TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法技术

本发明专利技术TiC‑TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，涉及铝基合金，将所需量的商购的Al粉，Ti粉，B4C和石墨烯按照质量分数比为5:5:1:0.05进行配比，完成配置原料；高能球磨、外加冷压和原位自生反应制备母合金；快速凝固技术制备TiC‑TiB2/Al复合孕育剂；本发明专利技术方法克服了现有技术中所制备的孕育剂存在增强体颗粒尺寸粗大、分布不均匀、容易聚集、热力学性能不稳定和界面结合强度低的缺陷，也克服了所用原料昂贵和工艺耗能较高的缺陷。

Preparation of TiC-TiB2/Al Composite Inoculant

【技术实现步骤摘要】
TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法
本专利技术的技术方案涉及铝基合金，具体地说是TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法。
技术介绍
在铝及铝合金熔体中加入孕育剂是一种公认的，让晶粒由粗大的树枝晶变化到等轴晶的有效方法之一，并且在孕育剂的运用中，其加入量都比较微量，一般的加入用量为基体材料量的千分之几到百分之几。早先使用的孕育剂都是通过传统的制备方法来制得的，例如先采用粉末冶金法、喷射成型法或各种铸造技术制备出基体材料，然后外加颗粒增强相，例如SiC、NbC、Al2O3、ZrO、B4C或AlB2颗粒加入处于熔融状态或粉末状态的基体材料中,由此制备出相应需要的孕育剂。这种外加增强相方法所制备的孕育剂存在增强体颗粒尺寸粗大、热力学性能不稳定以及界面结合强度低的缺点。现有技术中，CN102787260B公开了用于铝合金晶粒细化的超细晶孕育剂的制备方法，为了得到尺寸更细小、分布更弥散的形核粒子TiAl3，需要添加昂贵的稀土元素Ce；CN102864343B公开了一种原位铝基复合材料孕育剂的制备方法，工艺中块状的Al-10Ti-1B合金需经等离子氮化处理，耗能较高；CN105950921B公开了一种原位自生的铝基复合材料孕育剂的制备方法，需要添加昂贵的稀土元素Ce以及配料要放入高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，耗能较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，采用高能球磨和外加冷压的方法，利用原位自生反应和快速凝固技术制得薄带状TiC-TiB2/Al复合孕育剂，克服了现有技术中所制备的孕育剂存在增强体颗粒尺寸粗大、分布不均匀、容易聚集、热力学性能不稳定和界面结合强度低的缺陷，也克服了所用原料昂贵和工艺耗能较高的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，采用高能球磨和外加冷压的方法，利用原位自生反应和快速凝固技术制得薄带状TiC-TiB2/Al复合孕育剂，具体步骤如下：第一步，配置原料：将所需量的商购的Al粉，Ti粉，B4C和石墨烯按照质量分数比为5:5:1:0.05进行配比，完成配置原料；第二步，制备母合金：将上述第一步配置好的原料放在内径为5cm，高为6cm的球磨罐中，填充满无水乙醇，设置真空度为5×100MPa，球磨转速为300r/min，球磨时间为10h，球磨完成后取出湿磨得到的粉体放到真空干燥箱中烘干，设置真空度为5×100MPa，温度为80℃，时间为12h，然后，取出真空干燥箱中的粉体，在压力机上施加300MPa压力，并保持15min，得到块体，再将该块体放置在真空度为5×100MPa的真空管式炉中按照以下参数设置分段进行烧结：200℃烧结20min，350℃烧结30min，550℃烧结30min，850℃烧结30min，950℃烧结10min，由此制得母合金；第三步，制备TiC-TiB2/Al复合孕育剂：将上述第二步制得的母合金放在真空快淬炉中进行快速凝固处理，具体操作是，将该母合金放置于真空快淬炉的铜坩埚中，铜坩埚需要用烧纸打磨并用无水乙醇擦干净去除杂质，真空快淬炉保持真空度为5×10-3Pa，并使用氩气作为保护气，通过晃动钨极头的火焰使铜坩埚里的母合金全部熔化，再将该母合金熔体匀速流到高速旋转的钼轮上，此过程一直伴随有循环的冷却水，钼轮的转速为2000～8000r/min，冷速为104～107K/S，由此制得长度为5～50mm，宽度为2～5mm和厚度为0.04～0.1mm的TiC-TiB2/Al薄带，即TiC-TiB2/Al复合孕育剂。上述TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，所述压力机为TYE-2000B压力试验机。上述TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，所述真空快淬炉为LZK-12A型真空快淬炉。上述TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，所涉及的原料和设备通过公知途径获得，操作工艺是本
的技术人员能够掌握的。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的突出的实质性特点如下：(1)本专利技术的突出的实质性特点之一是利用原位自生方法合成孕育剂。原位自生指的是增强体颗粒并非外部加入，而是由基体组分间进行化学反应并在在基体内原位生成一种或几种增强相。(2)从理论上说，本专利技术的纳米原位自生TiC-TiB2/Al复合孕育剂的生成原理是，根据提出的晶格错配理论，当错配度小于6％时，异质形核的细化效果最佳；当错配度处于6％～12％时，形核颗粒的细化效果次之；当错配度大于12％时，异质形核颗粒的细化效果很差。TiC是一种非常细小弥散的陶瓷颗粒，常用在硬质合金和机械加工中，而在本专利技术中首次使用石墨烯合成TiC。TiC是立方晶系，点阵常数为a＝0.432nm，其晶体结构与铝的面心立方结构相近，晶体错配度很小，因此可以作为异质形核的有效的形核核心。(3)本专利技术的TiC-TiB2/Al复合孕育剂是通过原位自生反应生成的，其突出的实质性首先是，原位生成技术对于增强颗粒的尺寸和分布是可控的，通过改变制备母合金的条件和快速凝固处理技术，能够获得人们所期望得到的增强颗粒。其次，由于这些增强体是直接在基体上生成的，因此，①颗粒的表面干净无污染且与基体润湿性较好，这就使得增强体与基体之间具备了较好的界面结合性能，②无界面反应，热稳定性好，③增强颗粒细小，可达到亚微米甚至纳米级。(4)本专利技术方法是将金属粉和陶瓷粉作为原料来制备薄带状纳米原位自生TiC-TiB2/Al复合孕育剂，采用了优于现有技术使用中间合金的技术原位合成，直接在铝基体上形成TiC原位的增强颗粒，制备出复合孕育剂材料。由于原位合成温度低于各个组分的熔点，可以减少因温度过高而引起的组分挥发和反应不均匀的缺点，节约了孕育剂材料的生产成本，因此本专利技术方法的效率极高同时还降低了生产成本。与现有技术相比，本专利技术的显著进步如下：(1)本专利技术方法还采用真空快淬炉内进行快速凝固处理的方法，由此制得的薄带状纳米原位自生TiC-TiB2/Al复合孕育剂中的形核粒子相的尺寸被极大地细化，这有利于获得更多的形核核心，进而提高细化效果。(2)本专利技术方法最终制得的原位TiC-TiB2/Al复合孕育剂具有尺寸更为细小和分布更为弥散的形核粒子，其在铝基复合材料中的原位增强颗粒在基体上弥散分布，克服了现有技术所制得的孕育剂颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。(3)与现有技术CN102787260B用于铝合金晶粒细化的超细晶孕育剂的制备方法相比，本专利技术方法工艺过程中所得到的母合金中的Al3Ti本身就比较细小，没有大片状的割裂基体，本专利技术方法也不需要添加昂贵的稀土元素Ce。(4)与现有技术CN102864343B一种原位铝基复合材料孕育剂的制备方法相比，本专利技术中采用的是用球磨和低温烧结，烧结温度最终仅为950℃，且整体制备过程中节约能源，成本低廉，易实现较大规模生产应用。另外，AlN-TiN/Al孕育剂的制备是通过钼轮的旋转达到细化增强颗粒尺寸的目的，钼轮的冷却速率低，得到的增强相的尺寸为大尺寸的微米级，而本专利技术中所使用的真空快淬炉为铜轮，相比钼轮有更快的冷却速度和转速，因此可以极大的细化增强颗粒的尺寸且改善了在基体中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.TiC‑TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，其特征在于：采用高能球磨和外加冷压的方法，利用原位自生反应和快速凝固技术制得薄带状TiC‑TiB2/Al复合孕育剂，具体步骤如下：第一步，配置原料：将所需量的商购的Al粉，Ti粉，B4C和石墨烯按照质量分数比为5:5:1:0.05进行配比，完成配置原料；第二步，制备母合金：将上述第一步配置好的原料放在内径为5cm，高为6cm的球磨罐中，填充满无水乙醇，设置真空度为5Í10

【技术特征摘要】
1.TiC-TiB2/Al复合孕育剂的制备方法，其特征在于：采用高能球磨和外加冷压的方法，利用原位自生反应和快速凝固技术制得薄带状TiC-TiB2/Al复合孕育剂，具体步骤如下：第一步，配置原料：将所需量的商购的Al粉，Ti粉，B4C和石墨烯按照质量分数比为5:5:1:0.05进行配比，完成配置原料；第二步，制备母合金：将上述第一步配置好的原料放在内径为5cm，高为6cm的球磨罐中，填充满无水乙醇，设置真空度为5Í100MPa，球磨转速为300r/min，球磨时间为10h，球磨完成后取出湿磨得到的粉体放到真空干燥箱中烘干，设置真空度为5100MPa，温度为80℃，时间为12h，然后，取出真空干燥箱中的粉体，在压力机上施加300MPa压力，并保持15min，得到块体，再将该块体放置在真空度为5100MPa的真空管式炉中按照以下参数设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔春翔，李崇超，王新，赵立臣，刘水清，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12