一种多元碳化物颗粒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一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。包括如下步骤：(1)按配比称取工业纯铝，Hf、Ta、Zr、Nb、Ti高纯过渡族金属块体和Ni

【技术实现步骤摘要】
一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属基复合材料领域，具体涉及一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷颗粒增强的铝基复合材料具有密度低、比强度高、导热率高、热胀系数低以及耐磨性能好等优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、国防科技和通讯电子信息等诸多领域。目前常见的作为增强相的陶瓷颗粒包括TiC、SiC、WC、TiB2、Al2O3和Al3BC等，但随着服役要求的进一步提高，单一组分的增强相陶瓷颗粒在抗氧化性和热稳定性等方面逐渐难以满足使用要求。
[0003]而近年来广泛研究的多组分高熵陶瓷材料是一种基于高熵概念发展而来的新型陶瓷材料，通常含有四种或四种以上的等摩尔比的金属元素。由于高熵效应和多种金属元素在阳离子位置固溶带来的严重晶格畸变效应使得高熵陶瓷材料具有优于传统单一组分陶瓷的力学性能。如Wang等人在《Journal of the American Ceramic Society》.2020；00:1
–
10通过放电等离子方式，采用2000℃(0.5min)+1800℃(15min)两步烧结方法制备出亚微米级高熵碳化物陶瓷(Hf
0.2
Zr
0.2
Ta
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C。样品在1300℃退火10h和1600℃退火10h后晶粒尺寸仍保持亚微米级别，表现出优异的高温热稳定性，因此使用具有优异力学性能和高热稳定性的高熵陶瓷颗粒作为增强体制备出的铝基复合材料也将具有超越传统陶瓷颗粒增强铝基复合材料的性能。
[0004]但目前高熵碳化物通常是以单元素碳化物粉末，或单元素氧化物+石墨作为原料，通过高能球磨结合放电等离子烧结炉在高温下(≈2300℃)固相烧结合成制备的。如Zhou等人在《Ceram Int.》2018；44(17):22014
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8.使用金属碳化物作为起始材料，在2223K下，通过放电等离子烧结合成了高熵(Hf,Zr,Ta,Nb,Ti)C颗粒。由于固固反应动力学较慢，使得球磨和烧结过程较长，难以避免的会引入氧杂质。此外，高温下反应时间较长使得碳化物颗粒尺寸较大难以控制进而影响多元碳化物颗粒的高温力学性能。同时这种制备方式存在工艺复杂，耗能高，制备周期长且原材料价格高等缺点。
[0005]专利号CN112831680涉及一种多元硼化物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，包括：采用真空电弧熔炼方式，利用铝基体中溶解的过渡族金属元素和铝硼合金提供的硼元素间的液固反应，制备多元硼化物颗粒增强铝基复合材料。相较于多元硼化物，多元碳化物具有更高的熔点和硬度。但由于铝合金中碳溶解度的限制，使用Al
‑
C合金作为碳源存在添加困难，润湿性差的缺点，不利于在铝基体中原位形成多元碳化物颗粒。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种高热稳定性多元碳化物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料的制
备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤(1)：称取原料：按配比称取工业纯铝，Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体及镍
‑
碳二元中间合金；
[0009]步骤(2)：熔炼：将称取的工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体按照熔点由低到高的顺序置于真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，熔炼得到铝合金铸锭；将得到的铝合金铸锭和镍
‑
碳二元中间合金置于同一坩埚中，熔炼得到(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物颗粒增强铝基复合材料。
[0010]进一步的，步骤(1)中原料的配比以质量百分比计具体为：
[0011]工业纯铝55.23～80.87％，镍
‑
碳二元中间合金16.67～33.33％，高纯过渡族金属元素Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体的摩尔比为1:1:1:1:1，其总质量百分比为2.46～14.77％，镍
‑
碳二元中间合金和过渡族金属元素Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体的比例满足生成(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物。
[0012]进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：
[0013]步骤(21)：将称取的工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体按照熔点由低到高的顺序由下到上放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中；
[0014]步骤(22)：抽真空至1
×
10
‑5Pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102Pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti合金，熔炼时首先在50～250A电流条件下熔炼1min～3min，然后在250A～500A电流条件下熔炼1min～3min，得到铸锭；
[0015]步骤(23)：将步骤(22)得到的铸锭重复翻转熔炼3～5次，得到组织均匀的铝合金铸锭；
[0016]步骤(24)：将步骤(23)得到的铝合金铸锭与镍
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碳二元中间合金置于同一坩埚中；抽真空至1
×
10
‑5Pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102Pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼铝合金铸锭与镍
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碳二元中间合金，熔炼时首先在50～250A电流条件下熔炼1min～3min，然后在250A～500A电流条件下熔炼1min～3min；重复翻转熔炼4～8次得到成分均匀的(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物颗粒增强铝基复合材料。
[0017]进一步的，步骤(22)在熔炼工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti合金之前，在真空电弧熔炼炉的另一坩埚中放置一工业纯钛块，通过熔炼纯钛块以去除炉腔内的剩余氧；
[0018]步骤(24)在熔炼铝合金铸锭与镍
‑
碳二元中间合金之前，在真空电弧熔炼炉的另一坩埚中放置一工业纯钛块，通过熔炼纯钛块以去除炉腔内的剩余氧。
[0019]一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料，采用上述的方法制备。
[0020]进一步的，所述(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物颗粒尺寸为0.5μm～10μm。
[0021]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元碳化物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：称取原料：按配比称取工业纯铝，Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体及镍
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碳二元中间合金；步骤(2)：熔炼：将称取的工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体按照熔点由低到高的顺序置于真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，熔炼得到铝合金铸锭；将得到的铝合金铸锭和镍
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碳二元中间合金置于同一坩埚中，熔炼得到(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物颗粒增强铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中原料的配比以质量百分比计具体为：工业纯铝55.23～80.87％，镍
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碳二元中间合金16.67～33.33％，高纯过渡族金属元素Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体的摩尔比为1:1:1:1:1，其总质量百分比为2.46～14.77％，镍
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碳二元中间合金和过渡族金属元素Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体的比例满足生成(Hf
0.2
Ta
0.2
Zr
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C多元碳化物。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下步骤：步骤(21)：将称取的工业纯铝和Hf、Ta、Zr、Nb、Ti单质块体按照熔点由低到高的顺序由下到上放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中；步骤(22)：抽真空至1
×
10
‑5Pa，然后通入氩气保护气体至4
×
102Pa，开启熔炼直流电源开关，熔炼工业纯铝和Hf、Ta、Zr、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂金凤，范勇，智雅婷，刘伟，赵永好，曹阳，周浩，李玉胜，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：