热喷注铁颗粒制备铝铁合金的工艺方法

摘要

本发明涉及一种热喷注铁颗粒制备铝铁合金的工艺方法，其特征在于：首先熔制纯铝或铝合金熔体，熔体温度控制在液相线温度以上100-150℃；随后采用等离子喷涂设备在氩气或其他惰性气体保护下将粒径范围在1-50μm的铁颗粒喷注入熔制好的铝或铝合金熔体中，并对熔体加以搅拌，其中铁在整个熔体的含量范围是0.1wt%-40.0wt%。铁颗粒注入完成后，熔体保温一段时间，随后自然冷却至常温。本发明制备的铝铁合金成分均匀，其间的第二相成细小的颗粒状或近球状，且该工艺不需要任何变质处理，工艺简单、节能环保、成本低廉、可连续化作业。本发明涉及的工艺方法也适合制备含铬、镍、铜等高熔点元素的铝合金。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热喷注铁颗粒制备铝铁合金的工艺方法，属于金属材料制备技术领域，特别是铝铁合金铸造。

背景技术

铝铁系铸造合金不仅具有密度低、比强度高（高于优质钢）、塑性好（易于加工成各种型材）、优良的导热导电性，而且具有较高的硬度、良好的耐热性和优异的抗硫化腐蚀特性，再加上铝铁矿原料丰富和价格低廉，使得其成为了航空航天工业中极具竞争力的高温结构材料；可用以制造常规铝合金无法服役的高温构件，如火箭和导弹的壳体与尾翼，以及飞机轮毂、蒙皮、航空发动机低温叶片、汽缸头等耐热零部件。同时，铝铁合金还可以制备梯度功能材料，使得材料不同部位表现出不同的功能特性。因此，铝铁合金的制备及其产品的开发受到了国内外各行业的高度重视。

铝铁合金的熔制温度较高，大多在1000℃以上，铁含量越高，熔制温度越高，耗能越大，且合金的烧损和吸气越严重，难以得到质量较好的产品；此外，在凝固过程中，铁在铝中的固溶度很低，一旦铁含量超过了其固溶度，就会和铝形成质脆且粗大的针状或片状组织，将成为应力集中源，严重割裂基体，大幅度降低合金的力学性能；同时，粗大的针状或片状组织降低了合金的流动性，铸造过程中非常容易阻塞补缩通道，将导致严重的铸造缺陷。因此，国内外对改变铝铁相的形貌以改善铝铁合金的微观组织形态进行了各种各样的细化或球化的方法研究。目前主要的方法有：添加合金元素变质处理、快速凝固、机械合金化、铸件强塑性变形、固液混合铸造等方法。变质处理可改变铝铁合金中粗大的铝铁相的形貌和分布，常用的添加元素有Ca、Co、Mg、Mn、Be等，这种化学添加工艺能起到细化铝铁相的作用，但是添加的合金元素会污染合金，且对含铁量较高的合金起不到细化作用。快速凝固和机械合金化技术能显著扩大合金元素固溶极限，使夹杂物和析出相全部固溶或呈细小颗粒弥散分布，同时还能强烈抑制成分偏析，获得高度细化的组织，但其成本较高；且快速凝固技术要求熔化温度极高，导致熔制设备和炉体造价昂贵，此外高温熔制会造成很大的合金烧损。强塑性变形方法能显著细化组织和铝铁相，增加铁元素在铝基体中的固溶度，但强塑性加工工序复杂，得到的试样尺寸较小，且仅适用于铁含量较低的铝铁合金。固液混合铸造方法能有效地阻止针状或片状组成的形成，得到铁含量较高且组织细化的铝铁合金，但因其在铁的引入方面没有对铁颗粒进行表面活化，导致合金中存在很多如氧化物之类的杂质，且不容易形成优良的铝铁相。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热喷注铁颗粒制备铝铁合金的工艺方法，即：首先将铁颗粒通过等离子发生器上产生的高温电弧形成熔化-半熔化状态，形成充分活化的、细小的近球状的液态或半液态颗粒；并在具有保护性的氩气或其它惰性气体中获得极大的动能，高速注入铝或铝合金熔体中。同时，对熔体施以搅拌使得铁在熔体中混合的更加均匀，铁与铝反应形成铝铁相；随后对混合均匀的铝铁合金熔体施以一定时间的保温，然后自然冷却至常温。最终获得成分均匀，铝铁相呈细小的颗粒状或近球状的铝铁合金。该工艺不需要任何变质处理，工艺简单、节能环保、成本低廉、可连续化作业，克服了现有技术的不足。

本发明的技术方案是热喷注制备铝铁合金的工艺方法，合金中的铁含量为0.1 wt%-40.0 wt%,铝铁相呈细小的颗粒状分布于铝基体中，其尺寸在50μm以下。通过以下工艺方案来实现。

（1）首先熔制纯铝或铝合金熔体，熔体温度控制在液相线温度以上100-150℃。

（2）选用纯度不低于99.9%，且粒径范围在1-50μm之间的铁颗粒，并在80-150℃的环境中进行烘烤0.5-3h；随后采用等离子喷涂设备在氩气或其它惰性气体保护下将其喷注入熔制好的铝或合金熔体中，并对熔体加以搅拌使之均化，搅拌的方式可采用机械搅拌、电磁搅拌或惰性气体搅拌等多种不破坏熔液成分的搅拌方式；其中，等离子弧电流为300-800A，等离子弧电压为45-95V，氩气或其他惰性气体的压力为1-10MPa，气体喷注流量为0.1-1L/s。

（3）铁颗粒喷注入铝或铝合金熔体完成后，熔体需保温0.5-5h，随后自然冷却至常温。

本发明的优点如下。

（1）制备的铝铁合金具有很好的球形化第二相。铝铁合金组织主要由铝基体和均匀分布于铝基体的细小球形相组成。铁颗粒在进入合金熔体中由于表面张力的作用呈球形，且与铝液温差较大，能够快速凝固呈近球形固态，有效的阻止了铝铁相向针状或片状趋势生长；同时对铝熔体进行搅拌均化，进一步起到细化铝铁相的作用，最终使铝铁合金具有轻质的同时，又具有高硬度和高耐磨性。

（2）工艺简单，成本低廉。本发明所提出的铝铁合金只需将铁颗粒直接喷注入铝或铝合金熔体中即可完成；其中采用的氩气或其它惰性气体保护的同时还可以起到精炼和部分搅拌的效果。

（3）合金纯度高，节能环保。本发明在铝铁合金制备中无需加入合金元素进行控制铝铁相的球形化生长，因此制备的合金纯度较高；同时也无需外加快冷设备或机械合金化大型设备，更无需变质处理。

附图说明

图1为含铁量为5 wt%的铝铁合金的SEM图。合金的化学成分为：Fe（5 wt%），其余为铝。合金组织致密，铝铁相以近球形结构均匀分布于合金基体中，尺寸大约为3-6μm。注入的铁颗粒的粒度范围为3-8μm。

图2为含铁量为15 wt%的铝铁合金的SEM图。合金的化学成分为：Fe（15 wt%），其余为铝。合金组织致密，铝铁相以近球形结构均匀分布于合金基体中，尺寸大约为8-15μm。注入的铁颗粒的粒度范围为8-18μm。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：制备含铁量为5 wt%的铝铁合金

首先熔制纯的铝熔体，温度控制在高于铝熔点的100℃，将纯度为99.90%的、粒径为3-6μm的铁颗粒在130℃条件下烘干0.5h；随后利用等离子喷涂设备在氩气保护下将干燥的铁颗粒喷注入熔制好的铝熔体中，其中等离子弧电流为450A，等离子弧电压为85V，氩气压力为3MPa，氩气流量为0.8L/s。在铁颗粒的喷注过程中，通过机械的方式对熔体进行搅拌使熔体均化。铁颗粒注入完成后，熔体保温0.15h，随后自然冷却至常温。最终获得含铁量为5 wt%的铝铁合金，其SEM图如图1所示。拉伸试验在微机控制电液伺服万能试验机上进行，抗拉强度σ _b = 370MPa，延伸率 δ = 4.7%，远高于普通铸造法得到的相当牌号的铝铁合金。

实施例2：制备含铁量为15 wt%的铝铁合金

首先熔制纯的铝熔体，温度控制在高于液相线以上150℃；随后利用等离子喷涂设备在氩气保护下将纯度为99.99%的、粒径为8-15μm的干燥铁颗粒喷注入合金熔体中，其中等离子弧电流为600A，等离子弧电压为75V，氩气压力为2MPa，氩气流量为0.3L/s；铁颗粒在注入前在80℃条件下烘干2.5h。在铁颗粒的喷注过程中，通过对熔体进行电磁搅拌使熔体均匀。铁颗粒喷注完成后，熔体保温1.5h，随后自然冷却至常温。最终获得含铁量为15 wt%的铝铁合金，其SEM图如图2所示。拉伸试验在微机控制电液伺服万能试验机上进行，抗拉强度σ _b = 390MPa，延伸率 δ = 4.3%，远高于普通铸造法得到的相当牌号的铝铁合金。