一种新型颗粒增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及铝基复合材料，特别涉及一种新型颗粒增强铝基复合材料的设计和制备方法，即在纯铝或铝合金基体中加入微纳尺度MgO和SiO2、TiO2、ZrO2三者中的一种或几种，通过熔体直接反应法制备Al2O3和MgO?Al2O3（镁铝尖晶石）混杂氧化物颗粒强化铝基复合材料，Al2O3颗粒尺寸处于纳米级，镁铝尖晶石颗粒处于微纳米级，实现多尺度混杂氧化物颗粒强化。颗粒体积分数依据化学计量式计算得到，适宜的颗粒总体积分数为2vol.%~4vol.%，所制备复合材料具有低成本、高强度、高耐磨、低热膨胀性和低残余应力的特征，是一种新型的铝基复合材料体系。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铝基复合材料，特别涉及一种新型颗粒增强铝基复合材料的设计和制备方法，属于新材料制备领域。
技术介绍
招基复合材料综合了招基体和复合相的优势，具有闻强度、闻|旲量、闻耐磨、低膨胀性等综合优异的使用性能，在新材料研究中备受关注，当颗粒作为增强相时，具有各相同性好，颗粒圆整化好，弥散均匀分布，有外力作用时应力分散均匀等特征，因此对新型颗粒增强铝基复合材料的研究备受业内关注。现有增强相种类主要有以下几种，包括(I)氧化物，如氧化铝；(2)硼化物，如TiB2和ZrB2 ； (3)金属间化合物,如Al3Zr、Al3Ti及其混合体Al3(TUrx) (x=0~l),颗粒尺寸从数微米到纳米尺度不等，目前尚待拓展和深入的方向有: 1.目前使用的颗粒都属于小分子或单分子物质，种类比较单一，制备和作用机制也单一，因此发展一种复合化合物，与简单化合物协同作用来强化基体将具有新的组织和性能特征，在诸多复杂化合物中，镁铝尖晶石MgOAl2O3是一种高稳定性化合物，具有熔点高(2135°C)、强度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性好等特点，适宜作为金属基体的强化相。2.目前所选择的反应物间缺乏协同作用，即反应物A和反应物B与铝液作用时是独立的，生成物在铝液中的稳定性不易控制，若能增加N多种反应物间的协同作用，即反应物A能与“反应物B-铝液”反应产物发生强相互作用，则有助于促进“反应物B-铝液”的作用，起到增加生成物数量和稳定性的目的，本专利技术中A设定为MgO，B设定为SiO2或ZrO2或TiO2或三者中任意两者或三者搭配时，就能起到上述的协同作用效果(见
技术实现思路
中的详细说明)。3.目前所选择反应物时多从生成强化相种类和数量考虑，很少考虑反应物与基体作用后生成的合金元素会更新铝基体组分，若反应物与铝液反应后在生成增强相的同时还生成合金组分，能起到进一步改善复合材料组织和性能的目的。比如当选择SiO2或ZrO2或TiO2或三者中任意两者或三者搭配时，所引入的S1、Zr和Ti就能起到以上作用。本专利技术意在提供一种简单氧化物和复杂氧化物混杂增强的铝基复合材料，协调发挥二者的强化作用，并通过调控反应物配料，实现制备过程的低成本低能耗和高效率，并同时实现制备工艺的低污染和制备复合材料的高质量，满足新材料制备的内在需求，即“低成本、低污染、高效率、高质量”。
技术实现思路
本专利技术提供一种简单/复杂氧化物混杂增强铝基复合材料的制备方法，即以MgO和SiO2 (或Ti02、Zr02等)作为反应物原料，在Si02、Ti02、Zr02等氧化物之间选择时主要考虑铝合金中S1、T1、Zr组分的配加量，如果这些合金组分加入后不影响原铝合金基体的性质，甚或能进一步提高合金性能，则可作为备选氧化物)，比如当基体为铸造铝合金ZLlOl或者ZLlOlA时，少量[Si]组分引入不会对铝基体产生不良影响。以下以SiO2为例，说明反应物配料计算方法。当在铝液中加入MgO和SiO2后，在一定温度条件下会发生如下化学反应，即:4A1+ 3Si02=2Al203+3Si (I)MgCHAl2O3= MgOAl2O3 (2) 从化学反应热力学上看，(2)式中MgOAl2O3物质稳定，具有较大的生成自由能，反应(2)进行的程度大，Al2O3大量消耗，促进了反应(I)的进行，有助于提高(I)式中Al2O3的生成量。增强颗粒体积分数值是复合材料设计的重要内容，本专利技术中为控制颗粒体积分数，在配料时以预期MgOAl2O3体积分数为依据，假定初始熔化铝量为lOOOg，高温(75(T850 °C)时铝(铝合金)的密度为2.4 X 103kg/m3，或2.4g/ml，则熔体体积为1000/2.4=416.7ml，设定 MgOAl2O3 体积分数为 lvol.%，则其体积为 4.167cm3，MgOAl2O3 密度为3.4X103kg/m3，则其质 量为14.2g，代入(2)式得需要配料加入的MgO为4g，此时消耗的Al2O3量为10.2g。根据经验确定MgO加入后的平均收得率为80% (实验测得收得率范围为759^85%)，则需要配加的MgO数量为5 g，因此得到:当铝量固定时，可按照“lOOOg铝对应lvol.% MgOAl2O3对应5 gMgO添加量”进行配料。若进一步设定简单氧化物Al2O3颗粒强化相的体积分数也是lvol.%,与MgOAl2O3体积量一样为4.167cm3, Al2O3密度为3.98g/cm3，则质量为16.6g，加上公式(2)中消耗的10.2g Al2O3,共计26.8 g，对应消耗的SiO2量为23.65g，根据经验确定SiO2加入后的平均收得率为80% (实验测得收得率范围为759^85%)，则需要配加的SiO2数量为29.56 g，此时消耗的铝液为14.2 g，与初始铝量1000g相比，仅占质量的1.42 %，因此在计算铝熔体体积时忽略(I)式中消耗的铝量。因此当初始铝量确定后，可按照“1000kg铝对应lvol.% Al2O3对应29.56g SiO2添加量”进行配料。当选择TiO2或ZrO2时，按照同样方法进行计算，得到如下配料方法，即:“1000kg铝对应lvol.% Al2O3对应39.41 g TiO2添加量(TiO2收得率按80%计算)”和“ 1000kg铝对应lvol.% Al2O3对应60.6 g ZrO2添加量(ZrO2收得率按80%计算)”。复合材料制备方法为: 根据铝量和配料原则确定MgO和XO2 (可以是Si02、TiO2, ZrO2或或两者以上按配料原则的混合物)后，首先将反应物于200°C烘烤3~4小时，充分去除附着水和结晶水，冷却后混匀，按照每粉包2(T30g的量用铝箔包好待用。在坩埚炉中熔化铝或铝合金，当温度达到850°C时，用石墨钟罩将粉包依次压入熔体中，反应开始进行，过程中加强搅拌促进反应进行，25min后反应结束，扒除上层浮渣，精炼除气后浇注成铸态复合材料；再根据基体组分选择热处理或挤压、轧制等后加工方式，得到最终铝基复合材料进行性能测试。所述增强颗粒为两种氧化物Al2O3和MgOSiO2 (镁铝尖晶石XAl2O3颗粒尺寸为纳米级，镁铝尖晶石颗粒尺寸为微纳米级。简单化合物Al2O3和复杂化合物MgOAl2O3 (镁铝尖晶石)都具有高模量，Al2O3 (纯度99.5%)弹性模量375GPa，MgOAl2O3 (镁铝尖晶石)的弹性模量为249GPa，而基体铝只有70GPa ;而且Al2O3通过铝和氧化物在铝基体中原位生成，Al2O3颗粒与基体润湿性好，弥散均匀分布于熔体内部，因此两种陶瓷颗粒都可以通过弥散强化的方式增强铝基体，有助于提高复合材料的抗拉强度；再者，高弹性模量的陶瓷颗粒有助于提高材料耐磨性；ai203和MgOAl2O3都具有低膨胀的特征，可以减少高温条件下材料的膨胀性，有助于提高材料服役时的尺寸稳定性；同时小尺寸简单化合物Al2O3和大尺寸复杂化合物MgOAl2O3共存于基体中，二者协同作用，有助于缓解材料内部因铸造凝固不同步产生的不均匀分布拉、压应力，表现为材料内部残余应力减小；复合材料具有高强度、高耐磨、低热膨胀性和低残余应力的综合性能，当增强颗粒总体积分数2vol.9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述复合材料的增强颗粒为Al2O3和MgO?SiO2，当增强颗粒总体积分数2vol.%~4vol.%时，抗拉强度增幅5%~15%，耐磨性提高9?11%，线膨胀系数下降9?11%，残余应力减少幅值10%~20%。

【技术特征摘要】
1.一种新型颗粒增强铝基复合材料，其特征在于:所述复合材料的增强颗粒为Al2O3和MgOSiO2,当增强颗粒总体积分数2vol.°/T4vol.%时,抗拉强度增幅5°/Tl5%,耐磨性提高9-11%，线膨胀系数下降9-11%，残余应力减少幅值10%~20%。2.如权利要求1所述的一种新型颗粒增强铝基复合材料，其特征在于:其中生成的增强颗粒Al2O3颗粒尺寸为纳米级，MgO-SiO2颗粒尺寸为微纳米级。3.如权利要求1所述的一种新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于:按铝量和配料原则，确定MgO和XO2后，首先将反应物于200°C烘烤3~4小时，充分去除附着水和结晶水，冷却后混匀，按照每粉包2(T30g的量用铝箔包好待用；在坩埚炉中熔化铝或铝合金，当温度达到850°C时，用石墨钟罩将粉包依次压入熔体中，反应开始进行，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桂荣，王宏明，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：