一种制备纳米颗粒增强铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术公开一种制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法。首先将纳米陶瓷粉、微米级铝或铝合金粉混合粉末在真空或氩气保护下，通过干式高能球磨制备出纳米陶瓷颗粒体积分数为10～50％的毫米级复合颗粒。然后将毫米级复合颗粒直接熔化或者添加到铝或铝合金熔体中，并施加超声振动，促进纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，制备出纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。本发明专利技术中干磨法制得的毫米级复合颗粒可以很容易地完全加入到金属熔体中，解决了纳米陶瓷颗粒与基体金属的润湿性差、难以加入的难题，同时发挥了铸造法制备金属基复合材料的低成本优势。制备的复合材料中纳米颗粒分布均匀，材料性能高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料(MMCs)及其制备成形领域，涉及一种制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
纳米陶瓷颗粒(如SiC、TiC、MgO, A1203、S12,1^2等)增强铝基复合材料具有质量轻、高硬度、高比强度、高比刚度和耐磨等优异性能，在航空航天、汽车等工业领域具有广阔的应用前景，已经得到广泛关注与研究。通常，纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法分为原位法与外加法。原位法温度高，反应速度快不易控制，合成的陶瓷颗粒尺寸难以控制在纳米级别范围内，并且原位法只能合成有限种类的陶瓷颗粒。外加法的主要难点在于纳米陶瓷颗粒与金属基体的润湿性差，纳米陶瓷颗粒难以加入到金属熔体中去，阻碍了其发展。将陶瓷颗粒与基体合金粉末混合，进行高能球磨，球磨过程中合金粉末经过不断重复的变形冷焊、破碎，可实现增强颗粒与基体合金之间的原子结合，并获得陶瓷颗粒/金属复合粉末。将这些复合粉末加入到液态金属中，陶瓷颗粒四周的金属虽然会因熔化而脱落，但在毛细力、范德华力以及熔体静压力的共同作用下，颗粒表面仍会保留一薄金属层，与熔体属于金属/金属界面，有望改善增强颗粒与熔体的润湿性。高能球磨一般分为湿磨法和干磨法，目前所见文献中制备颗粒增强铝基复合材料的方法绝大多数为湿磨法。湿磨法在球磨时添加过程控制剂，其目的是为了降低基体合金粉末的冷焊程度，减小复合粉末的尺寸，以利于陶瓷颗粒在基体中的均匀分散，因此制备出的复合粉末非常细小，其粒径为微米级(通常在100 μ m以下)。然而，金兰等人(金兰，盖国胜，李建国，等.球磨法和搅拌铸造法制备SiCp/Al复合材料.稀有金属材料与工程，2009，38 (AOl):557-562)的研究表明，高能球磨制备的粒径为50?10ym ^ SiC/Al复合粉末难以全部添加到铝熔体中。主要是微米级复合粉末并未全部与金属熔体润湿，原因在于:一、复合粉末粒径越小，吸附在粉末表面的空气对润湿的阻碍作用越明显；二、微米级复合粉末加入铝合金熔体时氧化严重，表面形成一层不与铝合金熔体润湿的Al2O3;三、球磨后仍有少量的陶瓷颗粒分布在复合粉末表面。因此，采用合适的球磨工艺增大复合粉末的粒径，避免表层的氧化及吸附的空气对润湿的阻碍，同时，避免陶瓷颗粒在复合粉末的表面分布，才能将其顺利加入熔体。干磨式高能球磨不添加过程控制剂，金属粉末间的冷焊程度较高，可制备出粒径较大的复合颗粒。但是，目前关于干磨法制备金属基纳米复合材料的研究还非常少，现有少量的低转速(不超过200r/min)干磨法的球磨时间相对较长，纳米陶瓷颗粒在基体中的分散均匀性比湿磨法差。因此，解决纳米陶瓷颗粒与熔体的润湿性难题，提高纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的分散效率，对于促进金属基纳米复合材料的工业应用均具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的新方法，以解决纳米陶瓷颗粒与金属基体难以润湿、纳米陶瓷颗粒在金属熔体中分散性差的难题。本专利技术是通过以下技术方案实现的:首先将纳米陶瓷粉、微米级铝或铝合金粉混合粉末在真空或氩气保护下，通过干式高能球磨制备出纳米陶瓷颗粒体积分数为10?50%的毫米级复合颗粒；然后将复合颗粒直接熔化或者添加到铝或铝合金熔体中，并施加超声振动，促进纳米颗粒的均匀分散；最后将复合材料熔体压铸或挤压铸造成形，制得纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料零部件。作为上述技术方案的改进，该方法的具体实现步骤如下:(I)、将纳米陶瓷粉、铝或铝合金粉按纳米陶瓷粉占粉末总体积的10?50%进行配料，其中，所述纳米陶瓷粉的粒径为20?lOOnm，所述铝粉或铝合金粉的粒径为50?200 μπι ；(2)、将磨球加入到球磨罐中，将步骤I中粉末混合置于球磨罐中；所述磨球包括大磨球和小磨球两种尺寸；其中大磨球的直径为8?12mm，小磨球的直径为3?6_ ;大小磨球的质量比为1: (2?10)，大小磨球在金属球磨罐中的高度不低于球磨罐内腔深度的四分之一，且大磨球的数量大于等于10个；(3)、对球磨罐进行抽真空或通氩气，以300?500r/min的转速进行干磨，得到毫米级复合颗粒，并清洗磨球；(4)、将毫米级复合颗粒直接熔化或者通过机械搅拌法添加到铝或铝合金熔体中熔化，随后将熔体升温至660?680°C并保温2?3h，使毫米级复合颗粒充分重熔，促进纳米陶瓷颗粒在熔体中的预分散；添加毫米级复合颗粒时，金属熔体温度范围为液相线以下20°C?液相线以上30°C之内；(5)对复合金属熔体进行超声处理，实现纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散；超声起始温度为铝或铝合金的液相线以上20?100°C，超声处理停止时复合金属熔体的温度在液相线以下10°C?液相线以上40°C范围内；(6)将复合材料熔体压铸或挤压铸造成形，制得纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料零部件。只有提高纳米陶瓷颗粒的分散效果，才能充分发挥干磨法的优点，制备出尺寸较大的高质量复合颗粒。在干磨法制备的复合颗粒加入熔体重熔后，释放的纳米陶瓷颗粒能与铝合金熔体充分润湿，但颗粒的数量巨大，且颗粒间的范德华力较大，容易发生团聚，导致分布不均，降低了其对基体材料的强化作用。由于纳米颗粒粒径小，常规的机械或电磁搅拌所引起的恪体对流很难消除团聚现象。能有效消除纳米颗粒团聚的方法就是向金属恪体施加超声，主要是利用声空化产生的微区高温、高压和熔体射流，将团聚的纳米颗粒打散，并使其在声流的作用下均匀分散在熔体中。近年来，超声制备纳米陶瓷颗粒/金属基复合材料的研究都是将纳米颗粒直接加入熔体，再施加超声。然而，纳米颗粒与熔体不润湿，大部分漂浮在液面上，需经过较长时间的超声作用才能部分进入熔体。因此，这种单一的超声搅拌法分散外加纳米颗粒的效率非常低，制备少量(数百克)复合材料的时间通常在十几甚至几十分钟以上。因此，本专利技术将干式高能球磨与超声分散有机结合起来，解决了纳米陶瓷颗粒与基体金属的润湿性差、难以加入以及容易团聚的难题，同时发挥了铸造法制备金属基复合材料的低成本优势。具体而言，本专利技术具有以下有益效果:(I)采用本专利技术中的干式高能球磨工艺参数制得的复合颗粒可全部加入到铝合金熔体中。本专利技术的干式高能球磨工艺制备的复合颗粒的表面无纳米陶瓷颗粒，具有金属光泽；复合颗粒粒径较大(在0.1?2.5mm之间)，加入熔体时表层无氧化，可顺利进入熔体内部。而传统的湿磨法或低转速干磨法制得的复合粉末非常细小，表层常镶嵌或吸附大量的纳米陶瓷颗粒，而且加入熔体时表层氧化严重，阻碍了复合粉末与金属熔体的润湿，即使借助外力也很难完全进入到金属熔体中。(2)相对于传统球磨工艺，本专利技术中干式球磨工艺转速高(大于300r/min)，球磨时间短，效率高，采用本专利技术中的干式高能球磨工艺参数还可避免金属层冷焊于金属球磨罐的内表面，虽然有极少量金属层包覆在不锈钢磨球表面，但是，其厚度小于0.5_，很容易清除，实际上可以多次球磨之后再清洗磨球。(3)本专利技术结合了干式高能球磨与超声搅拌的优点，极大地提高了纳米颗粒增强铝基复合材料的制备效率。首先，以干式高能球磨制备的毫米级复合颗粒作为载体，将纳米颗粒带入铝合金熔体，实现了纳米陶瓷颗粒与熔体的润湿；其次，纳米陶瓷颗粒在复合颗粒内部的均匀分布，有利于重熔后纳米颗粒在超声作用下快速分散，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备纳米颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于，该方法首先将纳米陶瓷粉、微米级铝或铝合金粉混合粉末在真空或氩气保护下，通过干式高能球磨制备出纳米陶瓷颗粒体积分数为10～50％的毫米级复合颗粒；然后将复合颗粒直接熔化或者添加到铝或铝合金熔体中，并施加超声振动，促进纳米颗粒的均匀分散；最后将复合材料熔体压铸或挤压铸造成形，制得纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料零部件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕书林，肖攀，吴树森，毛有武，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42