一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法，包括以下步骤：(1)含有内生纳米TiB2颗粒的强化剂的制备；(2)未强化合金的制备；(3)内生纳米TiB2颗粒强化剂强化处理铝合金；(4)强化后的铝合金热处理；该技术方案步骤较为简单，方案合理，TiB2纳米颗粒在熔体内分散均匀。经过强化处理后的铝合金的屈服强度、抗拉强度、塑性等都有较为明显的提高。强化后铝合金具有高强韧性。这一强化技术方案强化效果好，少量强化剂的加入即可使铝合金的拉伸性能大幅提高，这一技术方案为铝合金的薄壁轻量化提供了新的技术途径和解决思路，可以广泛应用于汽车、航空航天等领域，具有重要的实际生产应用价值。

A method of strengthening aluminum alloy by using endogenous nano TiB2 particles

The present invention relates to a method of strengthening the aluminum alloy with endogenous nano TiB2 particles, including the following steps: (1) preparation of an intensifier containing endogenous nano TiB2 particles; (2) preparation of unreinforced alloy; (3) endogenetic nano TiB2 particle intensifier to strengthen the treatment of aluminum alloy; (4) the heat treatment of the reinforced aluminum alloy; the technical scheme step Relatively simple, reasonable solution, TiB2 nanoparticles dispersed evenly in the melt. The yield strength, tensile strength and plasticity of the strengthened aluminum alloy have been obviously improved. After strengthening, the aluminum alloy has high strength and toughness. This enhanced technical scheme has a good strengthening effect. The addition of a small amount of fortifier can make the tensile properties of the aluminum alloy greatly improved. This technical scheme provides a new technical way and solution for the light weight of aluminum alloy. It can be widely used in automotive, aerospace and other areas. It has an important practical application price. Value.

【技术实现步骤摘要】
一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法
本专利技术涉及铝合金加工和铝合金零部件制备领域，具体涉及一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法。
技术介绍
近几年，随着汽车、轨道交通以及航空航天领域的不断发展，对于所需的材料性能的要求也越来越高。在对于材料质轻的要求的同时，还需要合金材料保持较高的力学性能。由于在现代运输业的应用中，材料往往会受到冲击载荷等因素的作用，通常情况下未经强化处理的铝合金的综合性能较差，易引发疲劳、断裂等。因此，在此基础上考虑向金属熔体内添加一种强化剂。对于铝合金来说，含有内生纳米陶瓷颗粒的金属陶瓷复合是一种较为理想的强化剂。纳米TiB2陶瓷颗粒具有比强度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀性较好以及电导率较高等特点，然而通常情况下陶瓷颗粒与铝基体的润湿性较差，传统铸造方法无法使纳米颗粒较好地分散于铝基体中，容易造成纳米颗粒的团聚。在铝基体中，引入纳米尺寸的TiB2陶瓷颗粒，采用Al-Ti-B体系作反应体系，利用燃烧合成反应在铝基体中制备原位内生纳米尺寸的陶铝复合材料作为铝合金的一种强化剂，其中纳米TiB2陶瓷颗粒分散均匀，可以作为强化剂用于铝合金的强化。采用内生纳米陶瓷颗粒强化铝合金的方法可以使陶瓷颗粒在熔体中分散均匀，有利于铝合金的强化。内生纳米TiB2颗粒陶铝复合中的纳米TiB2陶瓷颗粒作为一种纳米级的增强相，在复合中分散均匀，纳米颗粒彼此被金属间隔，不团聚。纳米颗粒在铝合金中可以通过细晶强化、奥罗万强化、钉扎晶界、热错配强化等强化铝合金。通过加入纳米颗粒强化铝合金可以增加铝合金的强韧性，有着重要的实际应用价值。纳米颗粒还可以提高铝合金的室温、高温性能，以及抵抗冲击载荷、抗疲劳、抗蠕变等性能，从而使得铝合金的应用领域进一步扩展，提高铝合金零部件的使用寿命，降低使用成本。纳米颗粒对铝合金性能的高效强化也为铝合金的薄壁轻量化提供了新的途径和思路，具有重要的实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法，包括如下步骤：(1)含有内生纳米TiB2颗粒的强化剂的制备：(1a)硼粉球磨活化预处理：将硼粉放入球磨罐中，用球磨机将硼粉以200～300r/min的速度球磨活化处理1～3h；(1b)反应压坯的制备：i、称取所需的粒度13～48μm的铝粉，球磨处理后粒度为0.5～1μm的硼粉以及粒度为13～45μm的钛粉，粒度为45μm的铜粉备用；ii、将铝粉、钛粉、硼粉、铜粉按以下几种配比配制成100g混合粉末制成Al-Ti-B-Cu压坯，其中，Ti/B质量比为2.22:和1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2和1:2.4；铝粉的含量为85～75wt.％；钛粉含量为6.88～13.77wt.％；硼粉含量为3.12～7.03wt.％；铜粉的含量为0～5wt.％，具体如下：①Al-Ti-B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为10wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：85克；钛粉：6.88克；硼粉：3.12克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末，纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；②Al-Ti-B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：75克；钛粉：13.77克；硼粉：6.23克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；③Al-Ti-B体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：80克；钛粉：12.97克；硼粉：7.03克；铜粉：0克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中Ti/B质量比为1.85:1，Ti/B摩尔比为1:2.4；ⅲ.将配制好的不同组分的粉料与氧化锆磨球放入混料机中，罐中盛有直径分别为5mm、7mm、11mm、15mm、20mm、22mm的ZrO2球，每种10个，ZrO2球质量共800g；混料机以30～60r/min的速度均匀混合8～32h；其中氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；ⅳ.将球磨混料的粉料取出，将球磨混好的粉料用铝箔包好，在液压机上冷压制成Φ30圆柱形压坯，高35～45mm；致密度为60～75％；(1c)压坯烧结原位反应：ⅰ.用石墨纸将步骤(1b)中制得的Φ30圆柱形压坯包裹好放入到石墨模具中；ⅱ.将石墨模具和Φ30圆柱形压坯放入到真空热爆炉中，关闭炉门，后抽真空至炉内压力低于10Pa；ⅲ.开始加热，加热速度设置为25～40K/min；加热升温至1183K,然后将温度降到1073K后保温10min，保温过程中同时对圆柱形压坯施加轴向25～55MPa压力，保压时间20～60s；反应后并经轴向压力致密化的圆柱形陶铝复合随炉在真空中冷却至室温；(2)未强化铝合金的制备：(2a)将预先称量好的铝合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；铝合金的成分为：Al-7.1Si-3.8Cu-0.1Fe；(2b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05-0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3)内生纳米TiB2颗粒强化剂强化处理铝合金：(3a)在将称量好的合金放入坩埚中随坩埚一起放入炉内后，升温至1123K；(3b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05～0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3c)将含有TiB2陶瓷颗粒的强化剂加入到合金液中，TiB2陶瓷颗粒的实际加入量为0.1wt.％～1.0wt.％，采用机械搅拌处理熔体60～180s；其中，TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1和1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2和1:2.4；(3d)对混合合金液采用超声处理熔体5～20min，促进含有TiB2陶瓷颗粒强化剂的均匀分散，强化处理时间为10～20min；(3e)对超声处理后的熔体进行第二次机械搅拌处理，时间为60～120s；(3f)将搅拌处理后的金属液浇铸到金属型模具内，得到纳米TiB2陶瓷颗粒强化铝合金的板状试样；(4)强化后的铝合金热处理：(4a)将强化后的铝合金在高温烘箱中进行固溶处理，固溶温度783K，固溶时间为6～15h，固溶处理后进行冷水淬火；(4b)在电热鼓风干燥箱中进行时效处理，时效温度438K，时效时间为8～18h。优选的，步骤(3f)中金属型模具的材质为：45#钢。优选的，步骤(3f)中金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。所述强化处理后的铝合金的各力学性能均得到了优化：添加TiB2纳米颗粒(Ti/B质量比为1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2.4)后，在最佳的强化条件下(强化剂添加量0.7wt.％)，合金的屈服强度、抗拉强度和断裂应变由未强化合金的225MPa、357MPa和7.6％，分别提高到了282MPa、419MPa和13.0％，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)含有内生纳米TiB2颗粒的强化剂的制备：(1a)硼粉球磨活化预处理：将硼粉放入球磨罐中，用球磨机将硼粉以200～300r/min的速度球磨活化处理1～3h；(1b)反应压坯的制备：i、称取所需的粒度13～48μm的铝粉，球磨处理后粒度为0.5～1μm的硼粉以及粒度为13～45μm的钛粉，粒度为45μm的铜粉备用；ii、将铝粉、钛粉、硼粉、铜粉按以下几种配比配制成100g混合粉末制成Al‑Ti‑B‑Cu压坯，其中，Ti/B质量比为2.22:和1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2和1:2.4；铝粉的含量为85～75wt.％；钛粉含量为6.88～13.77wt.％；硼粉含量为3.12～7.03wt.％；铜粉的含量为0～5wt.％，具体如下：①Al‑Ti‑B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为10wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：85克；钛粉：6.88克；硼粉：3.12克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；②Al‑Ti‑B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：75克；钛粉：13.77克；硼粉：6.23克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；③Al‑Ti‑B体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：80克；钛粉：12.97克；硼粉：7.03克；铜粉：0克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中Ti/B质量比为1.85:1，Ti/B摩尔比为1:2.4；ⅲ.将配制好的不同组分的粉料与氧化锆磨球放入混料机中，罐中盛有直径分别为5mm、7mm、11mm、15mm、20mm、22mm的ZrO2球，每种10个，ZrO2球质量共800g；混料机以30～60r/min的速度均匀混合8～32h；其中氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；ⅳ.将球磨混料的粉料取出，将球磨混好的粉料用铝箔包好，在液压机上冷压制成Φ30圆柱形压坯，高35～45mm；致密度为60～75％；(1c)压坯烧结原位反应：ⅰ.用石墨纸将步骤(1b)中制得的Φ30圆柱形压坯包裹好放入到石墨模具中；ⅱ.将石墨模具和Φ30圆柱形压坯放入到真空热爆炉中，关闭炉门，后抽真空至炉内压力低于10Pa；ⅲ.开始加热，加热速度设置为25～40K/min；加热升温至1183K,然后将温度降到1073K后保温10min，保温过程中同时对圆柱形压坯施加轴向25～55MPa压力，保压时间20～60s；反应后并经轴向压力致密化的圆柱形陶铝复合随炉在真空中冷却至室温；(2)未强化铝合金的制备：(2a)将预先称量好的铝合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；铝合金的成分为：Al‑7.1Si‑3.8Cu‑0.1Fe；(2b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05‑0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3)内生纳米TiB2颗粒强化剂强化处理铝合金：(3a)在将称量好的合金放入坩埚中随坩埚一起放入炉内后，升温至1123K；(3b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05～0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3c)将含有TiB2陶瓷颗粒的强化剂加入到合金液中，TiB2陶瓷颗粒的实际加入量为0.1wt.％～1.0wt.％，采用机械搅拌处理熔体60～180s；其中，TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1和1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2和1:2.4；(3d)对混合合金液采用超声处理熔体5～20min，促进含有TiB2陶瓷颗粒强化剂的均匀分散，强化处理时间为10～20min；(3e)对超声处理后的熔体进行第二次机械搅拌处理，时间为60～120s；(3f)将搅拌处理后的金属液浇铸到金属型模具内，得到纳米TiB2陶瓷颗粒强化铝合金的板状试样；(4)强化后的铝合金热处理：(4a)将强化后的铝合金在高温烘箱中进行固溶处理，固溶温度783K，固溶时间为6～15h，固溶处理后进行冷水淬火；(4b)在电热鼓风干燥箱中进行时效处理，时效温度438K，时效时间为8～18h。...

【技术特征摘要】
2017.06.12 CN 20171043650411.一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)含有内生纳米TiB2颗粒的强化剂的制备：(1a)硼粉球磨活化预处理：将硼粉放入球磨罐中，用球磨机将硼粉以200～300r/min的速度球磨活化处理1～3h；(1b)反应压坯的制备：i、称取所需的粒度13～48μm的铝粉，球磨处理后粒度为0.5～1μm的硼粉以及粒度为13～45μm的钛粉，粒度为45μm的铜粉备用；ii、将铝粉、钛粉、硼粉、铜粉按以下几种配比配制成100g混合粉末制成Al-Ti-B-Cu压坯，其中，Ti/B质量比为2.22:和1.85:1；Ti/B摩尔比为1:2和1:2.4；铝粉的含量为85～75wt.％；钛粉含量为6.88～13.77wt.％；硼粉含量为3.12～7.03wt.％；铜粉的含量为0～5wt.％，具体如下：①Al-Ti-B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为10wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：85克；钛粉：6.88克；硼粉：3.12克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；②Al-Ti-B–Cu体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：75克；钛粉：13.77克；硼粉：6.23克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1，Ti/B摩尔比为1:2；③Al-Ti-B体系中反应生成纳米TiB2陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：80克；钛粉：12.97克；硼粉：7.03克；铜粉：0克；配制成100克混合粉末；纳米TiB2陶瓷颗粒中Ti/B质量比为1.85:1，Ti/B摩尔比为1:2.4；ⅲ.将配制好的不同组分的粉料与氧化锆磨球放入混料机中，罐中盛有直径分别为5mm、7mm、11mm、15mm、20mm、22mm的ZrO2球，每种10个，ZrO2球质量共800g；混料机以30～60r/min的速度均匀混合8～32h；其中氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；ⅳ.将球磨混料的粉料取出，将球磨混好的粉料用铝箔包好，在液压机上冷压制成Φ3...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱丰，李强，董柏欣，姜启川，查敏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22