权利要求
S1、加热熔化纯铝或铝合金各组分，搅拌得到熔体;
S2、将氩气输送至等离子炬的反应腔中，置换其中的空气，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，形成等离子体射流进入控温装置;
S3、以氩气载气输送方式将增强体颗粒以气固两相流输入控温装置的腔体，与等离子体射流接触、混合，形成等离子体/氩气/增强体颗粒三相混合射流;
S4、启动控温装置，调控三相混合射流的温度，将控温后的三相混合射流经导管通入熔体内部，移动导管使等离子体射流作用于熔体内各部位;
S5、对增强体颗粒添加完成后的熔体进行扒渣处理，浇注成坯，即得所述铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝合金中铝元素重量分数≥80%。
3.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S1中，所述熔体温度保持为700~750℃。
4.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述氩气输送的进气压力为0.3~0.6MPa，通气流量为2~5m3/h。
5.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述等离子炬采用直流、非转移弧的等离子体激发模式，等离子体炬的功率为5kW~100kW;所述施加电压为40~80V。
7.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S3中，所述氩气载气输送的氩气压力为0.2~0.6MPa;所述气固两相流中，增强体颗粒的送粉速率为500~1500g/min;增强体颗粒的质量占铝基复合材料总质量的5%~30%。
8.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S4中，所述三相混合射流的温度被调控为700~900℃。
9.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤S4中，所述控温装置通过调控冷却水流量或其他冷媒介质进行精确调温;所述控温装置的冷却水压力范围控制在0.3~0.6MPa，水流量维持在6~12L/min。
10.根据权利要求1所述的等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，其特征在于，所述方法采用的等离子体辅助熔炼系统包括等离子体发生装置、氩气输送装置、载气粉末输送装置、等离子体控温装置和等离子体输送导管。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及铝基复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法。
背景技术
[0002]铝基复合材料因其兼具合金基体的高比强度、高比模量、良好的延展性以及增强体(如碳化硅、氧化铝、碳化硼、石墨烯等)的高硬度、耐磨性和耐高温性能，被广泛应用于航空航天、轨道交通、电子封装及汽车轻量化制造等领域。随着高端装备制造对材料性能要求的不断提升，开发高性能、低成本且质量稳定的铝基复合材料制备技术已成为行业关注的焦点。
[0003]目前，铝基复合材料的主要制备工艺包括搅拌铸造法、粉末冶金法、挤压铸造法、以及原位自生成法等。搅拌铸造法因成本低廉、工艺简单且适合大批量生产，是目前应用最广泛的方法;粉末冶金法则能够较好地控制基体与增强体的界面反应，获得性能优异的材料。
[0004]然而，这些制备技术在实际应用中仍存在一些显著的技术瓶颈。在润湿性与界面结合方面，陶瓷增强颗粒(如SiC、Al2O3)与铝基体在温度较低(<1000℃)时润湿性较差，难以自发铺展在颗粒表面。传统搅拌铸造往往需要长时间的高温搅拌，不仅增加了成本，易导致界面过度反应，生成脆性相(如Al4C3)。在颗粒分散均匀性方面，微米级甚至纳米级的增强体，因其比表面积大、表面能高，颗粒极易在基体中发生团聚。传统的机械搅拌或电磁搅拌产生的剪切力有限，无法有效分散团聚体，导致复合材料中形成“富集区”和“贫乏区”，造成性能各向异性和早期失效。
[0005]因此，需要提供新的铝基复合材料制备工艺，解决复合材料制备过程中增强体润湿性差、分散不均、界面反应难控制以及气体夹杂等技术难题，实现复合材料的界面结合良好和性能显著提升。
发明内容
[0006]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法。本发明的铝基复合材料制备方法利用等离子体的高温、高能量密度及气氛保护特性，能够主动干预颗粒-熔体界面，实现增强体超细分散，并控制界面反应，解决了铝基复合材料制备过程中增强体润湿性差、分散不均、界面反应难控制以及气体夹杂等技术难题。
[0007]本发明提供一种等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
[0008]S1、加热熔化纯铝或铝合金各组分，搅拌得到熔体;
[0009]S2、将氩气输送至等离子炬的反应腔中，置换其中的空气，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，形成等离子体射流进入控温装置;
[0010]S3、以氩气载气输送方式将增强体颗粒以气固两相流输入控温装置的腔体，与等离子体射流接触、混合，形成等离子体/氩气/增强体颗粒三相混合射流;
[0011]S4、启动控温装置，调控三相混合射流的温度，将控温后的三相混合射流经导管通入熔体内部，移动导管使等离子体射流作用于熔体内各部位;
[0012]S5、对增强体颗粒添加完成后的熔体进行扒渣处理，浇注成坯，即得所述铝基复合材料。
[0013]根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述铝合金中铝元素重量分数≥80%。
[0014]根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述熔体温度保持为700~750℃。
[0015]根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述氩气输送的进气压力为0.3~0.6MPa，通气流量为2~5m3/h。
[0016]根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述等离子炬采用直流、非转移弧的等离子体激发模式，等离子体炬的功率为5kW~100kW;所述施加电压为40~80V。
[0017]根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，所述增强体颗粒包括碳化硅、氧化铝或二硼化钛中的至少一种;所述增强体颗粒的粒径为0.5~80μm。
[0018]根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，所述氩气载气输送的氩气压力为0.2~0.6MPa;所述气固两相流中，增强体颗粒的送粉速率为500~1500g/min。
[0019]本发明调控的气固两相流的载气压力和送粉速率参数，使气固两相流均匀进入等离子体射流的核心焰区，确保颗粒与高温高速的等离子射流充分接触并均匀混合。基于等离子体的超高温特性，增强体颗粒被瞬时加热，团聚体内部产生相变爆发力，实现纳米尺度团聚颗粒的有效分散;高速等离子射流带来的冲击作用进一步破碎团聚体。此外，等离子体中的高能电子与活性基团能对增强体颗粒表面进行活化处理，提高其表面润湿性，进而增强颗粒与铝基体间的界面结合力。
[0020]根据本发明的一些实施方式，加入到熔体中的增强体颗粒的质量占铝基复合材料质量的5%~30%。
[0021]根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述三相混合射流的温度被调控为700~900℃。
[0022]本发明调控上述三相混合射流温度范围，可以将其温度降至接近熔体温度，从而避免因温度过高导致铝熔体过热及吸气现象。该调控不仅可有效抑制铝基体的氧化与合金元素的烧损，还能降低因熔体吸气而导致的氢含量升高，从而保障熔体纯净度与成分稳定性。此外，过高的温度容易促使增强体颗粒与铝基体界面处生成脆性金属间化合物相(如Al4C3、MgAl2O4)，这些脆性相不仅自身是潜在的微观裂纹源，更会严重削弱增强体与基体间的界面结合强度，恶化复合材料在宏观性能上的表现。
[0023]根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述控温装置通过调控冷却水流量或其他冷媒介质进行精确调温。
[0024]根据本发明的一些实施方式，所述控温装置的冷却水压力范围控制在0.3~0.6MPa，水流量维持在6~12L/min。
[0025]根据本发明的一些实施方式，所述方法采用的等离子体辅助熔炼系统包括等离子体发生装置、氩气输送装置、载气粉末输送装置、等离子体控温装置和等离子体输送导管。
[0026]本发明的等离子体辅助熔炼系统中，载气粉末输送装置具体为载气式送粉器，以流动氩气为载体将增强体颗粒输送至控温装置腔体内，颗粒与等离子体射流充分接触并混合，形成等离子体/增强体颗粒/氩气三相混合射流。该方式可以使三相混合射流更稳定、增强体颗粒分布更均匀的同时，利用氩气起到精炼熔体和提供保护气氛的作用。
[0027]本发明的有益效果：
[0028]1)本发明的方法采用高能量密度与高活性的等离子体能将增强体颗粒表面活化，有效改善陶瓷增强相与金属基体间的润湿性及界面结合质量;
[0029]2)本发明利用等离子体的高温与高速射流特性，实现对增强体颗粒的短时高温加热与冲击分散;瞬时高温加热使团聚体内部产生相变爆发力，有效分散纳米尺度团聚颗粒;高速等离子射流的冲击作用进一步破碎团聚体;同时，在熔体中诱发紊流，形成持续剪切力，使增强体颗粒在熔体中保持均匀分散状态，避免发生再团聚;
[0030]3)本发明使用等离子体辅助熔炼制备复合材料的方法，将增强体颗粒直接添加至熔体中并实现均匀分散，大量颗粒增强相在凝固过程中可作为非均质形核质点，从而细化铸态晶粒组织。
[0031]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
[0032]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
[0033]图1为本发明实施例使用的等离子体辅助熔炼系统结构示意图;
[0034]图2为本发明实施例使用的等离子体辅助熔炼方法工作过程示意图;
[0035]图3为本发明TiB2颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜图像;其中，a图为实施例1制备的铝基复合材料的扫描电镜图像，b图为对比例1制备的铝基复合材料的扫描电镜图像;
[0036]附图标记：1-氩气输送管路(连接气源)，2-等离子体发生装置，3-接口法兰(连接等离子体发生器与控温装置)，4-送粉管路(连接高精度载气送粉器)，5-等离子体控温装置，6-输送导管，7-熔炼炉，8-熔体。
具体实施方式
[0037]以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0038]实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0039]实施例1
[0040]本实施例提供等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法。
[0041]本实施例使用的等离子体辅助熔炼系统如图1所示;等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的具体步骤如下：
[0042]1)将粒径范围为5~30μm的TiB2增强体颗粒，在使用前置于120℃烘箱中干燥2h，添加到载气送粉器中;
[0043]2)采用纯度为99.9%的精铝锭、纯锌锭、纯镁锭，以及Al-50wt%Cu、Al-10wt%Zr和Al-2wt%Sc中间合金，按照以下重量百分比进行配料：Zn 11.0%，Mg 2.4%，Cu 1.0%，Zr0.1%，Sc 0.1%，余量为Al;
[0044]3)将配料的各组分依次加入中频感应炉中，升温至730℃，待配料熔化后开启电磁搅拌装置使铝合金熔体各组分均匀混合，并保持熔体温度为730℃;
[0045]4)开启气体输送系统，将氩气(纯度≥99.9%)经氩气输送管路输送至等离子炬反应腔室中，置换反应腔内的空气，氩气进气压力控制在0.5MPa，通气流量为4m3/h;
[0046]5)启动等离子体发生装置(等离子炬)，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，设置工作电流为400A，工作电压为60V，等离子炬冷却系统的冷却水压力控制在0.5MPa，冷却水流量为9L/min;
[0047]6)启动载气送粉器，将TiB2增强体颗粒和氩气的气固两相流经由送粉管路输入等离子体控温装置的内部腔室，控制载气送粉器氩气压力范围在0.4MPa，送粉速率为1000g/min;
[0048]7)启动等离子体控温装置，设置控温装置冷却系统的冷却水压力为0.5MPa，冷却水流量为8L/min，调控等离子体/氩气/增强体颗粒组成的三相混合射流温度为780℃，将混合射流经输送导管通入熔体内部，使混合射流直接作用于熔体;移动混合射流的输送导管，使混合射流作用于熔体各部位;
[0049]8)当注入的增强体颗粒在熔体中质量分数达到10%时，即停止送粉，将得到的复合材料熔体静置5min，经扒渣后出炉浇注成坯，即制得铝基复合材料。
[0050]实施例2
[0051]本实施例提供等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法。
[0052]等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的具体步骤如下：
[0053]1)将粒径范围为0.5~10μm的SiC增强体颗粒，在使用前置于120℃烘箱中干燥2h，添加到载气送粉器中;
[0054]2)采用纯度为99.9%的精铝锭、纯锌锭、纯镁锭，以及Al-50wt%Cu、Al-10wt%Zr和Al-2wt%Sc中间合金，按照以下重量百分比进行配料：Zn 11.0%，Mg 2.4%，Cu 1.0%，Zr0.1%，Sc 0.1%，余量为Al;
[0055]3)将配料的各组分依次加入中频感应炉中，升温至730℃，待配料熔化后开启电磁搅拌装置使铝合金熔体各组分均匀混合，并保持熔体温度为730℃;
[0056]4)开启气体输送系统，将氩气经氩气输送管路输送至等离子炬反应腔室中，置换反应腔内的空气，氩气进气压力控制在0.5MPa，通气流量为4m3/h;
[0057]5)启动等离子体发生装置(等离子炬)，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，设置工作电流为400A，工作电压为60V，等离子炬冷却系统的冷却水压力控制在0.5MPa，冷却水流量为9L/min;
[0058]6)启动载气送粉器，将SiC增强体颗粒和氩气经由送粉管路输入等离子体控温装置的内部腔室，控制送粉速率为1000g/min;
[0059]7)启动等离子体控温装置，设置控温装置冷却系统的冷却水压力为0.5MPa，冷却水流量为8L/min，调控等离子体/氩气/增强体颗粒组成的三相混合射流温度为780℃，将混合射流经输送导管通入熔体内部，使混合射流直接作用于熔体;移动混合射流的输送导管，使混合射流作用于熔体各部位;
[0060]8)当注入的增强体颗粒在熔体中质量分数达到10%时，即停止送粉，将得到的复合材料熔体静置5min，经扒渣后出炉浇注成坯，即制得铝基复合材料。
[0061]实施例3
[0062]本实施例提供等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法。
[0063]等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的具体步骤如下：
[0064]1)将粒径范围为0.5~10μm的SiC增强体颗粒，在使用前置于120℃烘箱中干燥2h，添加到载气送粉器中;
[0065]2)将纯铝锭加入中频感应炉中，升温至710℃，待配料熔化后开启电磁搅拌装置，并保持熔体温度为710℃;
[0066]3)开启气体输送系统，将氩气经氩气输送管路输送至等离子炬反应腔室中，置换反应腔内的空气，氩气进气压力控制在0.5MPa，通气流量为4m3/h;
[0067]4)启动等离子体发生装置(等离子炬)，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，设置工作电流为400A，工作电压为60V，等离子炬冷却系统的冷却水压力控制在0.5MPa，冷却水流量为9L/min;
[0068]5)启动载气送粉器，将SiC增强体颗粒和氩气经由送粉管路输入等离子体控温装置的内部腔室，控制送粉速率为1000g/min;
[0069]6)启动等离子体控温装置，设置控温装置冷却系统的冷却水压力为0.5MPa，冷却水流量为8L/min，调控等离子体/氩气/增强体颗粒组成的三相混合射流温度为760℃，将混合射流经输送导管通入熔体内部，使混合射流直接作用于熔体;移动混合射流的输送导管，使混合射流作用于熔体各部位;
[0070]7)当注入的增强体颗粒在熔体中质量分数达到10%时，即停止送粉，将得到的复合材料熔体静置5min，经扒渣后出炉浇注成坯，即制得铝基复合材料。
[0071]对比例1
[0072]本对比例提供氩气辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，具体步骤如下：
[0073]1)将粒径范围为5~30μm的TiB2增强体颗粒，在使用前置于120℃烘箱中干燥2h，添加到载气送粉器中;
[0074]2)采用纯度为99.9%的精铝锭、纯锌锭、纯镁锭，以及Al-50wt%Cu、Al-10wt%Zr和Al-2wt%Sc中间合金，按照以下重量百分比进行配料：Zn 11.0%，Mg 2.4%，Cu 1.0%，Zr0.1%，Sc 0.1%，余量为Al;
[0075]3)将配料的各组分依次加入中频感应炉中，升温至730℃，待配料熔化后开启电磁搅拌装置使铝合金熔体各组分均匀混合，并保持熔体温度为730℃;
[0076]4)启动载气送粉器，将TiB2增强体颗粒和氩气经由输送导管直接通入铝熔体内部，控制送粉速率为1000g/min;
[0077]5)移动氩气/增强体颗粒气固两相流的输送导管，使两相混合射流作用于熔体各部位;
[0078]6)当注入的增强体颗粒在熔体中质量分数达到10%时，即停止送粉，将得到的复合材料熔体静置5min，经扒渣后出炉浇注成坯，即制得铝基复合材料。
[0079]对比例2
[0080]本对比例提供等离子体辅助熔炼制备铝基复合材料的方法，具体步骤如下：
[0081]1)将粒径范围为5~30μm的TiB2增强体颗粒，在使用前置于120℃烘箱中干燥2h，添加到载气送粉器中;
[0082]2)采用纯度为99.9%的精铝锭、纯锌锭、纯镁锭，以及Al-50wt%Cu、Al-10wt%Zr和Al-2wt%Sc中间合金，按照以下重量百分比进行配料：Zn 11.0%，Mg 2.4%，Cu 1.0%，Zr0.1%，Sc 0.1%，余量为Al;
[0083]3)将配料的各组分依次加入中频感应炉中，升温至730℃，待配料熔化后开启电磁搅拌装置使铝合金熔体各组分均匀混合，并保持熔体温度为730℃;
[0084]4)开启气体输送系统，将氩气经氩气输送管路输送至等离子炬反应腔室中，置换反应腔内的空气，氩气进气压力控制在0.5MPa，通气流量为4m3/h;
[0085]5)启动等离子体发生装置(等离子炬)，对等离子炬内的阴、阳极施加电压，将氩气电离成等离子体，设置工作电流为400A，工作电压为60V，等离子炬冷却系统的冷却水压力控制在0.5MPa，冷却水流量为9L/min;
[0086]6)启动载气送粉器，将TiB2增强体颗粒和氩气经由送粉管路输入等离子体控温装置的内部腔室，控制送粉速率为1000g/min;
[0087]7)启动等离子体控温装置，设置控温装置冷却系统的冷却水压力为0.4MPa，冷却水流量为5L/min，调控等离子体/氩气/增强体颗粒组成的三相混合射流温度为1200℃，将混合射流经输送导管通入熔体内部，使混合射流直接作用于熔体;移动混合射流的输送导管，使混合射流作用于熔体各部位;
[0088]8)当注入的增强体颗粒在熔体中质量分数达到10%时，即停止送粉，将得到的复合材料熔体静置5min，经扒渣后出炉浇注成坯，即制得铝基复合材料。
[0089]性能测试：
[0090]1、使用扫描电镜观察实施例1和对比例1制备的TiB2颗粒增强铝基复合材料，如图3所示，图3中的a图为实施例1，b图为对比例1，图中的黑色块状物为熔炼时添加的TiB2颗粒，白色网状或链状物为Al2Mg3Zn3相，白色块状或棒状物则为MgZn2相。对比图像可知，实施例1中TiB2颗粒在铝基体内呈现均匀分布，而对比例1中则出现明显团聚及分布不均匀现象。这表明，采用本发明的等离子体辅助熔炼制备的铝基复合材料，其增强体颗粒在基体中分散均匀性要明显优于普通熔炼工艺。
[0091]2、按照GBT-228.1-2021《金属材料-拉伸试验-第1部分：室温试验方法》的标准对本发明的实施例1、对比例1和对比例2制备得到铸态TiB2颗粒增强铝基复合材料进行室温力学性能测试，其屈服强度、抗拉强度和延伸率的测试结果列于表1。
[0092]从表1结果可知，采用本方法制备的TiB2颗粒增强铝基复合材料在力学性能上显著优于普通颗粒直加熔铸法。等离子体辅助熔炼促进了增强体颗粒与铝基体间的良好界面结合，同时实现了颗粒的均匀分散，从而有效提升了复合材料的综合力学性能。在对比例2中，由于三相混合射流进入熔体时的温度过高，导致铝熔体出现过热和吸气现象。高温促使铝熔体表面氧化膜(Al2O3)破裂，暴露的新鲜铝液与空气接触后发生氧化并吸入水分，致使熔体内部的氧化夹杂和氢含量增加。同时，高温还引起Zn、Mg等合金元素的烧损，使复合材料中的Zn、Mg含量明显低于正常值。过高的三相混合射流温度降低了熔体纯净度与成分稳定性，最终导致复合材料力学性能显著下降。
[0093]综上所述，本方法通过利用等离子体的高能量与高活性，有效分散颗粒团聚现象并活化陶瓷颗粒表面，提升颗粒与铝基体的润湿性。通过控温装置精确调控三相混合射流温度，有效避免因高温等离子对熔体造成的氧化、吸氢和元素烧损的不利影响。采用输送导管将混合射流直接引入熔体内，借助等离子体射流的高能量与高速特性，在熔体中产生强烈流体扰动，显著提升了增强体颗粒在基体中的均匀分散效果。
[0094]上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
说明书附图(3)
