本发明专利技术属于复合材料领域，公开了一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该复合材料包括作为基体的铝合金，以及在基体内部原位生成的亚微米级的TiB2颗粒。所述方法包括如下步骤：（1）制备Al3Ti/Al中间复合材料；（2）制备AlB2/Al中间复合材料；（3）制备TiB2/Al复合材料。本制备方法工艺简单，操作易行，制备出的TiB2/Al复合材料颗粒细小且分布更加均匀。
【技术实现步骤摘要】
一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
陶瓷颗粒与铝合金的复合，利用陶瓷高强度和高硬度来增强铝合金基体，得到的陶瓷颗粒增强铝基复合材料表现出优异的性能，如低密度、高的比强度和比刚度、高弹性模量、耐磨性能好、高热导率和低的热膨胀系数。因此，陶瓷颗粒增强铝基复合材料在航空航天以及汽车发动机领域具有广阔的应用前景。长久以来，铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法，接触反应法等，但由于这些传统的制备方法存在成本高，工艺复杂，量产困难、外加增强相颗粒表面污染以及相容性等问题。原位自生法能够有效解决增强相颗粒与金属基体相容性好以及颗粒物污染等问题，同时工艺简单，易于操作量产等优点。作为铝基复合材料增强相TiB2颗粒，与SiC、TiC、Al2O3、Al3Ti等增强相相比具有与铝基体相容性好，以及高的强度、熔点、硬度、耐磨性以及合成成本低等优点，因此，TiB2颗粒增强铝基复合材料具有较为优异的综合性能。目前制备原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料最普遍的方法为氟盐法，该方法是将Ti、B原子比为1∶2的K2TiF6粉末以及KBF4粉末充分混合加入到铝熔体中进行三步反应并且搅拌从而生成TiB2颗粒，该方法工艺较简单，成本低，具有良好的量产化前景。但该方法在高温的铝熔体中进行的三步反应具有不可控性，会产生歧化反应，且该方法原位生成的TiB2颗粒通常颗粒尺寸较大，难以获得细小的亚微米级别TiB2颗粒，而且TiB2颗粒在基体中分布不均匀，严重影响了最终制得的复合材料性能。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该制备方法很好地解决了TiB2/Al复合材料中TiB2颗粒偏大且分布不均的问题，同时杜绝了氟盐在铝熔体当中的歧化反应，制备的TiB2/Al复合材料中TiB2颗粒纯度较高，TiB2/Al复合材料性能优异。本专利技术提供一种TiB2/Al复合材料，该复合材料包括作为基体的铝合金，以及在基体内部原位生成的TiB2颗粒。优选地，上述TiB2/Al复合材料中，所述TiB2颗粒大小为亚微米级，即100~1000nm之间，例如100~800nm、200~600nm。进一步的，本专利技术还提供上述TiB2/Al复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）制备Al3Ti/Al中间复合材料：铝合金熔体与K2TiF6反应，浇注而成；（2）制备AlB2/Al中间复合材料：铝合金熔体与KBF4反应，浇注而成；（3）制备TiB2/Al复合材料：由上述Al3Ti/Al中间复合材料与AlB2/Al中间复合材料的熔体反应，浇注得到。根据本专利技术的技术方案，所述TiB2/Al复合材料的制备方法具体包括以下步骤：（1）制备Al3Ti/Al中间复合材料：（1-1）将铝合金熔化成铝合金熔体；（1-2）将上述铝合金熔体搅拌形成漩涡，向漩涡中加入K2TiF6粉末，保温搅拌后静置；（1-3）向步骤（1-2）的熔体中加入精炼剂，待精炼剂在熔体中反应完全后，将反应副产物及熔体表面的氧化物扒渣；（1-4）步骤（1-3）完成后，将熔体倒入预热好的模具中进行浇注；（2）制备AlB2/Al中间复合材料：（2-1）将铝合金熔化成铝合金熔体；（2-2）将上述铝合金熔体搅拌形成漩涡，向漩涡中加入KBF4粉末，保温搅拌后静置；（2-3）向步骤（1-2）的熔体中加入精炼剂，待精炼剂在熔体中反应完全后，将反应副产物及熔体表面氧化物扒渣；（2-4）步骤（1-3）完成后，将熔体倒入预热好的模具中进行浇注；（3）制备TiB2/Al复合材料：（3-1）将步骤（1）得到的Al3Ti/Al中间复合材料与步骤（2）得到的AlB2/Al中间复合材料熔化成复合材料熔体；（3-2）将上述复合材料熔体搅拌形成漩涡，保温搅拌后静置；（3-3）向步骤（3-2）熔体中加入精炼剂，待精炼剂在熔体中反应完全后，将反应副产物及熔体表面氧化物扒渣；（3-4）步骤（3-3）完成后，将熔体倒入预热好的模具中进行浇注。其中，上述制备方法步骤（1-2）中，所述K2TiF6粉末的加入量按TiB2/Al复合材料Ti元素的含量计算。其中，上述制备方法步骤（2-2）中，所述KBF4粉末的加入量按TiB2/Al复合材料B元素的含量计算。其中，上述制备方法步骤（1-2）与步骤（2-2）中，所加入的K2TiF6粉末中Ti元素含量与KBF4粉末中的B元素的原子比为（0.9~1.2）∶2，例如1.1∶2。其中，上述制备方法步骤（3-1）中，所述Al3Ti/Al复合材料与AlB2/Al中间复合材料为等质量。其中，上述制备方法步骤（1-1）、（2-1）、（3-1）中，所述熔化的温度为700~900℃，例如850℃；所述铝合金选自ZL109铝合金。其中，上述制备方法步骤（1-2）、（2-2）、（3-2）中，所述搅拌选用石磨棒进行搅拌，搅拌转速500~700r/min，例如600r/min；搅拌时间5~20min，如10min。其中，上述制备方法步骤（1-2）、（2-2）、（3-2）中，所述静置的时间为20~40min，例如30min。其中，上述制备方法步骤（1-3）、（2-3）、（3-3）中，所述精炼剂为六氯乙烷，其用量为铝合金熔体质量的0.5~2%，优选为1%。其中，上述制备方法步骤（1-4）、（2-4）、（3-4）中，所述预热好的模具的温度为150~200℃，预热时间0.5~1.5h，例如180℃预热1h；所述浇筑的温度为700~900℃，例如800℃。优选地，上述制备方法中所述铝合金、Al3Ti/Al中间复合材料、AlB2/Al中间复合材料在熔化前均需打磨除杂和干燥除水；如90~120℃干燥2~3h。优选地，上述制备方法中所述KBF4粉末、K2TiF6粉末加入熔体前均需干燥除水，如90~120℃干燥2~3h。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）防止三步原位反应中产生歧化反应（K2TiF6和KBF4两种氟盐在高温同时反应会有歧化反应）；（2）通过三步反应制备法使得最终生成的TiB2颗粒在铝基体中分布更加均匀，颗粒尺寸更加细小，为亚微米级，能够有效提升复合材料的性能。在传统的氟盐法制备TiB2/Al复合材料过程中，由于三步反应在高温下进行，反应不可控易于产生歧化反应，同时三步反应为放热反应，三种反应同时进行会放出大量的热量导致铝熔体温度升高，相对的降低了过冷度从而导致生成TiB2颗粒尺寸过大。同时由于产生的副产物KAlF4、K3AlF6等会使铝熔体搅拌困难，无法使生成的TiB2颗粒在铝合金熔体中充分扩散。本制备方法将三步反应拆解成逐步反应，可杜绝高温下发生歧化反应且由于单一反应放热低可减小生成的TiB2颗粒尺寸，与此同时由于三步逐步反应产生的副产物含量低（以铝合金基体为250g为例，第一步反应的副产物含量值为45~55g，第二步反应的副产物含量值为30~45g，第三步无副反应物）可进行充分搅拌且搅拌次数增多使得TiB2颗粒在铝合金基体中充分均匀化。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的TiB2/Al复合材料的XRD图谱；图2为对比例1传统氟盐法制备的TiB2/Al复合材料的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种TiB2/Al复合材料，其特征在于，该复合材料包括作为基体的铝合金，以及在基体内部原位生成的TiB2颗粒。
【技术特征摘要】
1.一种TiB2/Al复合材料，其特征在于，该复合材料包括作为基体的铝合金，以及在基体内部原位生成的TiB2颗粒。2.根据权利要求1所述的TiB2/Al复合材料，其特征在于，所述TiB2颗粒大小为亚微米级，即100~1000nm之间。3.权利要求1或2所述TiB2/Al复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）制备Al3Ti/Al中间复合材料：铝合金熔体与K2TiF6反应，浇注而成；（2）制备AlB2/Al中间复合材料：铝合金熔体与KBF4反应，浇注而成；（3）制备TiB2/Al复合材料：由上述Al3Ti/Al中间复合材料与AlB2/Al中间复合材料的熔体反应，浇注得到。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述TiB2/Al复合材料的制备方法具体包括以下步骤：（1）制备Al3Ti/Al中间复合材料：（1-1）将铝合金熔化成铝合金熔体；（1-2）将上述铝合金熔体搅拌形成漩涡，向漩涡中加入K2TiF6粉末，保温搅拌后静置；（1-3）向步骤（1-2）的熔体中加入精炼剂，待精炼剂在熔体中反应完全后，将反应副产物及熔体表面的氧化物扒渣；（1-4）步骤（1-3）完成后，将熔体倒入预热好的模具中进行浇注；（2）制备AlB2/Al中间复合材料：（2-1）将铝合金熔化成铝合金熔体；（2-2）将上述铝合金熔体搅拌形成漩涡，向漩涡中加入KBF4粉末，保温搅拌后静置；（2-3）向步骤（1-2）的熔体中加入精炼剂，待精炼剂在熔体中反应完全后，将反应副产物及熔体表面氧化物扒渣；（2-4）步骤（1-3）完成后，将熔体倒入预热好的模具中进行浇注；（3）制备TiB2/Al复合材料：（3-1）将步骤（1）得到的Al3Ti/Al中间复合材料与步骤（2）得到的AlB2/Al中间复合材料熔化成复合材料熔体；（3-2）将上述复合材料熔体搅拌形成漩涡，保温搅拌后静置；（...
【专利技术属性】
技术研发人员：林建国，郑兆宏，龚伦军，张德闯，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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