一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，属于铸造金属基复合材料领域。材料的基体为铝或铝合金，增强相为纳米级SiC颗粒与其他纳米颗粒。本发明专利技术还提供了制备以上复合材料的方法，首先，在真空或氩气保护下，将纳米SiC粉、其他一种或多种纳米颗粒、微米级铝或铝合金粉混合制备出毫米级复合颗粒。然后，将毫米级复合颗粒压成预制中间合金块，再添加到铝或铝合金熔体中，经过精炼、除气处理，扒去浮渣及氧化物夹杂，并施加机械搅拌和超声振动，促进纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，制备纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合材料。本发明专利技术充分发挥了多相混杂增强的互补作用及优点，显著改善了金属基复合材料的各项性能。

A hybrid reinforced aluminum matrix composite and its preparation method

The invention discloses a nano particle hybrid reinforced aluminum matrix composite and a preparation method, which belongs to the field of casting metal base composite material. The matrix of the material is aluminum or aluminum alloy, and the reinforced phase is nanoscale SiC particles and other nanoparticles. The invention also provides a method for preparing the above composite materials. First, under the protection of vacuum or argon, nano SiC powder, one or more kinds of nanoparticles, micron level aluminum or aluminum alloy powder are mixed to prepare millimeter level composite particles. Then, the mm level composite particles are pressed into prefabricated intermediate alloy block, and then added to the aluminum or Aluminum Alloy melt, after refining, gas processing, to remove dross and oxide inclusions, and applying mechanical stirring and ultrasonic vibration, promote the nano ceramic particles in metal melt dispersed, preparation of nano ceramic particles hybrid reinforced aluminum matrix composites. The invention fully exerts the complementarity and advantages of multiphase hybrid enhancement, and greatly improves the properties of the metal matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术属于铸造金属基复合材料及其制备领域，涉及一种外加纳米颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
金属基纳米复合材料(MetalMatrixNanocomposites，MMNCs)具有质量轻、比强度及比刚度高、耐磨性好等优异的性能，在航天、航空、军事以及汽车等工业领域受到越来越广泛的关注。一般来说，微米级的陶瓷颗粒主要用来提高材料硬度和耐磨性，但是当增强颗粒含量较高时，材料的韧性降低，这在一定程度上影响了金属基复合材料的应用。而向基体金属中加入少量的纳米增强颗粒，不仅能显著提高材料的强度，还可获得较高的韧性。目前，这种纳米颗粒增强型金属基复合材料，已引起人们极大的重视，并成为金属基复合材料近年来的研究热点。传统铝基复合材料的铸造制备方法主要有两种，一是外加法，即将单一增强颗粒外加到基体合金熔液中；二是原位法，即在基体合金熔液中通过原位反应生成单一的增强相来提高基体的某种性能，或得到综合性能较好的材料。事实上，两种方法都存在各自的缺点，譬如：原位法反应温度高，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；而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，其次，纳米陶瓷颗粒在金属基体中容易团聚，导致力学性能差，从而阻碍了该方法的发展。文献检索发现，申请号为200610041896.3(公开号为CN100412216C)的中国专利申请介绍了一种高温耐热混杂颗粒增强铝基复合材料及复合制备方法，制备了由原位反应生成的纳米级Al3Ti、TiB2颗粒和液态搅拌引入的微米级SiC颗粒混杂增强铝基复合材料，但该工艺的缺点是原位反应速度不易控制及合成的纳米级颗粒尺寸较难控制，增强相的含量有限，未能很好发挥增强颗粒的增强效果及协同作用，而且清理反应盐渣时易将SiC颗粒清理掉等。申请号为201210543760.8(公开号为CN103866154B)的中国专利申请介绍了一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，主要是将微米级陶瓷颗粒与纳米级颗粒相混合，而且增强相和基体的混合粉体用锡箔纸包裹压入熔体中，制备出微纳米颗粒增强相弥散分布的金属基复合材料。但该方法中待锡箔纸熔化后，颗粒增强相会团聚状往上浮，聚集表层，氧化严重；通过锡箔纸包裹混合粉体压入熔体的量有限，导致自然混合时间较长。因此会使熔体长时间处在高温下，颗粒与基体界面加剧，也会延长熔体与空气接触的时间，氧化反应严重，会导致熔体夹杂物较多。申请号为201510345500.3(公开号为CN104911416B)的中国专利介绍了一种TiB2颗粒与Mg2Si混杂增强铝基复合材料的制备方法，其方法是原位合成，而且增强颗粒都是微米级，增强效果有限。目前，原位自生法混杂增强铝基复合材料研究较多，而外加颗粒混杂增强研究较少。而且，现有的方法中，存在众多问题，难以在制备工艺和材料的最终性能间兼顾。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法，其目的在于，将纳米级增强颗粒、微米级铝或铝合金粉混合，结合干式高能球磨和超声辅助搅拌技术，制备混杂增强铝基复合材料，本专利技术解决了以往颗粒增强铝基复合材料存在的增强颗粒分布不均匀问题，其复合材料强度和韧性均较高。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种混杂增强铝基复合材料，基体为铝或者铝合金，混杂增强相为纳米SiC颗粒和其他纳米陶瓷颗粒，其他纳米陶瓷颗粒选自Al2O3、TiC以及B4C。进一步的，所述纳米SiC颗粒和所述其他纳米陶瓷颗粒的粒径均分别为20nm～100nm。进一步的，所述纳米SiC颗粒占整个混杂增强铝基复合材料总质量的1％～4％，所述其他纳米陶瓷颗粒占整个混杂增强铝基复合材料总质量的1％～6％。本专利技术的纳米SiC颗粒与其他纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的特点：基体为铝或铝合金，混杂增强相为纳米级SiC颗粒和其他一种或多种纳米陶瓷颗粒(包括Al2O3、TiC、以及B4C等)。在本专利技术的复合材料中，外加的纳米SiC颗粒和其他纳米颗粒能抑制晶粒长大，细化晶粒尺寸；而且外加的增强颗粒为纳米级，不仅能显著提高材料的强度，还可获得较高的韧性。按照本专利技术的另一个方面，还提供一种制备如上所述的混杂增强铝基复合材料的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：将纳米SiC颗粒、其他纳米陶瓷颗粒和微米级铝或铝合金粉末进行配料、混合，获得混合料，S2：将上述混合料高速混粉冷焊成球，制备出毫米级复合颗粒，毫米级复合颗粒粒径为1mm～3mm，S3：将毫米级复合颗粒压制成合金块，合金块的理论密度大于85％，S5：向纯铝或者铝合金的熔体中加入预热的复合颗粒压制的合金块，预热温度为300℃～600℃，形成复合金属熔体，S8：对复合金属熔体进行超声处理，利用超声振动实现纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，S9：将混合均匀的复合金属熔体浇注，形成混杂增强铝基复合材料。进一步的，其还包括步骤S6和步骤S7，其中，在执行完步骤S5后接着执行步骤S6，在执行完步骤S6后接着执行步骤S7，S6：待复合颗粒压制的合金块熔化后，将复合金属熔体温度降至650°C～700℃，在复合金属熔体表面撒上覆盖剂，同时在氩气的保护下，进行机械搅拌5min～20min，搅拌速度为150r/min～500r/min，然后，静置10min～30min，S7：静置完成后，扒去浮渣，并向复合金属熔体中通入高纯氩气进行除气精炼，精炼结束后，静置5min～10min。进一步的，其还包括步骤S4，步骤S4：将纯铝或铝合金块熔化，在熔体表层加入烘干的覆盖剂，接着加热将温度升至700℃～800℃，接着扒去浮渣，向熔体中通入高纯氩气进行除气精炼，然后，静置5min～20min，静置温度为660℃～750℃。进一步的，步骤S2中，采用高能球磨方式，将混合料高速混粉冷焊成球，球磨速度为400r/min～600r/min。进一步的，步骤S3中，将毫米级复合颗粒压制成直径40mm～80mm、高30mm～50mm的预制合金块，压制压强为10MPa～30MPa。进一步的，步骤S8中：超声处理温度为650℃～720℃，超声功率为500W/l～3000W/l，超声时间1min～5min。进一步的，步骤S9中，通过压铸或挤压铸造成形方法将混合均匀的复合金属熔体浇注成形，制得纳米颗粒混杂增强铝基复合材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术采用外加法制备纳米SiC颗粒与其他一种或多种纳米颗粒混杂增强铝基复合材料，利用高能球磨制备出毫米级复合颗粒，改善了增强颗粒与基体合金的润湿性，并结合超声辅助机械搅拌工艺，解决了以往颗粒增强铝基复合材料存在的增强颗粒分布不均匀的问题。(2)外加的纳米SiC、其他纳米陶瓷颗粒的质量分数和粒径大小易于控制，增强相利用率高；纳米SiC与其他纳米陶瓷颗粒，产生混杂效应，颗粒与基体结合较好，分布均匀，由此解决了外加单一的纳米颗粒难到达较高质量分数的问题，按照本专利技术方法可以提高增强颗粒的含量，显著改善复合材料各项性能。(3)本专利技术方法的原料来源广，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混杂增强铝基复合材料，其特征在于，基体为铝或者铝合金，混杂增强相为纳米SiC颗粒和其他纳米陶瓷颗粒，其他纳米陶瓷颗粒选自Al2O3、TiC以及B4C。

【技术特征摘要】
1.一种混杂增强铝基复合材料，其特征在于，基体为铝或者铝合金，混杂增强相为纳米SiC颗粒和其他纳米陶瓷颗粒，其他纳米陶瓷颗粒选自Al2O3、TiC以及B4C。2.如权利要求1所述的一种混杂增强铝基复合材料，其特征在于，所述纳米SiC颗粒和所述其他纳米陶瓷颗粒的粒径均为20nm～100nm。3.如权利要求2所述的一种混杂增强铝基复合材料，其特征在于，所述纳米SiC颗粒占整个混杂增强铝基复合材料总质量的1％～4％，所述其他纳米陶瓷颗粒占整个混杂增强铝基复合材料总质量的1％～6％。4.一种制备如权利要求1-3之一所述的混杂增强铝基复合材料的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：将纳米SiC颗粒、其他纳米陶瓷颗粒和微米级铝或铝合金粉末进行配料、混合，获得混合料，S2：将上述混合料高速混粉冷焊成球，制备出毫米级复合颗粒，毫米级复合颗粒粒径为1mm～3mm，S3：将毫米级复合颗粒压制成合金块，合金块的理论密度大于85％，S5：向纯铝或者铝合金的熔体中加入预热的复合颗粒压制的合金块，预热温度为300℃～600℃，形成复合金属熔体，S8：对复合金属熔体进行超声处理，利用超声振动实现纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，S9：将混合均匀的复合金属熔体浇注，形成混杂增强铝基复合材料。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其还包括步骤S6和步骤S7，其中，在执行完步骤S5后接着执行步骤S6，在执行完步骤S6后接着执行步骤S7...

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