一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料领域。本发明专利技术所述方法采用TiO2粉末、KBF4粉末为原料，混合均匀、烘干、压制得到混合粉末坯，将混合粉末坯加入到铝合金熔体中并搅拌，内生反应结束后，清除反应浮渣，加精炼剂C2Cl6(0.2～0.7wt.％)进行除气精炼，复合熔体静置后浇入铸模，得到内生TiB2和Al2O3双相颗粒增强铝基复合材料。本发明专利技术所涉及的铝基复合材料，其内生的TiB2和Al2O3颗粒细小均匀、表面洁净与基体结合良好，具有轻质、高强、高弹性模量等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料

技术介绍
铝合金具有低密度、高比强度、高比模量等优点，在航空航天、建筑、汽车、机械制造、化工等领域有广泛的应用，是工业应用最多的有色金属材料之一。但铝合金存在强度硬度较低、耐磨损性较差、弹性模量有限、高温性能有待提高等不足，限制了其工业应用范围。将陶瓷颗粒加入铝基体中形成颗粒增强铝基复合材料，可显著提高其硬度、耐磨性及弹性模量等性能。目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法有两种，一是外加颗粒法，一是内生颗粒法。外加颗粒法主要有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造等，这些方法存在增强颗粒与基体之间相容性差、增强颗粒与界面反应不易控制等问题，使其工业推广受到一定的限制。内生颗粒法主要有混合盐反应法、自蔓延高温合成法、XDTM放热弥散法、熔体反应法、机械合金化法等，其中，混合盐反应法可有效解决外加颗粒法存在的问题，是目前广泛使用的颗粒增强铝基复合材料的制备方法。本专利技术中内生的TiB2和Al2O3颗粒具有高强度、高硬度、高模量、低热膨胀系数、高熔点和热稳定性好等优点。通过混合盐反应法制备内生TiB2和Al2O3双相颗粒增强铝基复合材料，铝合金中内生的TiB2和Al2O3颗粒弥散分布在基体的晶界处，具有内生TiB2和Al2O3颗粒细小、颗粒表面洁净、与基体结合良好无界面反应等特点。TiB2和Al2O3双相颗粒增强铝基复合材料在航空航天、汽车、电子、深水等高端制造业具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述的双相增强颗粒细小弥散分布于铝合金基体晶界处，制得的复合材料具有良好力学性能和耐磨性能，具体包括以下步骤：(1)按TiO2粉末和KBF4粉末的摩尔比为1:2的比例将粒度为100～500目的TiO2粉末和KBF4粉末混合均匀并干燥得到混合粉末，将混合粉末压制成坯。(2)将铝合金加热到850～950℃熔化并保温10～60min，将步骤(1)得到的混合粉末坯加入到铝合金熔体中进行内生反应，不断搅拌(200～500r/min)直到内生反应进行完为止，清除浮渣后得到内含TiB2和Al2O3双相陶瓷颗粒的复合熔体；所用原料中，混合粉末的加入量为铝合金质量的4.91％～50％。(3)将步骤(2)所得的复合熔体的温度控制在720～750℃，向复合熔体中加入用铝箔包裹的C2Cl6,并将其压到复合熔体底部，然后搅拌(8～15min)进行除气精炼，得到精炼的复合熔体；铝箔包裹的C2Cl6的加入量为复合熔体总质量的0.2～0.7wt.％。(4)将步骤(3)得到的精炼的复合熔体在720～750℃静置10～30min，浇铸到200～300℃预热的铸模中，得到(TiB2+Al2O3)双相颗粒增强铝基复合材料。优选的，本专利技术步骤(1)中TiO2粉末和KBF4粉末的混合过程具体为：将TiO2粉末和KBF4粉末在混料机中混料2～4小时，然后在200～300℃的温度下干燥1～4小时得到。优选的，本专利技术步骤(1)中压制过程的压力为100～500MPa。优选的，本专利技术步骤(2)中内生反应的温度为850～950℃，搅拌反应时间为60～90min。优选的，本专利技术步骤(2)中所述铝合金为铸造铝合金、加工铝合金中的一种。专利技术原理(1)内生TiB2和Al2O3颗粒的反应原理将TiO2与KBF4的混合坯加入到850～950℃的铝合金熔体中，混合粉末坯中的TiO2、KBF4分别与铝熔体反应得到Al2O3颗粒、活性[Ti]原子与AlB2，同时，在高温铝熔体中，活性[Ti]原子与AlB2反应得到TiB2颗粒。TiO2与KBF4的混合粉末坯与铝合金熔体充分反应的最短时间为60min，内生TiB2和Al2O3颗粒的反应过程如下:3TiO2+4Al--3Ti+2Al2O3(1)2KBF4+3Al--AlB2+2KAlF4(2)AlB2+Ti--TiB2+Al(3)综合反应为：3TiO2+6KBF4+10Al--3TiB2+2Al2O3+6KAlF4(4)根据热力学手册可得(1)～(4)三个反应的Gibbs自由能与温度之间的关系为：ΔGTθ＝-535038+27.5T(5)ΔGTθ＝-237812+182.5T(6)ΔGTθ＝-4615411+92.3T(7)ΔGTθ＝-1856678+71.1T(8)当温度在850～950℃时，(5)～(8)式的ΔGTθ均小于0，说明反应是可以进行的。(2)内生TiB2和Al2O3颗粒含量控制原理复合材料中TiB2和Al2O3的质量分数，由加入混合粉末坯(TiO2+KBF4)的质量和称取铝合金的质量所决定的；反应内生的TiB2和Al2O3颗粒质量分数随加入混合粉末坯质量的提高而提高；当加入混合粉末坯质量占所称取铝合金质量的百分比为4.91％～50％时，由(4)式可知内生TiB2的质量分数为1.02～9.69wt.％、内生Al2O3颗粒的质量分数为1～9.5wt.％。设获得复合材料总质量为m,其中Al2O3的质量分数为x(1wt.％≤x≤9.5wt.％),TiB2的质量分数为1.02x，则可有：3TiO2+6KBF4+10Al--3TiB2+2Al2O3+6KAlF4根据上述化学平衡方程式可求：(9)式中，y为加入TiO2的质量(g)；z为加入KBF4的质量(g)；c为反应消耗的铝质量(g)；a为生成TiB2的质量(g)；b为生成KAlF4(浮渣)的质量(g)。设称取铝合金的质量为n(包含反应消耗铝的质量c，n>c),加入混合坯的质量为M(y+z)；复合材料的总质量m＝称取铝合金的质量n+加入混合粉末坯的质量M–浮渣的质量b，可得：设加入混合粉末坯质量占称取铝合金质量的百分比为i，则:因为1wt.％≤x≤9.5wt.％，故4.91％≤i≤50％。(3)内生TiB2、Al2O3颗粒的平均颗粒尺寸控制原理本专利技术中，在60～90min的反应时间内，混合粉末坯(TiO2和KBF4)与铝合金熔体充分反；内生TiB2、Al2O3颗粒的平均颗粒尺寸随反应温度增加、搅拌速度减小、加入混合粉末坯质量增多、以及反应时间延长而增大，并存在以下关系式：(12)式中，R:内生Cr2B、Al2O3颗粒的平均颗粒尺寸,nm；T:反应温度，850≤T≤950℃；V:搅拌速度，200≤V≤500r/min；M:加入混合粉末坯的质量(y+z)，g；τ:反应时间因子(1≤τ≤2)，t:反应时间，60≤t≤90min。在本专利技术的条件范围内，TiB2和Al2O3双相颗粒的平均颗粒尺寸在130～350nm之间遵循以上规律而变化。(4)内生TiB2、Al2O3颗粒增强铝基复合材料的原理内生的TiB2和Al2O3双相颗粒可显著提高铝基复合材料的强度、硬度、弹性模量及力学性能。通过混合粉末坯(TiO2+KBF4)与铝合金熔体反应，生成亚微米级别TiB2、Al2O3颗粒，TiB2、Al2O3颗粒弥散的分布在基体晶界处，并且与基体结合良好。亚微米的TiB2、Al2O3颗粒在铝基复合材料中的强化机制有细晶强化及弥散强化：细晶强化是由于亚微米的TiB2、Al2O3颗粒可以细化晶粒，从而提高材料的强度；弥散强化是当第二相细小弥散的微粒均匀分布在基体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）按TiO2粉末和KBF4粉末的摩尔比为1:2的比例将粒度为100～500目的TiO2粉末和KBF4粉末混合均匀并干燥得到混合粉末，将混合粉末压制成坯；（2）将铝合金加热到850～950℃熔化并保温10～60min，将步骤（1）得到的混合粉末坯加入到铝合金熔体中进行内生反应，不断搅拌直到内生反应进行完为止，清除浮渣后得到内含TiB2和Al2O3双相陶瓷颗粒的复合熔体；所用原料中，混合粉末的加入量为铝合金质量的4.91%～50%；（3）将步骤（2）所得的复合熔体的温度控制在720～750℃，向复合熔体中加入用铝箔包裹的C2Cl6,并将其压到复合熔体底部，然后搅拌进行除气精炼，得到精炼的复合熔体；铝箔包裹的C2Cl6的加入量为复合熔体总质量的0.2～0.7wt.%；（4）将步骤（3）得到的精炼的复合熔体在720～750℃静置10～30min，浇铸到200～300℃预热的铸模中，得到（TiB2+Al2O3）双相颗粒增强铝基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种内生双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）按TiO2粉末和KBF4粉末的摩尔比为1:2的比例将粒度为100～500目的TiO2粉末和KBF4粉末混合均匀并干燥得到混合粉末，将混合粉末压制成坯；（2）将铝合金加热到850～950℃熔化并保温10～60min，将步骤（1）得到的混合粉末坯加入到铝合金熔体中进行内生反应，不断搅拌直到内生反应进行完为止，清除浮渣后得到内含TiB2和Al2O3双相陶瓷颗粒的复合熔体；所用原料中，混合粉末的加入量为铝合金质量的4.91%～50%；（3）将步骤（2）所得的复合熔体的温度控制在720～750℃，向复合熔体中加入用铝箔包裹的C2Cl6,并将其压到复合熔体底部，然后搅拌进行除气精炼，得到精炼的复合熔体；铝箔包裹的C2Cl6的加入量为复合熔体总质量的0.2～0.7wt.%；（4）将步骤（3）得到的精炼的复...

【专利技术属性】
技术研发人员：左孝青，冉松江，罗晓旭，周芸，陈显宁，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53