一种铝基纳米复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铝基纳米复合材料的制备方法，采用原位自生法在铝熔体中生成增强体颗粒，添加合金元素之后制得铝基纳米复合材料熔体；将所述铝基纳米复合材料熔体采用快速凝固喷射沉积技术制得铝基纳米复合材料锭坯；然后通过热等静压工艺对所述铝基纳米复合材料锭坯进行致密化处理，锭坯经过热处理制得铝基纳米复合材料。通过本发明专利技术制得的铝基纳米复合材料具有增强体成分均匀、基体晶粒细小、界面结合强度高的特征，可应用于航空航天、交通运输、电子器件、体育产业等领域；同时原位自生与快速凝固一体化成形，实现铝基纳米复合材料材料的高效制造，适合工业化生产。

Preparation method of Aluminum Matrix Nanocomposites

The invention relates to a preparation method of aluminium-based nanocomposites, in which reinforcing particles are formed in the aluminium melt by in-situ in-situ method, and the aluminium-based nanocomposites melt is prepared by adding alloy elements, and the aluminium-based nanocomposites ingot is prepared by rapid solidification spray deposition technology. Then, the aluminium matrix nanocomposite ingot is densified by hot isostatic pressing, and the aluminium matrix nanocomposite is prepared by heat treatment of the ingot. The Al-based nanocomposites prepared by the invention have the characteristics of homogeneous reinforcement, fine matrix grain and high interfacial bonding strength, and can be applied in the fields of aerospace, transportation, electronic devices, sports industry, etc. At the same time, in-situ in-situ self-forming and rapid solidification integrated forming can realize the Al-based nanocomposites material. The material is highly efficient and suitable for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种铝基纳米复合材料的制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料领域，特别是涉及一种铝基纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
随着国家空天技术、电子通讯和交通运输领域等对高性能材料的需求急速提升，具有各种优异综合性能的金属基复合材料得到迅猛发展。陶瓷颗粒增强铝基复合材料兼有金属的可塑性和强韧性及增强体的高强度、高刚度的优点，具有轻质、比强度高、比模量高、优良的耐磨性和高温性能，并且其丰富的原材料能克服纤维增强复合材料长纤维价格昂贵、制备工艺复杂、纤维损坏、界面结合强度差等缺点，为其研究开发及大规模应用奠定基础。金属基复合材料中增强体的引入方式包括外加法和原位合成法，与传统外加法相比，原位自生法具有热力学稳定性好、与基体界面结合其强度高以及分布更加均匀等优势，因此得到的复合材料综合性能更佳。以TiB2为增强体的铝基复合材料比强度高、耐磨性能好、可加工性能好、界面结合稳定，并且在满足特定位相关系时，TiB2颗粒可作为铝基体的有效形核基地，起到细化铝基体晶粒的作用。根据Orowan强化机制和Hall-Petch细晶强化机制，当增强体颗粒尺寸达到纳米级时，铝基复合材料的理论强度可达1GPa。原位自生TiB2增强铝基复合材料具有明显的性能优势及良好的应用前景，但是由于原位自生的TiB2颗粒为微纳尺度，颗粒表面较大的表面能使材料中增强体颗粒发生明显的团聚现象，这种颗粒分布不均匀现象将削弱增强体对复合材料的强化作用；并且基体成分以及制备工艺等对原位自生TiB2颗粒的形状、尺寸及分布影响较大。在颗粒尖锐棱角处产生应力集中将在材料服役过程中降低材料的使用寿命；若颗粒表面圆滑，与基体接触处为钝角，颗粒周围的应力则分布均匀，可避免因局部应力过大而引起的失效。因此需对增强体颗粒的分布、形状以及尺寸进行有效控制才能达到最佳的强化作用。快速凝固技术可以显著细化合金组织、减小成分偏析、扩展合金元素在基体的极限固溶度、形成亚稳相，是制备高性能材料有效方法之一。纳米金属基复合材料的原位生成与快速凝固成形是将纳米复合材料和快速凝固的优势相结合，其工艺和材料研究在国际上尚处于初期阶段。采用该方法有望解决金属基复合材料中颗粒尺寸、分布均匀性和界面润湿性的突出问题，尤其是颗粒的分布均匀性。喷射沉积是一种先进的快速凝固技术，具有工艺流程短、高沉积效率、近终成形等优点。通过喷射沉积过程中熔体雾化与沉积可以使增强体分布均匀，并且可获得组织细小、偏析程度低和固溶度高的快速凝固组织，具有比传统铸造方法更优异的性能。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种铝基纳米复合材料的制备方法，克服增强颗粒的尺寸和分布控制难题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种铝基纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1：采用原位自生法在铝熔体中生成增强体，增加合金元素之后，制得铝基纳米复合材料熔体；S2：所述铝基纳米复合材料熔体采用快速凝固喷射沉积技术，制得铝基纳米复合材料锭坯；S3：采用热等静压工艺对所述铝基纳米复合材料锭坯进行致密化处理，再对致密化处理后的铝基纳米复合材料锭坯进行热处理，制得铝基纳米复合材料。相对于现有技术，本专利技术将原位自生与喷射沉积相结合，制得的铝基纳米复合材料具有增强体成分均匀(增强颗粒的尺寸小于200nm的占比90％以上)、基体晶粒细小、界面结合强度高的特征，可应用于航空航天、交通运输、电子器件、体育产业等领域；同时原位自生与快速凝固一体化成形，实现铝基纳米复合材料材料的高效制造，适合于工业化生产。进一步地，所述步骤S1的制备过程如下：按照化学计量比准备纯铝锭、中间合金和混合盐；对所述纯铝锭进行熔炼，得到纯铝熔体；将混合盐加入到所述纯铝熔体中，反应生成原位增强颗粒；再向纯铝熔体中添加中间合金获得铝基纳米复合材料熔体。进一步地，在混合盐加入到纯铝熔体前，对混合盐进行如下处理：将混合盐放入粉末混料机中混合6～12h，然后置于电阻炉中，在240～260℃下保温3～6h。进一步地，将混合盐加入到纯铝熔体的过程用时10～30min，添加过程中施加搅拌，搅拌速度为600～900rpm。进一步地，所述纯铝锭的熔炼温度为750～800℃，与混合盐的反应温度为800～950℃。进一步地，所述原位增强颗粒为TiB2、ZrB2、TiC、Al2O3、Al3Ti、Al3Zr、Mg2Si中的一种或几种。进一步地，所述步骤S2中，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘下降速度为10～30mm/min，接收盘旋转速度为60～120rpm。进一步地，通过喷射沉积制得的铝基纳米复合材料锭坯的致密度为76％～91％。进一步地，所述步骤S3中，热等静压工艺的温度为450～560℃，压力为115～125MPa，保温时间为3.5～4.5h。进一步地，通过热等静压制得的铝基纳米复合材料锭坯的致密度不低于99.8％。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为本专利技术的铝基纳米复合材料的制备工艺流程图。具体实施方式请参阅图1，本专利技术提供了一种铝基纳米复合材料的制备方法，包括步骤：(1)按照复合材料的成分计算各元素质量比。(2)按照质量比配制混合盐，并将其置于混合机中进行干燥。具体的，将混合盐放入粉末混料机中混合6～12h，然后置于电阻炉中，在240～260℃下保温3～6h。(3)将纯铝锭进行熔炼。具体的，采用中频感应炉进行熔炼，熔炼温度为750～800℃。(4)将混合盐加入到所述纯铝熔体中，并搅拌，反应生成原位增强颗粒。具体的，将混合盐加入到纯铝熔体的过程用时10～15min，添加过程中施加电磁与机械共同作用的搅拌，搅拌速度为600～900rpm，反应温度为800～950℃。原位增强颗粒为TiB2、ZrB2、TiC、Al2O3等陶瓷或Al3Ti、Al3Zr、Mg2Si等金属间化合物。(5)在添加了混合盐后的纯铝熔体中添加合金元素，获得铝基纳米复合材料熔体。(6)将铝基纳米复合材料熔体的一部分采用普通铸造形成铸锭，另一部分采用喷射沉积进行处理。具体的，另一部分从坩埚底部的漏眼直接流入雾化中间包，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘下降速度为10～30mm/min，接收盘旋转速度为60～120rpm；喷射沉积铝基纳米复合材料锭坯的致密度为76～91％。(7)采用热等静压工艺对喷射沉积铝基纳米复合材料锭坯进行致密化处理。具体的，喷射沉积铝基纳米复合材料锭坯采用车加工、包套、抽真空后，在热等静压机上致密化处理，热等静压温度为450～560℃，压力为115～125MPa，保温时间为3.5～4.5h。热等静压处理后，铝基复合材料锭坯的致密度不低于99.8％。铝基复合材料锭坯为圆柱形锭坯，直径为150～300mm，高度为200～400mm。(8)最后对铝基纳米复合材料采用T6热处理(固溶和时效处理)。复合材料密度小于3g/cm3。铝基纳米复合材料锭坯采用轧制、挤压、锻造等塑性变形手段，可以进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用原位自生法在铝熔体中生成增强体，增加合金元素之后，制得铝基纳米复合材料熔体；S2：所述铝基纳米复合材料熔体采用快速凝固喷射沉积技术，制得铝基纳米复合材料锭坯；S3：采用热等静压工艺对所述铝基纳米复合材料锭坯进行致密化处理，再对致密化处理后的铝基纳米复合材料锭坯进行热处理，制得铝基纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用原位自生法在铝熔体中生成增强体，增加合金元素之后，制得铝基纳米复合材料熔体；S2：所述铝基纳米复合材料熔体采用快速凝固喷射沉积技术，制得铝基纳米复合材料锭坯；S3：采用热等静压工艺对所述铝基纳米复合材料锭坯进行致密化处理，再对致密化处理后的铝基纳米复合材料锭坯进行热处理，制得铝基纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1的制备过程如下：按照化学计量比准备纯铝锭、中间合金和混合盐；对所述纯铝锭进行熔炼，得到纯铝熔体；将混合盐加入到所述纯铝熔体中，反应生成原位增强颗粒；再向纯铝熔体中添加中间合金获得铝基纳米复合材料熔体。3.根据权利要求2所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：在混合盐加入到纯铝熔体前，对混合盐进行如下处理：将混合盐放入粉末混料机中混合6～12h，然后置于电阻炉中，在240～260℃下保温3～6h。4.根据权利要求3所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：将混合盐加入到纯铝熔体的过程用时10～30min，添加过程中施加搅拌，搅拌速度为600～900rpm。5.根据权利要求2所述的铝基纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，彭超群，冯艳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43