從 而能夠?qū)w金屬的晶粒進(jìn)行細(xì)化和抑制再結(jié)晶，提高材料的再結(jié)晶溫度，對后期熱加工 過程中的晶粒長大起釘扎阻礙作用，提高金屬材料的使用溫度。通過納米顆粒的加入，細(xì)化 了金屬的晶粒組織，實(shí)現(xiàn)了第二相超細(xì)粒子對金屬晶粒的釘扎作用，提高了金屬材料的組 織穩(wěn)定性和塑性穩(wěn)定性，可應(yīng)用于工具、模具行業(yè)和金屬耐磨材料行業(yè)，擴(kuò)大了金屬復(fù)合材 料的應(yīng)用范圍。由于納米顆粒與金屬熔體的潤滑性差及本身具有的表面效應(yīng)和高的活性，加入到 熔體中的納米顆粒常聚集成團(tuán)，采用傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌使其在熔體中均勻分散是非常困難 的，高能超聲波在熔體介質(zhì)中會產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓，并由此會導(dǎo)致許多非線性效應(yīng)， 如聲空化和聲流效應(yīng)等。高能超聲的這些效應(yīng)可在極短時(shí)間內(nèi)(數(shù)十秒)顯著改善微細(xì)顆 粒與熔體的潤濕性，并迫使其在熔體中均勻分散。當(dāng)金屬熔體在旋轉(zhuǎn)磁場中凝固時(shí)，其內(nèi)部 會產(chǎn)生渦流，這種渦流和磁場的相互作用會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生一種扭矩，形成對金屬熔體的 切向剪切力，當(dāng)這種剪切力大到一定值時(shí)，即切應(yīng)變達(dá)到枝晶碎斷值時(shí)，就能有力地抑制或 碎斷沿徑向長大的樹枝晶，同時(shí)也破壞了熔體中原子團(tuán)的有序排列，抑制原子團(tuán)的團(tuán)聚，使 熔體形成更多的形核質(zhì)心。同時(shí)由于切向速度的存在，則對單位熔體產(chǎn)生離心力，這種離心 力的存在，不斷使熔體處于向外擴(kuò)展的趨勢。這樣，一方面是各流團(tuán)之間產(chǎn)生“松弛力”，使熔體難以形成大的原子團(tuán)簇，同時(shí)也拉斷或切斷已形成的枝晶，亦即使熔體中存在更多的 細(xì)小的形核質(zhì)心。另一方面，由于處于最外層的金屬熔體在離心時(shí)受到結(jié)晶器或鑄型的阻 擋，導(dǎo)致反沖，向內(nèi)運(yùn)動，內(nèi)層熔體緊隨向外沖擊，這樣層層擠壓，使熔體不斷沖刷，混合均 勻，并且這種沖刷混合，同時(shí)加大熔體“渦流化”，使各流團(tuán)之間產(chǎn)生反復(fù)的粘性摩擦阻力， 從而有利于抑制和碎斷沿徑向和橫向枝晶。再者，由于各流團(tuán)之間的“松弛”以及整個(gè)熔體 中紊流，增大了熔體熱擴(kuò)散率，可以起到快速消散過熱的作用。特別是紊流會造成溫度波 動，如果波動的幅度較大，則晶粒平均生長速度降低，而且使固液界面移動前會出現(xiàn)周期性 的重熔現(xiàn)象。枝晶端部液態(tài)紊流所造成的熱脈動的升高，會使枝晶臂熔斷，并且將斷臂帶入 液態(tài)中去，使液體中晶粒倍增，而且趨于均勻分布，從而細(xì)化晶粒，推動柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn) 變。旋轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)烈攪拌作用，加速了熔體的散熱，加速了合金的凝固，從而使結(jié)晶溫度區(qū) 間明顯縮小。由于高能超聲與電磁攪拌所具有的上述性能，因此，本發(fā)明將高能超聲處理與 電磁攪拌進(jìn)行相互結(jié)合，從而使納米顆粒鑄造成形過程中，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒在熔體中的均 勻彌散分布。為防止鑄造過程中，納米顆粒的晶粒長大，本發(fā)明采用水冷結(jié)晶器對熔體進(jìn)行 快速冷卻結(jié)晶，可有效地控制納米晶粒和熔體晶粒的長大，使所制備的復(fù)合材料具有高的 致密度和細(xì)的結(jié)晶組織，從而實(shí)現(xiàn)了納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的的制備。為提高復(fù)合材料的純凈度，在本發(fā)明中，采用電渣精煉技術(shù)對熔體進(jìn)行精煉，從而 獲得了具有高純凈度的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。使用本發(fā)明生產(chǎn)納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率 高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品性能和質(zhì)量好，工藝易于控制。外加的納米增強(qiáng)體與基體金屬混合液 在高溫渣液中經(jīng)二次高溫精煉，外加的納米增強(qiáng)體材料表面產(chǎn)生熔融，使二相材料達(dá)到了 完全冶金結(jié)合。產(chǎn)品的外形尺寸不受工藝限制，可以制造大尺寸的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù) 合材料，而且所制備的復(fù)合材料具有良好的耐熱變形能力，在后續(xù)的加工中，可以采用各種 熱加工工藝進(jìn)行。采用本發(fā)明的工藝，可以根據(jù)不同的使用工況，靈活的選擇各種基體金屬和各種 性能的納米顆粒進(jìn)行結(jié)合制造，從而滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求。本發(fā)明所制備的納米顆 粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和航空和航天等各領(lǐng)域，具有適用范圍 廣，使用性能好，性價(jià)比高，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益、環(huán)境效益顯著，具有良好的應(yīng)用和推廣前
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圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 在圖1中，設(shè)備由納米顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備和鑄造成型設(shè)備二個(gè)系 統(tǒng)組成，其中納米顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備采用高能攪拌球磨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，鑄造成型設(shè)備正 極電源1、電極把持器2、自耗電極3、裝有預(yù)混合納米粉體16的低碳鋼薄壁密封鋼管4或帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線4、渣池5、出水管6、含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù) 合材料7、電磁攪拌器8、底水箱9、負(fù)極電源10、高能脈沖電極11、高能脈沖電源12、金屬熔 池13、水冷結(jié)晶器14、進(jìn)水管15、納米顆粒預(yù)混合粉體16、超聲波振動器17、抽錠裝置18組 成。1、納米晶顆粒液混合粉體的制備首先將從碳化物、氮化物、硼化物、氧化物納米 顆粒、納米碳管一組元素中選擇其中的一種或者多種元素與一定含量的從Cr3C2、VC、TaC, ZrC, NbC、HfC, TiB、TiN、NbN, A1N、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N 和稀土氧化物的一組元素中選擇其 中的一種或者多種元素的晶粒抑制劑和相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊混合后放在高能攪 拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，制備成含有納米晶顆粒的預(yù)混合粉體16 ；或?qū)i、V、Zr、Nb、B、 W、Mo強(qiáng)碳化物、強(qiáng)氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合成碳化物、氮化物、硼化物的形 成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需劑量的碳粉、含氮物體和一定劑量的Al粉、 Cu粉、Fe203粉一組元素中選擇其中的一種或者多種元素及相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊 混合后放在高能攪拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，通過機(jī)械誘發(fā)自蔓延高溫在球磨機(jī)內(nèi)原位合 成70 90%的納米晶顆粒的預(yù)混合粉體16，為防止粉末氧化，球磨過程中采用惰性氣體保 護(hù)，將球磨好的含有納米顆粒的預(yù)混合粉末經(jīng)鈍化處理后，裝入低碳鋼薄壁鋼管4中密封 抽真空；或?qū)⑶蚰ズ玫暮屑{米顆粒的預(yù)混合粉末在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制成塊4，烘干；或?qū)?裝有納米顆粒的預(yù)混合粉體16低碳鋼薄壁鋼管4在軋機(jī)或拉拔機(jī) 上軋制或拉拔成帶有納 米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線4 ；2、基體金屬的熔煉啟動金屬熔煉爐，按所需基體金屬成份配制相應(yīng)數(shù)量的各種 合金元素，并在基體金屬合金成分中加入0. 1 3%的Nb和0. 1 5的V%、0. 1 2的
的金屬晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，其中V和Ti可以只加入其中的任一種或二種同時(shí)加 入或兩種都不加入，將所熔煉好的基體金屬液倒入工作臺上的金屬液體中間包內(nèi)；3、鑄造成型將倒入工作臺上中間包內(nèi)的所熔煉好的基體金屬液澆鑄成自耗電極 3，將所澆鑄好的自耗電極3安裝在電極把持器2上，同時(shí)將一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混 合粉末16的低碳鋼薄壁鋼管4焊接在自耗電極3上；或?qū)⒁桓蚨喔b有納米顆粒預(yù)混合 粉末16的低碳鋼薄壁鋼管4或一根或多根帶有納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4安 裝在電極把持器2上；將所需成份的液體熔渣倒入水冷結(jié)晶器內(nèi)形成渣池5，啟動自耗電極 電源1和10，將安裝在電極把持器2上的已焊接好裝有納米顆粒預(yù)混合粉末16的低碳鋼薄 壁密封鋼管4的自耗電極3插入液態(tài)渣池5內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使裝有納米顆粒預(yù)混合粉末16的 低碳鋼薄壁密封鋼管4與自耗電極3同時(shí)在渣池5內(nèi)熔化，或?qū)⒔?jīng)軋制或拉拔制成的帶有 納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4以一定的受控速度連續(xù)地插入到渣池5中，與基體 金屬自耗電極3同時(shí)熔化，或?qū)惭b在電極把持器2上的一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合 粉末16的低碳鋼薄壁鋼管4或一根或多根帶有納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4，插 入液態(tài)渣池內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使裝有納米顆粒預(yù)混合粉末16的低碳鋼薄壁鋼管4或帶有納米顆 粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4在渣池內(nèi)5熔化，熔化好的含有納米增強(qiáng)顆粒的復(fù)合金屬 液滴經(jīng)過熔渣的合成渣洗精煉后，下落到金屬熔池13內(nèi)，啟動電磁攪拌器8和超聲波振動 器17，使二相材料在水冷結(jié)晶器14內(nèi)混合均勻，并在水冷結(jié)晶器14的快速冷卻下快速凝固 和結(jié)晶成型，底水箱9上即得到與水冷結(jié)晶器14內(nèi)腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬 基復(fù)合材料7，啟動高能脈沖電源12，通過高能脈沖電極11對金屬基復(fù)合材料7結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，如需生產(chǎn)大長度的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料7，啟動抽錠裝置18，使其 向下移動，即可使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，并制造出所需長度的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材 料7 ；水冷結(jié)晶器14內(nèi)的熔渣4為一元物質(zhì)或者多元物質(zhì)所組成的渣系，成份由CaFe2 一元物質(zhì)或由CaFe2與A1203或MgO、MnO、CaO, Ti02、RE、RExOy 一組元素中選擇的一種或 者多種元素所組成的不少于二元物質(zhì)的渣系；金屬基復(fù)合材料7中的基體材料為任何成份 的并可包含有稀土合金的黑色金屬、有色金、金屬間化合物；納米增強(qiáng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù) 合材料7重量的0. 60%;晶粒抑制劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料7重量的0. 2%或 為預(yù)混合粉體16重量的0. 5%;裝載納米顆粒預(yù)混合粉末16的低碳鋼薄壁鋼管4尺 寸為Φ 3mm Φ 20mm，經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4的 尺寸為Φ 3mm Φ 10mm，基體金屬粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為預(yù)混合粉體重量的 60%。實(shí)施例2 在圖2中，鑄造成型設(shè)備為澆注澆注成型設(shè)備系統(tǒng)，澆注成型設(shè)備由安 裝在澆注底板24上的金屬鑄型23，在鑄型23的外部安裝有電磁攪拌器8，在鑄型23的上 部或下部裝有超聲波振動器17，在鑄型23內(nèi)的上部兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極11和連 接電源12，在澆注底板24的旁邊安裝有中注管26，中注管26的中心有澆注流道25并與鑄 型23底部的孔相連，在中注管26的上部連接有澆注包29，在澆注包29內(nèi)盛有基體金屬液 28，在澆注包29內(nèi)安裝有塞棒設(shè)備27組成，鑄型材料為黑色金屬金屬材料。工作開始時(shí)，將已制備好的一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末16的低碳鋼薄 壁密封鋼管4或納米顆粒預(yù)混合粉末16的壓制塊4固定在鑄型23的中心，或在鑄型23內(nèi) 按照一定的間隔距離沿鑄型23的中心均勻分布固定，打開澆注包29內(nèi)的塞棒27，將冶煉 好的基體金屬液28通過中注管26澆注流道25和鑄型23底部的孔直接澆注到鑄型23內(nèi)， 或在澆注過程中將經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶芯合金線4以一 定的受控速度連續(xù)地加入到所澆注的基體金屬液28中，啟動電磁攪拌器8和超聲波振動器 17，使二相材料在鑄型23內(nèi)混合均勻，并在鑄型23內(nèi)凝固和結(jié)晶成型，鑄造成與鑄型23內(nèi) 腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料7，啟動高能脈沖電源12，通過高能脈 沖電極11對納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料7結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，既可以得到具有良好 結(jié)晶組織的納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料7。其它工藝過程及設(shè)備與實(shí)施例1同，略。實(shí)施例3 在圖3中，與實(shí)施例2不同點(diǎn)在于澆注成型設(shè)備組成由鑄型22，在鑄型 22的外部安裝有電磁攪拌器8，在鑄型22的上部裝有超聲波振動器17，超聲波振動器電源 21，在鑄型22內(nèi)的中部兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極11和連接電源12，在鑄型22的的上 部有澆注包19，在澆注包19內(nèi)盛有基體金屬液20。鑄型22的材料由耐火材料或黑色金屬 金屬材料制造。工作開始時(shí)，將已制備好的一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末16的低碳鋼薄 壁密封鋼管4或納米顆粒預(yù)混合粉末16的壓制塊4固定在鑄型22的中心，或在鑄型22 內(nèi)按照一定的間隔距離沿鑄型22的中心均勻分布固定，將冶煉好的基體金屬液20直接澆 注到鑄型22內(nèi)，或在澆注過程中將經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末16的帶 芯合金線4以一定的受控速度連續(xù)地加入到所澆注的基體金屬液20中，啟動電磁攪拌器8 和超聲波振動器17，使二相材料在鑄型22內(nèi)混合均勻，并在鑄型22內(nèi)凝固和結(jié)晶成型，鑄造成與鑄型22內(nèi)腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料7，啟動高能脈沖電源12，通過高能脈沖電極11對納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料7結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，既可 以得到具有良好結(jié)晶組織的納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料7。其它工藝過程及設(shè)備與實(shí)施例1和2同，略。實(shí)施例4 在圖4中，在鑄造成型設(shè)備外部連接有密封箱31，在密封箱31上通過管 道與惰性氣體罐30連接，在惰性氣體罐30與密封箱31的中間連接有充氣控制閥29，通過 控制閥29控制其向密封箱31內(nèi)充入惰性氣體的流量，密封箱31通過管道與真空泵32連 接，從而對密封箱31進(jìn)行抽真空。工作時(shí)，首先啟動真空泵32對設(shè)備進(jìn)行抽真空，這時(shí)設(shè)備處在真空狀態(tài)下工作； 或者在設(shè)備抽真空后打開閥門29，向設(shè)備內(nèi)充入惰性氣體，使其在低壓惰性氣體保護(hù)狀態(tài) 下或真空狀態(tài)下進(jìn)行生產(chǎn)，以減少有害氣體進(jìn)入納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料內(nèi)，同時(shí)防 止金屬液體和易氧化合金材料的氧化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。其它工藝過程和設(shè)備與實(shí)施例1，略。
權(quán)利要求
一種納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝，其特征是1)納米晶顆粒液混合粉體的制備；2)基體金屬的熔煉；3)鑄造成型；具體步驟如下(1)納米晶顆粒液混合粉體的制備首先將從碳化物、氮化物、硼化物、氧化物納米顆粒、納米碳管一組元素中選擇其中的一種或者多種元素與一定含量的從Cr3C2、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N和稀土氧化物的一組元素中選擇其中的一種或者多種元素的晶粒抑制劑和相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊混合后放在高能攪拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，制備成含有納米晶顆粒的預(yù)混合粉體；或?qū)i、V、Zr、Nb、B、W、Mo強(qiáng)碳化物、強(qiáng)氮化物、硼化物形成元素及其它可原位合成碳化物、氮化物、硼化物的形成元素，加入合成碳化物、氮化物、硼化物所需劑量的碳粉、含氮物體和一定劑量的Al粉、Cu粉、Fe2O3粉一組元素中選擇其中的一種或者多種元素及相應(yīng)成分的基體金屬粉末一齊混合后放在高能攪拌球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，通過機(jī)械誘發(fā)自蔓延高溫在球磨機(jī)內(nèi)原位合成70～90％的納米晶顆粒的預(yù)混合粉體；為防止粉末氧化，球磨過程中采用惰性氣體保護(hù)，將球磨好的含有納米顆粒的預(yù)混合粉末經(jīng)鈍化處理后，裝入低碳鋼薄壁鋼管中密封抽真空或?qū)⑶蚰ズ玫暮屑{米顆粒的預(yù)混合粉末在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制成塊，烘干；或?qū)⒀b有納米顆粒的預(yù)混合粉體低碳鋼薄壁鋼管在軋機(jī)或拉拔機(jī)上軋制或拉拔成帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線；(2)基體金屬的熔煉啟動金屬熔煉爐，按所需基體金屬成份配制相應(yīng)數(shù)量的各種合金元素，并在基體金屬合金成分中加入0.1～3％的Nb和0.1～5％的V、0.1～2％的Ti的金屬晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，其中V和Ti可以只加入其中的任一種或二種同時(shí)加入或兩種都不加入，將所熔煉好的基體金屬液倒入工作臺上的金屬液體中間包內(nèi)；(3)鑄造成型將倒入工作臺上中間包內(nèi)的所熔煉好的基體金屬液澆鑄成自耗電極，或直接將其用于鑄型澆注；將所澆鑄好的自耗電極安裝在電極把持器上，同時(shí)將一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管焊接在自耗電極上；或?qū)⒁桓蚨喔b有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或一根或多根帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線安裝在電極把持器上；或?qū)⒁桓蚨喔b有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或納米顆粒預(yù)混合粉末壓制塊，固定在鑄型的中心，或在鑄型內(nèi)按照一定的間隔距離沿鑄型的中心均勻分布固定；將所需成份的液體熔渣倒入水冷結(jié)晶器內(nèi)形成渣池，啟動真空泵，將保護(hù)罩抽成真空或打開惰性氣體泵，向保護(hù)罩內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體，啟動自耗電極電源，將安裝在電極把持器上的已焊接好裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管的自耗電極插入液態(tài)渣池內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管與自耗電極同時(shí)在渣池內(nèi)熔化；或?qū)⒔?jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線以一定的受控速度連續(xù)地插入到渣池中，與基體金屬自耗電極同時(shí)熔化；或?qū)惭b在電極把持器上的一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或一根或多根帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線，插入液態(tài)渣池內(nèi)進(jìn)行熔鑄，使裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管或帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線在渣池內(nèi)熔化；熔化好的含有納米增強(qiáng)顆粒的復(fù)合金屬液滴經(jīng)過熔渣的合成渣洗精煉后，下落到金屬熔池內(nèi)，啟動電磁攪拌器和超聲波振動器，使二相材料在水冷結(jié)晶器內(nèi)混合均勻，并在水冷結(jié)晶器的快速冷卻下快速凝固和結(jié)晶成型，底水箱上即得到與水冷結(jié)晶器內(nèi)腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，啟動高能脈沖電源，通過高能脈沖電極對金屬基復(fù)合材料結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，如需生產(chǎn)大長度的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，啟動抽錠裝置，使其向下移動，即可使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，并制造出所需長度的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料；或?qū)⒁睙捄玫幕w金屬液直接澆注到已按照要求固定好一根或多根裝有納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁密封鋼管或納米顆粒預(yù)混合粉末壓制塊的鑄型內(nèi)；或在澆注過程中將經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線以一定的受控速度連續(xù)地加入到所澆注的基體金屬液中；啟動電磁攪拌器和超聲波振動器，使二相材料在鑄型內(nèi)混合均勻，并在鑄型內(nèi)凝固和結(jié)晶成型，鑄造成與鑄型內(nèi)腔形狀相同的含有納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，啟動高能脈沖電源，通過高能脈沖電極對復(fù)合材料結(jié)晶組織進(jìn)行細(xì)化處理，既可以得到具有良好結(jié)晶組織的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；所述的水冷結(jié)晶器內(nèi)的熔渣為一元物質(zhì)或者多元物質(zhì)所組成的渣系，成份由CaFe2一元物質(zhì)或由CaFe2與Al2O3或MgO、MnO、CaO、TiO2、RE、RExOy一組元素中選擇的一種或者多種元素所組成的不少于二元物質(zhì)的渣系；金屬基復(fù)合材料中的基體材料為任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金屬、有色金屬、金屬間化合物；納米增強(qiáng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料重量的0.1％～60％；晶粒抑制劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料重量的0.1％～2％或?yàn)轭A(yù)混合粉體重量的0.1％～5％；裝載納米顆粒預(yù)混合粉末的低碳鋼薄壁鋼管尺寸為φ3mm～φ20mm，經(jīng)軋制或拉拔制成的帶有納米顆粒預(yù)混合粉末的帶芯合金線的尺寸為φ3mm～φ10mm，基體金屬粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為預(yù)混合粉體重量的1％～60％。
2.一種實(shí)現(xiàn)納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是該設(shè)備由納米 顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備和鑄造成型設(shè)備二個(gè)系統(tǒng)組成；鑄造成型設(shè)備由熔鑄成型和澆注 成型設(shè)備系統(tǒng)組成，熔鑄成型設(shè)備由安裝在工作臺上的帶有升降裝置的立柱上的電極把持 器，在電極把持器上安裝有自耗電極或非自耗電極，并連接有正極電源，在電極把持器下面 與自耗電極垂直處安裝有水冷結(jié)晶器，水冷結(jié)晶器外部安裝有電磁攪拌器，在水冷結(jié)晶器 的上部或下部裝有超聲波振動器，在水冷結(jié)晶器內(nèi)的上部兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極， 在水冷結(jié)晶器的下部連接有底水箱和底水箱升降裝置，在底水箱上連接有負(fù)極電源，并與 電極把持器上的正極電源組成電回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是 澆注成型設(shè)備由安裝在澆注底板上的鑄型，在鑄型的外部安裝有電磁攪拌器，在鑄型的上 部或下部裝有超聲波振動器，在鑄型內(nèi)的上部兩側(cè)分別安裝有高能脈沖電極，在澆注底板 的旁邊安裝有中注管，中注管的中心有澆注流道并與鑄型底部的孔相連接，在中注管的上 部連接有澆注包，在澆注包內(nèi)盛有基體金屬液，在澆注包內(nèi)安裝有塞棒。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是 熔鑄成型設(shè)備的外部安裝有密封箱，在密封箱的外部連接有惰性氣體罐和真空泵及控制閥
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是 納米顆粒合成、擴(kuò)散、混合設(shè)備采用高能攪拌球磨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是 水冷結(jié)晶器包括水箱和在水箱的底部連接有冷卻水入口，頂部連接有冷卻水出口，水箱的 中心為一直通孔，電源為低電壓大電流，其電壓和電流均可在大范圍內(nèi)調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是 鑄型材料采用黑色金屬或耐火材料制造。
全文摘要
本發(fā)明為一種納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備，它是將納米增強(qiáng)顆粒與基體金屬和晶粒抑制劑共同在攪拌球磨機(jī)內(nèi)混合后裝入鋼管中，與基體金屬共同在水冷結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行熔鑄或與金屬液共同在鑄型內(nèi)進(jìn)行鑄造成型，經(jīng)電磁攪拌和超聲波震動后快速凝固和結(jié)晶，使二相材料達(dá)到了完全冶金結(jié)合，由于電磁攪拌和超聲波震動作用，使二相材料的混合更加均勻，并可以進(jìn)一步改善和提高復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。使用該發(fā)明，生產(chǎn)工藝簡單，成本低，效率高，產(chǎn)品性能好，工藝易于控制，產(chǎn)品的外形尺寸不受工藝限制，可以制造大尺寸的納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
文檔編號B22D27/02GK101829777SQ20101012691
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者丁剛, 丁家偉, 強(qiáng)穎懷, 耿德英 申請人:丁家偉