一种增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种增强铝基复合材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1：将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，形成增强铝基复合材料熔体；S2：对增强铝基复合材料熔体施加雾化压力使其气雾化冷却形成粉末。通过对增强铝基复合材料熔体进行气雾化冷却，熔体在气雾化作用下形成粉末；在高冷却速率下增强相纳米颗粒还来不及发生团聚就已经被分散固定在粉末中，而且高冷却速率能够有效抑制凝固过程中固/液界面前沿对异质颗粒(即增强相颗粒)的推移作用，从而促进原位自生的增强相在铝基复合材料晶体内均匀分布，很好地克服了增强相颗粒偏聚于晶界的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及铝基复合材料领域，特别是涉及一种增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着能源和环境问题日益突出，交通运输、航空航天、电子通信以及体育产业等领域对材料性能的要求不断提高，对兼具多种结构与功能于一体的轻质高性能金属基复合材料的需求越来越大。陶瓷颗粒增强铝基复合材料兼有金属的可塑性和强韧性及增强体的高强度、高刚度的优点，具有轻质、比强度高、比模量高、可设计性强等优点。但是，传统铝基复合材料存在界面润湿性差、颗粒分布不均匀、成本高是影响其制备和推广应用等问题。增强铝基复合材料是一种在传统铝基复合材料中掺入热力学稳定的增强相的新型材料。一般地，增强铝基复合材料使用外加法制备而得，也就是将铝基复合材料熔融后直接加入增强相一起熔炼。这种方法制得的增强铝基复合材料中的增强相与铝基复合材料结合较弱，稳定性不足。相比之下，采用原位自生的方法制得原位自生增强铝基复合材料即可克服上述问题。该方法是在使用各种原料制备铝基复合材料的过程中就加入了增强相一起熔炼，在形成铝基复合材料的过程中将增强相包裹在内部，其内部的增强相热力学稳定、表面无污染、与铝基复合材料结合强度高。且原位自生铝基复合材料的增强相尺寸细小，一般小于2μm，甚至达到纳米级；同时，增强相在熔体中原位生成，与铝基复合材料的相容性好，可以对铝基复合材料起明显的强化作用，从而使铝基复合材料的性能进一步提高。然而，原位自生的方法在冷却过程中由于增强相颗粒达到微纳尺度，由于其巨大的表面能会导致明显的颗粒团聚现象，将严重削弱增强相对铝基复合材料的强化作用。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供一种增强铝基复合材料及其快速凝固制备方法，能够有效解决在铝基复合材料中原位自生的增强相由于尺寸小、表面能大产生的团聚问题。本专利技术所述增强铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：S1：将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，形成增强铝基复合材料熔体；S2：对增强铝基复合材料熔体施加雾化压力使其气雾化冷却形成粉末。与现有技术相比，本专利技术将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，在熔炼过程中增强相反应物在铝基合金原料的熔体内部原位反应生成增强相，与铝基合金的原料形成铝基复合材料熔体。在高温的熔体中，增强相具有很大的流动性和分散性，可以以纳米颗粒的形式均匀分散在铝基复合材料熔体中而不发生团聚。对增强铝基复合材料熔体进行气雾化冷却，熔体在气雾化作用下形成粉末；在高冷却速率下增强相纳米颗粒还来不及发生团聚就已经被分散固定在粉末中，从而促进原位自生的增强相在铝基复合材料晶体内均匀分布，很好地克服了现有技术中增强相颗粒偏聚于晶界的问题。进一步，所述雾化压力为1.0～1.3Mpa。进一步，所述增强相为陶瓷、金属间化合物中的一种或两种。进一步，所述陶瓷包括TiB2、ZrB2、TiC、Al2O3中的任意一种或多种。进一步，所述金属间化合物包括Al3Ti、Al3Zr、Mg2Si中的任意一种或多种。进一步，步骤S1中所述熔炼温度为750～900℃本专利技术还提供一种增强铝基复合材料，包括铝基合金和均匀分散在铝基合金内部的增强相，所述增强相的颗粒平均尺寸小于100nm。进一步，所述增强相为陶瓷、金属间化合物中的一种或两种。进一步，所述陶瓷包括TiB2、ZrB2、TiC、Al2O3中的任意一种或多种；所述金属间化合物包括Al3Ti、Al3Zr、Mg2Si中的任意一种或多种。进一步，所述铝基合金为2024铝合金或者铝硅合金。附图说明图1为本专利技术的操作流程图；图2和图3为实施例1的增强铝基复合材料的微观形貌图；图4为实施例1的增强铝基复合材料的宏观照片。具体实施方式本专利技术的增强铝基复合材料的制备方法的操作流程如图1所示，首先进行复合材料成分设计，配制原料并进行干燥；然后进行真空熔炼，并在熔炼过程中添加反应物并保持搅拌；接着进行气体雾化制粉和致密化处理。通过在熔融后进行气雾化冷却，在高冷却速率下有效抑制凝固过程中增强相颗粒的团聚作用，促进增强相颗粒的均匀分布。以下通过具体实施例来详细说明本专利技术的技术方案。实施例1本实施例1以陶瓷TiB2作为增强相，增强相反应物选用K2TiF6和KBF4的混合盐；铝基合金选择2024铝合金，2024铝合金的原料包括基体和复合元素，其中基体选用纯度为99.95％的纯铝锭，复合元素选择纯度为99.95％的铜、锰、镁、铬和锌金属锭，其中铜、锰、镁、铬、锌和纯铝锭各自质量比依次为：铜：3.8～4.9％、锰：0.30～1.0％、镁：1.2～1.8％、铬：0.10％、锌：0.25％，余量为铝。在制备2024铝合金中原位自生TiB2增强相的具体步骤如下：S1：将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，使增强相反应物在铝基复合材料内部反应生成增强相，形成增强铝基复合材料熔体。具体地，按照1:2.2的摩尔比将K2TiF6和KBF4混合后研磨成细小粉末，放入箱式电阻炉中在200～300℃下预约2h以上作为TiB2增强相反应物。另外在200～300℃的箱式电阻炉中将纯度为99.95％的纯铝锭预热2h以上，然后将预热后的纯铝锭投入真空熔炼炉中熔化成纯铝熔体。将纯铝熔体温度提高至850～900℃后，向纯铝熔体中投入TiB2增强相反应物。同时将熔炼炉盖上的搅拌装置插入熔体中，以300r/min的速率搅拌5min后保温30min得到原位自生TiB2熔体。将原位自生TiB2熔体静置降温至800℃，然后按照熔点从高到低的顺序依次加入纯度为99.95％的铜、锰、镁、铬和锌金属锭得到增强铝基复合材料熔体。S2：对增强铝基复合材料熔体施加雾化压力使其雾化冷却形成粉末。将步骤S1制得的增强铝基复合材料熔体分步倒入温度为850℃的中间包中，然后对其施加1.1～1.3MPa的雾化压力使其雾化冷却。具体地，将一直径为3.0mm导流管通入中间包内，并使雾化介质氮气通过导流管喷向原位自生增强铝基复合材料熔体，使原位自生增强铝基复合材料熔体受到1.1～1.3MPa的雾化压力后雾化冷却形成粉末。雾化结束后，采用标准筛去除粒度大于74μm的部分粉末。S3：对粉末进行致密化处理。依次采用冷压成型、热压烧结和热处理的方式对步骤S2制得的粉末进行致密化处理。具体地，首先在400t液压机上，采用钢模对上述粉末施加300MPa的压力并保持10s，将其冷压成直径50毫米的粉末压坯。然后将粉末压坯置于石墨模具中，在氩气保护下，将粉末压坯温度升至500℃。保温10min后对粉末压坯施加45MPa压力，并保温保压60min使之成型。成型后随炉降温，获得块体材料；最后将上述块状材料置于箱式电阻炉中并在480℃下保温6h，保温结束后水淬冷却。之后于185℃保温12小时，保温结束后随炉冷却。使用扫描电子显微镜对上述制得的增强铝基复合材料进行微观形貌表征，结果如图2和图3所示，其中亮色颗粒表示原位自生的TiB2增强相的颗粒。图2和图3反映，在本实施例的增强铝基复合材料中，TiB2增强相呈颗粒状地均匀地分散在铝基复合材料中，且TiB2增强相的颗粒尺寸均一，通过统计计算得到TiB2增强相颗粒平均尺寸小于100nm。请参照图4，该图是本实施例经过致密化后得到的增强铝基复合材料的宏观照片，利用本实施例的原位自生增强铝基复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，形成增强铝基复合材料熔体；S2：对增强铝基复合材料熔体施加雾化压力使其气雾化冷却形成粉末。

【技术特征摘要】
1.一种增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，形成增强铝基复合材料熔体；S2：对增强铝基复合材料熔体施加雾化压力使其气雾化冷却形成粉末。2.根据权利要求1所述增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述雾化压力为1.0～1.3Mpa。3.根据权利要求2所述增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述增强相为陶瓷、金属间化合物中的一种或两种。4.根据权利要求3所述增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷包括TiB2、ZrB2、TiC、Al2O3中的任意一种或多种。5.根据权利要求4所述增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属间化合物包括Al3Ti、Al3Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，刘宇轩，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43