專利名稱：一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
納米陶瓷顆粒(如SiC，SiO2, MgO, TiB2, Al2O3, Si3N4和TiC)增強鋁基復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能正在得到廣泛關(guān)注和研究。通常，納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料制備方法包括原位法和外加法。然而，原位法雖然可以得到晶內(nèi)型增強相，但是由于反應(yīng)速度快，溫度高，原位合成的顆粒尺寸很難控制在納米級別范圍之內(nèi)，并且原位法只能合成有限 種類的陶瓷顆粒。一般而言，納米顆粒可以分布在晶粒內(nèi)部或者在晶界上，由于其分布的位置不同，其起的作用也截然不同。和晶界上的納米顆粒作用不同，只有晶粒內(nèi)的納米顆粒才能充分發(fā)揮Orowan彌散強化機制。此外，晶粒內(nèi)納米顆粒比晶界上納米顆粒更有利于基體的塑性變形。因此，晶內(nèi)型復(fù)合材料是納米復(fù)合材料科學(xué)中的最理想的材料。目前，研究外加法制備的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料都是晶界型納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，強度、塑性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有原位法制備的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的顆粒尺寸很難控制在納米級別范圍之內(nèi)以及現(xiàn)有的外加法制備的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料都是晶界型納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，強度、塑性較低的問題，而提供一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料按體積份數(shù)比由I 10份的納米陶瓷顆粒和90 99份鋁粉或鋁合金粉組成。本發(fā)明的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行—、按體積份數(shù)稱取f 10份的納米陶瓷顆粒和9(T99份的鋁粉或鋁合金粉；二、將步驟一中稱取的納米陶瓷顆粒和鋁粉或鋁合金粉置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物質(zhì)量0. 69T8%的硬脂酸，得到混合粉體，再加入磨球，在氬氣保護的條件下，進行球磨，得到球磨粉體；其中，磨球與混合粉體的質(zhì)量比為2(T50:1 ；三、將步驟二得到的球磨粉體，真空熱壓燒結(jié)成塊體；四、將步驟三得到的塊體在溫度為500°C 580°C、擠壓比為30 60:1的條件下，進
行熱擠壓變形，得到納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料。其中，步驟二中所述的磨球由大鋼球、中鋼球和小鋼球三種尺寸的鋼球組成；其中大鋼球的直徑為2(T30mm、中鋼球的直徑為l(Tl5mm、小鋼球的直徑為3飛mm ;大鋼球、中鋼球和小鋼球的數(shù)量比為1:3:4 ;步驟二中所述的球磨是指以100 500rpm的轉(zhuǎn)速,球磨20 60h,得到球磨粉體。
步驟三中熱壓燒結(jié)是指在熱壓燒結(jié)溫度為0. 8 0. 85Tm，壓力為2(T80MPa的條件下，燒結(jié)3(Tl50min ;其中，Tm為鋁和鋁合金的熔點。本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明中的高能球磨和熱擠壓的工藝參數(shù)可以避免納米顆粒易于分布在晶界上的傾向，打碎原始粉末邊界和相應(yīng)邊界上團聚而成的納米顆粒串，實現(xiàn)納米陶瓷顆粒在金屬晶粒內(nèi)部的均勻分布，從而獲得組織和性能俱佳的金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明的方法可以克服原位法合成顆粒的種類限制和其相應(yīng)尺寸難于控制的缺點，可以通過外加納米陶瓷顆粒來嚴(yán)格控制增強體的尺寸范圍，精確制備出外加納米陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明制備工藝簡單，操作方便，可以制備出強度高、塑性好、分布均勻的外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料。與基體相比，強度可以提高200%以上。并且延伸率可以超過10%。本發(fā)明用于制備納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料。


圖I是實施例一所得的納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的透射電鏡照片；其中，箭頭所指為SiC ；圖2是室溫拉伸曲線圖，其中a曲線代表鋁基體的室溫拉伸曲線，b曲線代表實施例一所得的納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的室溫拉伸曲線。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料按體積份數(shù)由廣10份的納米陶瓷顆粒和9(T99份合金組成；其中，合金為鋁粉或鋁合金粉。
本實施方式的方法可以克服原位法合成顆粒的種類限制和其相應(yīng)尺寸難于控制的缺點，可以通過外加納米陶瓷顆粒來嚴(yán)格控制增強體的尺寸范圍，精確制備出外加納米陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是陶瓷顆粒為SiC陶瓷、SiO2, MgO、TiB2, A1203、Si3N4或TiC。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是陶瓷顆粒的粒徑為2(Tl00nm。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行一、按體積份數(shù)稱取10份的納米陶瓷顆粒和90 99份的合金；二、將步驟一中稱取的納米陶瓷顆粒和合金置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物質(zhì)量0. 69T8%的硬脂酸，得到混合粉體，再加入磨球，在氬氣保護的條件下，進行球磨，得到球磨粉體；其中，磨球與混合粉體的質(zhì)量比為2(T50:1 ；三、將步驟二得到的球磨粉體真空熱壓燒結(jié)成塊體；四、將步驟三得到的塊體在溫度為500°C 580°C、擠壓比為30 60:1的條件下，進行熱擠壓變形，得到納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料；其中步驟一和步驟二中所述的合金為招粉或招合金粉。采用本實施方式中的高能球磨和熱擠壓的工藝參數(shù)可以避免納米顆粒易于分布在晶界上的傾向，實現(xiàn)納米陶瓷 顆粒在金屬晶粒內(nèi)部的均勻分布，從而獲得組織和性能俱佳的金屬基復(fù)合材料。本實施方式的方法可以克服原位法合成顆粒的種類限制和其相應(yīng)尺寸難于控制的缺點，可以通過外加納米陶瓷顆粒來嚴(yán)格控制增強體的尺寸范圍，精確制備出外加納米陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料。本實施方式制備工藝簡單，操作方便，可以制備出強度高、塑性好、分布均勻的外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料。與基體相比，強度可以提高200%以上。并且延伸率可以超過10%。本發(fā)明用于制備納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟二中所述的磨球由大鋼球、中鋼球和小鋼球三種尺寸的鋼球組成；其中大鋼球的直徑為2(T30mm、中鋼球的直徑為l(Tl5mm、小鋼球的直徑為3飛mm;大鋼球、中鋼球和小鋼球的數(shù)量比為1:3:4。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四或五不同的是步驟二中所述的球磨的轉(zhuǎn)速為10(T500rpm，時間為2(T60h。其它與具體實施方式
四或五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟三中熱壓燒結(jié)是指在熱壓燒結(jié)溫度為0. 8 0. 85Tm，壓力為2(T80MPa的條件下，燒結(jié)3(Tl50min ；其中，Tm為鋁或鋁合金的熔點。其它與具體實施方式
四至六之一相同。采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果實施例一本實施例納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行一、按體積份數(shù)稱取6份粒徑為20nm的SiC陶瓷顆粒和94份鋁粉；二、將步驟一中稱取的SiC陶瓷顆粒和鋁粉置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物質(zhì)量5%的硬脂酸，得到混合粉體，再加入磨球，在氬氣保護的條件下，以300rpm的轉(zhuǎn)速,球磨21h,得到球磨粉體；磨球與混合粉體的質(zhì)量比為30:1 ;所述磨球由大鋼球、中鋼球和小鋼球三種尺寸的鋼球組成，其中大鋼球的直徑為25mm、中鋼球的直徑為10mm、小鋼球的直徑為5mm ;大鋼球、中鋼球和小鋼球的數(shù)量比為1:3:4。三、將步驟二得到的球磨粉體，在溫度為520°C、壓力為50MPa的條件下，真空燒結(jié)60min，得到塊體；四、將步驟三得到的塊體在溫度為540°C、擠壓比為30:1的條件下，進行熱擠壓變形，得到納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料。圖I是實施例一所得的納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的透射電鏡照片，從圖中可以觀察到，大部分納米顆粒分布在晶粒內(nèi)部；箭頭所示為SiC納米顆粒；圖2是室溫拉伸曲線圖，其中a曲線代表鋁基體的室溫拉伸曲線，b曲線代表實施例一所得的納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的室溫拉伸曲線。從圖中可以得出，納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的塑性達到12%，與鋁基體相比，屈服強度和抗拉強度分別提高了284% 和 259%。
權(quán)利要求
1.一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料，其特征在于外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料按體積份數(shù)由廣10份的納米陶瓷顆粒和9(T99份合金組成；其中，合金為招粉或招合金粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述的陶瓷顆粒為 SiC、SiO2, MgO、TiB2, A1203、Si3N4 或 TiC。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述的納米陶瓷顆粒的粒徑為20 lOOnm。
4.如權(quán)利要求I所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行 一、按體積份數(shù)稱取廣10份的納米陶瓷顆粒和90 99份的合金； 二、將步驟一中稱取的納米陶瓷顆粒和合金置于球磨罐中，得到混合物，然后加入占混合物質(zhì)量0. 69T8%的硬脂酸，得到混合粉體，再加入磨球，在氬氣保護的條件下，進行球磨，得到球磨粉體；其中，磨球與混合粉體的質(zhì)量比為2(T50:1 ； 三、將步驟二得到的球磨粉體真空熱壓燒結(jié)成塊體； 四、將步驟三得到的塊體在溫度為500°C 580°C、擠壓比為30 60:1的條件下，進行熱擠壓變形，得到納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料；其中步驟一和步驟二中所述的合金為鋁粉或招合金粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中所述的磨球由大鋼球、中鋼球和小鋼球三種尺寸的鋼球組成；其中大鋼球的直徑為20 30臟、中鋼球的直徑為l(Tl5mm、小鋼球的直徑為3 6mm ;大鋼球、中鋼球和小鋼球的數(shù)量比為1:3:4。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中所述的球磨的轉(zhuǎn)速為10(T500rpm，時間為2(T60h。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的熱壓燒結(jié)是指在熱壓燒結(jié)溫度為0. 8^0. 85Tm，壓力為2(T80MPa的條件下，燒結(jié)3(Tl50min ;其中，Tm為鋁或鋁合金的熔點。
全文摘要
一種外加納米陶瓷顆粒增強晶內(nèi)型鋁基復(fù)合材料及其制備方法，它涉及一種陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有原位法制備的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的顆粒尺寸很難控制在納米級別范圍之內(nèi)以及現(xiàn)有的外加法制備的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料都是晶界型納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料，強度、塑性較低的問題。本發(fā)明復(fù)合材料是由1~10份的納米陶瓷顆粒和90~99份合金組成。制備方法為:一、稱取上述組分，加入占總質(zhì)量0.6%~8%的硬脂酸進行球磨；二、球磨后真空熱壓燒結(jié)成塊體；三、將塊體進行熱擠壓變形，得到納米陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料強度高、塑性好。本發(fā)明應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
文檔編號C22C32/00GK102747254SQ20121026469
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者施虹霞, 曹國劍, 李斌玲, 李愛濱, 耿林, 譚振斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)