一种Al-Ti-SiC中间合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种Al‑Ti‑SiC中间合金，是以Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%混合压制成型，高温自蔓延燃烧得到自蔓延产物，加入熔化的铝液中，稀释至Ti元素含量5～5.3wt%，浇注得到的含有微纳米尺度TiC/SiC颗粒的中间合金。以所述中间合金作为晶粒细化剂用于铝合金材料中，可以提升铝合金材料的异质形核能力，细化铝合金材料晶粒，提升铝合金材料的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种Al-Ti-SiC中间合金及其制备方法和应用
本专利技术属于铝合金制备
，涉及一种用于在铝合金加工过程中进行添加的中间合金，本专利技术的中间合金中含有微纳米尺度的TiC/SiC颗粒，可以细化所制备铝合金的晶粒。
技术介绍
铝合金比强度高、耐腐蚀性强、导电导热性能优异、制备效率高，在航空、航天、船舶、汽车、军工等领域得到了广泛的应用。经过时效硬化的铝合金强度可以大幅提升，在某些领域能够达到铸铁的性能，是以铝代钢、以铸代锻、装备轻量化的理想材料。而铝合金铸态的晶粒尺寸对铝合金的时效硬化具有很大的影响。铸态晶粒越细小，铝合金时效后的硬化程度越高。因此，细晶强化是提升铝合金材料综合力学性能的重要手段之一。铝合金常用的晶粒细化剂包括Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金。制备Al-Ti和Al-Ti-B中间合金的方法包括氟盐法、氧化物法和自蔓延合成法等。其中氟盐法产量大、易于工业生产，因此一般多采用氟盐法制备Al-Ti和Al-Ti-B中间合金。赵凯(熔炼工艺对铝钛硼中间合金组织的影响[J].铸造技术,2020,41(09):816-819.)、黎平(Al-Ti-B晶粒细化剂的制备及细化性能研究[D].昆明理工大学,2019.)等针对Al-Ti-B/Al-Ti中间合金对铝合金晶粒细化的影响做了深入研究，研究发现，Al-Ti和Al-Ti-B中间合金通过Al3Ti和TiB2在铝基体中异质形核，提高铝合金的形核率，从而细化晶粒。近些年在Al-Ti-B细化剂的基础上，又发展出了新型的Al-Ti-C中间合金，通过Al粉、Ti粉和石墨粉的自蔓延反应，在自蔓延产物中生成大量的TiC、Al3Ti，之后再通过纯铝稀释，制备成Al-Ti-C中间合金。黄元春等(Al-Ti-C和Al-Ti-B对7050铝合金微观组织与力学性能的影响[J].材料工程,2015,43(12):75-80.)研究发现，包晶反应生成的Al3Ti和与α(Al)同为面心立方结构的TiC是优质的形核基底，可以促进α(Al)的异质形核，细化晶粒。尽管如此，目前主流的铝合金晶粒细化剂还是存在以下主要问题。1）、张国君等(抗Zr“中毒”Al-Ti-B-C中间合金对7050铝合金力学性能的影响[J].材料工程,2017,45(04):1-8.)研究发现，Al-Ti和Al-Ti-B中间合金由于Zr/Ti之间的反应生成ZrB2，导致铝合金存在“中毒”现象，在TiB2的表面会附着一层ZrB2，ZrB2的形核能力远低于TiB2，因此导致细化效果减弱。不仅如此，Zr/Ti之间的反应是一个缓慢的过程，随着“中毒”时间的延长，最终形成大量的ZrB2，导致晶粒细化完全失效，铝合金材料性能恶化。2）、通过于欢(纳米SiC增强Al-Cu复合材料的制备及组织性能研究[D].中北大学,2019.)等人的研究发现，目前通过自蔓延反应产生的TiC颗粒均在微米尺度，而且自蔓延温度较高，会导致生成的TiC部分长大(超过20μm)，导致细化效果减弱。此外，TiC属于陶瓷颗粒，容易在基体晶界处偏聚，一方面导致铝合金整体性能不均匀，另一方面，晶界处聚集过多颗粒，是裂纹源产生的一个重要原因(胡志明.Al-Ti-C对ZL205A合金组织和性能的影响[D].湖南大学,2017.)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含有微纳米尺度TiC/SiC颗粒的Al-Ti-SiC中间合金，以及该中间合金的制备方法。以所述中间合金用于铝合金材料中，以提升铝合金材料的异质形核能力，细化铝合金材料晶粒，提升铝合金材料的综合力学性能，是本专利技术的另一专利技术目的。本专利技术所述的Al-Ti-SiC中间合金是以Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%混合压制成型，高温自蔓延燃烧得到自蔓延产物，再将自蔓延产物加入熔化的铝液中，稀释至Ti元素含量5～5.3wt%，浇注得到的中间合金。进而，本专利技术还提供了一种适合的Al-Ti-SiC中间合金的制备方法。1)、按照Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%的比例，将原料混合后，于真空球磨罐中球磨混合得到合金粉末。2)、将所述合金粉末冷压成型，于945～955℃真空环境中进行自蔓延反应得到自蔓延产物。3)、在熔化的铝液中加入上述自蔓延产物，至铝液中Ti元素含量为5～5.3wt%，熔炼均匀并降温至708～712℃，浇注制备Al-Ti-SiC中间合金铸锭。本专利技术Al-Ti-SiC中间合金的制备方法中，所述原料Al粉和Ti粉优选使用粒径不大于200μm的粉末原料。进一步地，优选所述纳米SiC粉的粒径不大于40nm。本专利技术Al-Ti-SiC中间合金的制备方法中，所述球磨混合具体是在(2.0～3.0)×10-3Pa的真空条件下进行的。更具体地，本专利技术是在所述真空条件下，按照球料比为8∶1，以转速230～250rpm将原料球磨混合5～8h。球磨混合结束后，将真空球磨罐恢复至常压，静置1～2h后，再取出真空球磨罐中混合均匀的合金粉末。进一步地，本专利技术是将所述混合均匀的合金粉末以载荷15～30kN进行冷压成型。本专利技术所述熔化的铝液是将纯铝锭在940～960℃熔化完全后得到的熔液。优选地，将自蔓延产物加入熔化的铝液，在铝液的熔炼过程中，每隔13～15min搅拌1～2min，直至铝液中的自蔓延产物颗粒全部熔化后，静置至铝液温度为708～712℃，并保证静置时间不少于10min。进而，本专利技术是将所述降温后的铝液浇注在预热至230～250℃的铸锭模具中，制备Al-Ti-SiC中间合金铸锭。本专利技术以Al粉、Ti粉和纳米SiC粉自蔓延高温合成得到了含有大量Al3Ti、TiC及少量SiC颗粒的自蔓延产物，再经纯铝稀释，制备出一种含有微纳米尺度TiC/SiC颗粒的Al-Ti-SiC中间合金。本专利技术Al-Ti-SiC中间合金的产物纯度高，而且制备方法简单、耗能少，减少了生产成本。本专利技术的Al-Ti-SiC中间合金可以作为晶粒细化剂，用于各类铝合金的制备中。进一步地，所述的铝合金可以包括但不限于是各种铸造成型铝合金、锻造成型铝合金或轧制成型铝合金。本专利技术Al-Ti-SiC中间合金作为晶粒细化剂使用时，其使用方法简单，只需要将中间合金直接加入到精炼后的铝合金熔体中即可。一般地，本专利技术所述Al-Ti-SiC中间合金在铝合金中的添加比例为0.3～3.0wt%。本专利技术通过高温自蔓延反应，使元素Ti和纳米SiC进行反应，生成了粒径0.5μm左右的微纳米TiC颗粒，异质形核效果更加显著。相较于传统的微米TiC，微纳米TiC颗粒的尺寸更加细小，弥散分布，颗粒强化和钉扎位错效果更好。同时，本专利技术通过中间合金法将未反应的部分纳米SiC颗粒加入到铝合金熔体中，解决了SiC与Al基材料润湿性差、易团聚的问题。而未反应的部分纳米SiC颗粒通过中间合金的方式进入铝合金熔体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al-Ti-SiC中间合金，是以Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%混合压制成型，高温自蔓延燃烧得到自蔓延产物，再将自蔓延产物加入熔化的铝液中，稀释至Ti元素含量5～5.3wt%，浇注得到的中间合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种Al-Ti-SiC中间合金，是以Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%混合压制成型，高温自蔓延燃烧得到自蔓延产物，再将自蔓延产物加入熔化的铝液中，稀释至Ti元素含量5～5.3wt%，浇注得到的中间合金。


2.一种Al-Ti-SiC中间合金的制备方法，所述方法包括：
1)、按照Al粉40～50wt%、Ti粉45～55wt%、纳米SiC粉5～15wt%的比例，将原料混合后，于真空球磨罐中球磨混合得到合金粉末；
2)、将所述合金粉末冷压成型，于945～955℃真空环境中进行自蔓延反应得到自蔓延产物；
3)、在熔化的铝液中加入上述自蔓延产物，至铝液中Ti元素含量为5～5.3wt%，熔炼均匀并降温至708～712℃，浇注制备Al-Ti-SiC中间合金铸锭。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述原料Al粉和Ti粉的粒径不大于200μm，纳米SiC粉的粒径不大于40nm。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述球磨混合是在(2.0～...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国伟，牛经纬，吕伟泽，康圆圆，徐宏，任晓燕，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14