一種顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒增強(qiáng)錯(cuò)基復(fù)合材料PAMCs(Particle reinforced aluminum matrix composites，簡(jiǎn)稱PAMCs)具有比強(qiáng)度高、比剛度高、良好的耐磨性和減震性等優(yōu)點(diǎn)，并且可 通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的種類、含量、尺寸等實(shí)現(xiàn)不同的力學(xué)性能和使用性能，近年來(lái)得到了較 快的發(fā)展。SiC和B 4C顆粒是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料較為常用的兩種增強(qiáng)顆粒，SiC和B4C顆粒 均具有高硬度、高強(qiáng)度和耐磨的優(yōu)點(diǎn);此外，B 4C顆粒還因具有良好的中子吸收能力，使得B4C 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在核工業(yè)具有很好的應(yīng)用。
[0003] 攪拌鑄造法具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，同時(shí)適合 于大規(guī)模大批量的工業(yè)生產(chǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ腜AMCs制備方法，受到研究者的高度關(guān)注。 但是，在利用攪拌鑄造法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的過(guò)程中，由于鋁合金熔體表面極易 氧化形成氧化膜，且顆粒與鋁合金熔體的潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)致顆粒加入到鋁合金熔體后容易 出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象；同時(shí)，由于SiC和B 4C顆粒還會(huì)與熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量有害 的界面反應(yīng)物如A14C3、A1 3BC和A1B2。研究表明，增強(qiáng)顆粒分布不均勻及大量的界面反應(yīng)物 都將嚴(yán)重降低PAMCs熔體質(zhì)量及材料的力學(xué)性能。
[0004] 文南犬Oxidation treatments for SiC particles used as reinforcement in aluminum matrix composites(Composites Science and Technology 2004,64,1843-54) 指出SiC顆粒與鋁合金熔體潤(rùn)濕后，SiC顆粒與液態(tài)鋁發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，且生成的界面反應(yīng) 物A14C 3的含量隨熔體保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加，導(dǎo)致結(jié)合界面發(fā)生脆變;文獻(xiàn)Effect of titanium on microstructure and fluidity of AI-B4C composites(Journal of Materials Science 2011,46,3176-85)表明750°C高溫條件下B4C顆粒易于鋁液反應(yīng)并產(chǎn) 生大量有害的界面反應(yīng)物如AhBC和A1B 2,嚴(yán)重降低了復(fù)合材料恪體的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌鑄造制備過(guò)程中SiC或 B4C顆粒潤(rùn)濕性差、分布不均勻、易生成有害界面反應(yīng)物的問(wèn)題，提供一種顆粒混合增強(qiáng)鋁 基復(fù)合材料的制備方法，原材料成本低、來(lái)源方便、制備工藝簡(jiǎn)單;得到的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁 基復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒分布均勻、有害界面反應(yīng)物少、力學(xué)性能優(yōu)良。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法得到的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0007] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] (1)稱取鋁合金原料、碳化物顆粒、K2TiF6顆粒、Ti顆粒，將碳化物顆粒和K2TiF 6顆 粒置于干燥箱中干燥;所述碳化物顆粒為SiC顆?；駼4C顆粒；
[0010] 其中，碳化物顆粒的質(zhì)量為鋁合金原料的5~15% ;Ti顆粒的質(zhì)量為鋁合金原料的 0.4~2% ;碳化物顆粒與K2TiF6顆粒的質(zhì)量比為1:0.3~0.7;
[0011] (2)將碳化物顆粒與1(21^化顆粒混合均勻后，加入Ti顆?；旌现辆鶆?，得到增強(qiáng)顆 ?；旌衔?；
[0012] (3)對(duì)鋁合金原料進(jìn)行熔煉，得到鋁合金熔體；
[0013] (4)在攪拌條件下將步驟(2)得到的增強(qiáng)顆?；旌衔锾砑拥戒X合金熔體中，均勻化 攪拌、除去表面夾渣，得到顆粒混合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0014] 步驟(4)所述在攪拌條件下將步驟(2)得到的增強(qiáng)顆?；旌衔锾砑拥戒X合金熔體 中，均勻化攪拌、除去表面浮渣，得到顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料，具體為：
[0015] (4-1)將鋁合金熔體溫度控制在780~850°C，并將攪拌速度控制在350~450rpm， 將步驟(2)得到的增強(qiáng)顆粒混合物勻速加入攪拌形成的漩渦中，完成增強(qiáng)顆粒的添加；
[0016] (4-2)將鋁合金熔體溫度降至700~730°C，調(diào)整攪拌速度為200~350rpm，均勻化 攪拌20~40min，除去表面浮渣，得到顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0017] 所述碳化物顆粒的平均粒徑為5~50μηι;所述Ti顆粒平均粒徑為20~50μηι。
[0018] 所述步驟(1)所述干燥，具體為：
[0019] 在180~220 °C下干燥1~2h，脫除顆粒表面吸附的水分。
[0020] 步驟(3)所述對(duì)鋁合金原料進(jìn)行熔煉，具體為：
[0021] 對(duì)鋁合金原料的表面進(jìn)行清潔，采用電阻爐進(jìn)行熔煉，然后在720~740°C進(jìn)行常 規(guī)精煉。
[0022] 所述鋁合金原料包括純鋁塊和普通鋁合金塊。
[0023] 所述的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法得到的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材 料，碳化物顆粒的含量為鋁合金的5~12vol. % ;Al3Ti顆粒的含量為鋁合金的1~5vol. %。 [0024] 本發(fā)明的原理為:通過(guò)添加 K2TiF6及Ti顆粒促進(jìn)SiC或B4C顆粒與鋁合金熔體潤(rùn)濕 及均勻分布，減少制備過(guò)程中顆粒的分解及界面反應(yīng)物的生成，同時(shí)利用原位反應(yīng)法生成 TiAl3顆粒與SiC或B4C顆粒進(jìn)行混合增強(qiáng)，從而提高PAMCs熔體質(zhì)量及材料的力學(xué)性能；
[0025] 本發(fā)明的制備方法，制備過(guò)程中涉及化學(xué)反應(yīng)如下：
[0026] Ti+3Al^Al3Ti (1)
[0027] 4Al+3SiC^Al4C3+3Si (2)
[0028] Al4C3+3Ti^3TiC+4Al (3)
[0029] 9A1+2B4C^2A13BC+3A1B2 (4)
[0030] AlB2+Ti^TiB2+Al (5)
[0031] 3Al3Ti+B4C^2TiB2+TiC+9Al (6)
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0033] 1、本發(fā)明采用液態(tài)攪拌鑄造法，將SiC或B4C顆粒、K2TiF6和Ti顆粒的混合物一次性 攪拌加入，設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便，實(shí)現(xiàn)了顆粒混合增強(qiáng)復(fù)合材料的高效制備。
[0034] 2、本發(fā)明利用原位反應(yīng)法涉及上述化學(xué)反應(yīng)（1)制得Al3Ti顆粒，顆粒尺寸小、分 布均勻、增強(qiáng)效果良好，既提高了鋁合金基體的抗拉強(qiáng)度，又保持了基體材料較好的塑性。
[0035] 3、本發(fā)明利用K2TiF6去除了鋁合金熔體表面的氧化膜和熔體中卷入的氣體，有效 地提高了 SiC或B4C顆粒與鋁合金熔體的潤(rùn)濕性，防止了顆粒-氣孔團(tuán)的產(chǎn)生，使得顆粒分布 均勻，制備的復(fù)合材料孔隙率保持在較低的水平。
[0036] 4、本發(fā)明Ti顆粒與界面反應(yīng)物發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)(3)和(5)，有效減少了上述化學(xué) 反應(yīng)(2)和(4)產(chǎn)生的有害界面反應(yīng)物Al4C3和A1B2的含量，同時(shí)反應(yīng)生成的TiC和TiB 2具有 細(xì)化鋁合金基體材料晶粒的作用。
[0037] 5、對(duì)于B4C增強(qiáng)顆粒，上述化學(xué)反應(yīng)(6)生成的TiB2以層狀包覆在B4C顆粒表面，阻 止了 B4C顆粒與鋁液發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)(4)，有效防止了 B4C顆粒的分解和有害界面反應(yīng)物的 產(chǎn)生；同時(shí)TiB2層還增強(qiáng)了B4C顆粒與鋁合金基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0038] 6、本發(fā)明原材料成本低、來(lái)源方便、制備工藝簡(jiǎn)單，制備的復(fù)合材料具有顆粒分布 均勻、力學(xué)性能良好，可以進(jìn)行液態(tài)鑄乳、壓鑄、連鑄、熔模鑄造等后續(xù)成型加工。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1(a)為本發(fā)明的實(shí)施例1的顆粒混合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織放大150倍數(shù)的掃 描電鏡照片。
[0040] 圖1(b)為本發(fā)明的實(shí)施例1的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料組織放大300倍數(shù)的掃 描電鏡照片。
[0041] 圖2(a)為本發(fā)明的實(shí)施例1的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料組織的透射電鏡照片。 [0042]圖2(b)為本發(fā)明的實(shí)施例1的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的連續(xù)的TiB2層的多晶 電子衍射花樣。
[0043] 圖3(a)為本發(fā)明的實(shí)施例2的對(duì)照組的掃描電鏡照片。
[0044] 圖3(b)為本發(fā)明的實(shí)施例2的顆粒混合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0046] 實(shí)施例1
[0047] 本實(shí)施例制備的（B4C，Al3Ti)/Al顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料，其中B4C顆粒為 8vol. % (相對(duì)于錯(cuò)基體，下同），AhTi顆粒為3vol. %。
[0048]所用原料如表1所示。
[0049] 表 1
[0052]本實(shí)施例的顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備過(guò)程如下：[0053] (1)顆粒預(yù)處理
[0050]
[0051]
[0054] 分別將B4C和K2TiF6顆粒在200°C條件下保溫2h脫除水分，然后將10wt.%的B4C顆 粒與K2TiF6顆粒按質(zhì)量比為1:0.5進(jìn)行均勾混合，再與稱取1.2wt