本发明专利技术涉及一种微纳米混杂TiC‑TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：(1)B4C粉的预处理；(2)反应压坯的制备；(3)压坯烧结原位反应致密化；(4)烧结态压坯的均匀化处理；(5)热挤压塑性成型；(6)挤压态材料热处理。本发明专利技术的技术方案，在金属中同时引入纳米尺寸和微米尺寸陶瓷颗粒，利用原位内生技术在金属中一步原位内生制备出纳米尺寸陶瓷颗粒和微米尺寸陶瓷颗粒，并使其均匀分散于铝合金基体中，获得从低体积分数到高体积分数增强相多含量变化并均匀分散的纳米颗粒和微米颗粒混杂强化的高性能铝合金材料，该材料具有超强的强韧性，具有重要的实际应用价值。
Preparation of high performance aluminum alloy with micro nano hybrid TiC-TiB2 particles
The invention relates to a micro nano hybrid TiC TiB2 particle reinforced high performance aluminum alloy preparation method, including the following steps: (1) pre treatment of B4C powder; (2) preparation of reaction blank; (3) compaction in situ reaction densification; (4) homogenization of sintered blank; (5) hot extrusion plastic molding; (6) heat treatment of extruded material. The technical scheme of the invention is to introduce nano size and micron size ceramic particles in metal. In situ, nano sized ceramic particles and micron size ceramic particles are prepared in situ by in-situ technique, and are uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix and obtained from low volume fraction to high volume fraction. The high performance aluminum alloy material, which is enhanced by the hybrid nano particles and microparticles, is enhanced by the multi content change and the homogeneous dispersion. The material has excellent strength and toughness, which has important practical application value.
【技术实现步骤摘要】
微纳米混杂TiC-TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法
本专利技术涉及铝合金加工领域，具体涉及微纳米混杂TiC-TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法。
技术介绍
随着我国经济社会的迅猛发展，航天航空、机械制造等高水平、高精尖科学技术的快速进步，对机械精密化、智能化、材料强韧化、轻量化方面提出了更为严苛的要求。同时，节能减排、绿色工业转型、资源循环高效利用也一直是政府和社会积极倡导和呼唤的制造业主旋律。陶瓷颗粒强化铝合金材料应运而生，因其质量轻、高强韧性、高塑性、优良的耐磨性和耐蚀性、成本低廉、加工性能好等优点，而在制造业中得到广泛关注和使用。目前，颗粒强化铝合金材料的研究已经很多，但是陶瓷颗粒种类，制备方法以及复合材料基体的选择都有可能对材料组织、物理及力学性能产生一定的影响。纳米级的陶瓷颗粒加入铝基体明显提高材料强度的同时也较好的保留了材料的延展性。但是，由于纳米颗粒表面具有高不饱和性和不稳定性，往往会导致纳米颗粒的团聚，这极大限制了纳米颗粒的应用领域和强化效果。单相原位陶瓷颗粒增强金属基复合材料面临的最大问题就是如何避免由形核核心种类单一引发的部分颗粒团聚或过度生长。通过燃烧合成和热挤压方法制备的复合材料具有明显优点，诸如TiC/Al、TiB2/Al间界面整洁，合成的粒子分散良好。此外，通过这种方法也能控制合成增强陶瓷颗粒的尺寸和形貌。两种不同类型不同尺寸陶瓷颗粒对铝合金的形核和晶粒生长过程产生协同效应，因此在Al-Ti-B4C反应体系中合成的原位内生双相增强陶瓷颗粒是制备具有更精细和均匀分布多尺度的TiC-TiB2颗粒强化铝合金材料的不错选择。该材料具有超强的强韧性，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微纳米混杂TiC-TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现。一种微纳米混杂TiC-TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：(1)B4C粉的预处理：将0.5-3μmB4C粉放入混料罐中，球料比设置为100:1，将混料机的球磨速度设置为200-300r/min，球磨时间为1-3h；(2)反应压坯的制备：1a.称取所需的13-75μmAl合金粉、13-48μmTi粉和经球磨预处理的0.5-3μmB4C粉备用；所用铝合金粉成分为Al:0.9294；Cu:0.047；Mg:0.0032；Si:0.0044；Fe:0.0053；Ti:0.0011；Mn:0.0065；Cr:0.0008；Zn:0.0023；1b.反应压坯成分为Al合金粉：60-95wt.％；Ti粉：3.609-28.872wt.％；B4C粉：1.391-11.128wt.％；反应压坯中Ti粉和B4C粉质量比为：2.595:1；将不同配比不同粒度Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉按以下五种配比配制成100g混合粉末，分别如下：①当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为5wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：95.00g；钛粉：3.609g，B4C粉：1.391g，配制成100g混合粉末；②当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为20wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：80.00g；钛粉：14.436g，B4C粉：5.564g，配制成100g混合粉末；③当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为30wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：70.00g；钛粉：21.654g，B4C粉：8.346g，配制成100g混合粉末；④当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为40wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：60.00g；钛粉：28.872g，B4C粉：11.128g，配制成100g混合粉末；1c.将不同组分、粒度的反应物粉料与ZrO2磨球放入混料罐中，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，球料比设置为8:1，将混料机的球磨速度设置为30-60r/min，混料时间设置为8-32h；1d.将球磨混料的粉料取出，称取100g粉料用铝箔包住在液压试验机上压制成直径约45mm，高度约为30mm的圆柱形压坯，致密度为65-75％；(3)内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合的压坯烧结原位反应致密化：3a、将步骤1、步骤2制备好的圆柱形压坯放入压坯烧结原位反应致密化所用的石墨模具，将石墨模具和圆柱形压坯整体放入真空燃烧合成炉中，关上炉门，抽真空至炉内压力低于10Pa；3b、开始加热。加热速度设置为25-40K/min；3c、当到炉内测量温度显示为1173K时，保温10min，然后对圆柱形压坯开始施加轴向压力，应力值约为45-55MPa，并保持压力约15-25s；3d、随后关闭加热装置，保持炉内真空，随炉冷却至室温；(4)内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合烧结态压坯的均匀化处理：将内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合烧结态致密压坯放入热处理炉中，均匀化处理温度为758K，均匀化时间10-20h；(5)内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合的热挤压塑性成型，具体步骤为：5a、将用MoS2和高温润滑油混合物制成的挤压润滑剂均匀地涂抹在圆柱形烧结态致密压坯外侧，随后放入热作模具钢模具中；5b、将圆柱形烧结态致密压坯和热作模具钢模具放入至热挤压装置中，加热至773K-833K，保温30-60min；5c、保温结束后，对圆柱形压坯施加轴向压力，进行挤压变形；挤压比为19:1；(6)内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合挤压态材料热处理：6a.将挤压塑性成型后的内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合放入固溶炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为750-800K，保温时间为1-3h；6b.固溶处理结束后，立即将试样取出，快速进行冷水淬火处理；6c.随后进行时效处理，将淬火后的试样放入时效炉中，进行人工时效，时效温度为420-450K，保温为10-18h，然后随炉冷却至室温。优选的，步骤3中压坯烧结原位反应致密化用石墨模具内腔尺寸为Φ45。上述制备方法制备的内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合组织和力学性能均得到了优化：在最佳的添加工艺下(TiC-TiB2陶瓷颗粒添加量达到40％)，内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合的常温力学性能(298K)：屈服强度、抗拉强度由铝合金的350MPa、523MPa，分别提高到了581MPa、725MPa，比铝合金提高了66.00％、38.62％；内生混杂尺度双相TiC-TiB2/Al复合的高温力学性能，在493K温度下，屈服强度、抗拉强度由铝合金的150MPa、259MPa，分别提高到了357MPa、408MPa，比未孕育合金提高了138.00％、57.53％；在573K温度下，屈服强度、抗拉强度由铝合金的89MPa、97MPa，分别提高到了145MP本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微纳米混杂TiC‑TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)B4C粉的预处理：将0.5‑3μm B4C粉放入混料罐中，球料比设置为100:1，将混料机的球磨速度设置为200‑300r/min，球磨时间为1‑3h；(2)反应压坯的制备：1a.称取所需的13‑75μm Al合金粉、13‑48μm Ti粉和经球磨预处理的0.5‑3μm B4C粉备用；所用铝合金粉成分为Al:0.9294；Cu:0.047；Mg:0.0032；Si:0.0044；Fe:0.0053；Ti:0.0011；Mn:0.0065；Cr:0.0008；Zn:0.0023；1b.反应压坯成分为Al合金粉：60‑95 wt.％；Ti粉：3.609‑28.872 wt.％；B4C粉：1.391‑11.128wt.％；反应压坯中Ti粉和B4C粉质量比为：2.595:1；将不同配比不同粒度Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉按以下五种配比配制成100g混合粉末，分别如下：①当混杂尺度内生双相TiC‑TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为5wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：95.00g；钛粉：3.609g，B4C粉：1.391g，配制成100g混合粉末；②当混杂尺度内生双相TiC‑TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为20wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：80.00g；钛粉：14.436g，B4C粉：5.564g，配制成100g混合粉末；③当混杂尺度内生双相TiC‑TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为30wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：70.00g；钛粉：21.654g，B4C粉：8.346g，配制成100g混合粉末；④当混杂尺度内生双相TiC‑TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为40wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：60.00g；钛粉：28.872g，B4C粉：11.128g，配制成100g混合粉末；1c.将不同组分、粒度的反应物粉料与ZrO2磨球放入混料罐中，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，球料比设置为8:1，将混料机的球磨速度设置为30‑60r/min，混料时间设置为8‑32h；1d.将球磨混料的粉料取出，称取100g粉料用铝箔包住在液压试验机上压制成直径约45mm，高度约为30mm的圆柱形压坯，致密度为65‑75％；(3)内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合的压坯烧结原位反应致密化：3a、将步骤1、步骤2制备好的圆柱形压坯放入压坯烧结原位反应致密化所用的石墨模具，将石墨模具和圆柱形压坯整体放入真空燃烧合成炉中，关上炉门，抽真空至炉内压力低于10Pa；3b、开始加热；加热速度设置为25‑40K/min；3c、当到炉内测量温度显示为1173K时，保温10min，然后对圆柱形压坯开始施加轴向压力，应力值约为45‑55MPa，并保持压力约15‑25s；3d、随后关闭加热装置，保持炉内真空，随炉冷却至室温；(4)内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合烧结态压坯的均匀化处理：将内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合烧结态致密压坯放入热处理炉中，均匀化处理温度为758K，均匀化时间10‑20h；(5)内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合的热挤压塑性成型，具体步骤为：5a、将用MoS2和高温润滑油混合物制成的挤压润滑剂均匀地涂抹在圆柱形烧结态致密压坯外侧，随后放入热作模具钢模具中；5b、将圆柱形烧结态致密压坯和热作模具钢模具放入至热挤压装置中，加热至773K‑833K，保温30‑60min；5c、保温结束后，对圆柱形压坯施加轴向压力，进行挤压变形；挤压比为19:1；(6)内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合挤压态材料热处理：6a.将挤压塑性成型后的内生混杂尺度双相TiC‑TiB2/Al复合放入固溶炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为750‑800K，保温时间为1‑3h；6b.固溶处理结束后，立即将试样取出，快速进行冷水淬火处理；6c.随后进行时效处理，将淬火后的试样放入时效炉中，进行人工时效，时效温度为420‑450K，保温为10‑18h，然后随炉冷却至室温。...
【技术特征摘要】
2017.06.12 CN 20171043650411.一种微纳米混杂TiC-TiB2颗粒强化高性能铝合金制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)B4C粉的预处理：将0.5-3μmB4C粉放入混料罐中，球料比设置为100:1，将混料机的球磨速度设置为200-300r/min，球磨时间为1-3h；(2)反应压坯的制备：1a.称取所需的13-75μmAl合金粉、13-48μmTi粉和经球磨预处理的0.5-3μmB4C粉备用；所用铝合金粉成分为Al:0.9294；Cu:0.047；Mg:0.0032；Si:0.0044；Fe:0.0053；Ti:0.0011；Mn:0.0065；Cr:0.0008；Zn:0.0023；1b.反应压坯成分为Al合金粉：60-95wt.％；Ti粉：3.609-28.872wt.％；B4C粉：1.391-11.128wt.％；反应压坯中Ti粉和B4C粉质量比为：2.595:1；将不同配比不同粒度Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉按以下五种配比配制成100g混合粉末，分别如下：①当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为5wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：95.00g；钛粉：3.609g，B4C粉：1.391g，配制成100g混合粉末；②当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为20wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：80.00g；钛粉：14.436g，B4C粉：5.564g，配制成100g混合粉末；③当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为30wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：70.00g；钛粉：21.654g，B4C粉：8.346g，配制成100g混合粉末；④当混杂尺度内生双相TiC-TiB2陶瓷颗粒占铝合金的重量分数为40wt.％：将Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的B4C粉分别按照各自重量分别为：Al合金粉：60.00g；钛粉：28.872g，B4C粉：11.128g，配制成100g混合粉末；1c.将不同组分、粒度的反应物粉料与ZrO2磨球放入混料罐...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱丰，庚润，姜启川，常芳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
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