CN101748306A

CN101748306A - 多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN101748306A
Application number: CN200810243183A
Authority: CN
Inventors: 毛建伟; 张建平; 乐永康
Original assignee: Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Aluminum Material Applied Research Institute Co Ltd
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: CN101748306B

Abstract

本发明涉及多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料及制备工艺，材料的基体为铝及其合金，镁及其合金，混杂增强相为原位内生的TiC、TiB₂和真空搅拌铸造法加入的SiC颗粒，增强相TiC、TiB₂颗粒的质量百分数分别为4～20wt％，SiC颗粒的体积百分比为4～25vol％。制备工艺：先熔炼基体，并对基体进行细化、打渣、精炼和除气；通氩气保护，然后进行原位内生反应和真空搅拌铸造复合工艺，再经过真空精炼和除气处理，卸真空，扒去浮渣及氧化物夹杂，静置后进行浇注，制得高性能多相陶瓷混杂复合增强(TiC+TiB₂+SiC)/M(M＝Al及其合金，Mg及其合金)金属基复合材料。本发明充分发挥多相混杂增强的互补作用及其优点，显著改善复合材料的各项性能；工艺简单，易于规模化生产。

Description

多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及金属基复合材料及制备方法，尤其涉及一种多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料及其制备工艺。

背景技术

金属基复合材料是现代高新科学技术发展与应用的一个重要领域，既具有基体的优点，又兼备引进增强相所产生的特性，如高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、抗疲劳等特性。其中，研究较多的是铝基、镁基和钛基等金属基复合材料。该类材料适于制造新型环保活塞、气缸、刹车片等部件，同时也是制造连杆、传动装置等的理想材料。在众多复合材料的研究与制备过程中，添加的增强相的尺寸、形状、分布及其与界面的结合强度对新型金属基复合材料性能影响很大。

传统金属基复合材料的制备原理是将单一增强相外加到基体中或在基体中生成单一的增强相来达到改善基体的某方面特性或综合性能，如材料的强度、耐高温等性能。实践证明，上述两种方法都存在各自的缺点，譬如：将单一增强相外加到基体中的工艺由于在制备和浇注过程中因增强相自身重力作用而发生偏析或聚集，使得增强相在基体中分布均匀性差，复合材料性能低；而在基体中生成单一增强相的工艺因增强相的含量有限，难以制备出高性能的金属基复合材料。国内外对单一技术制备金属基复合材料的研究很多，如采用真空反压渗、喷射共沉积等工艺技术来引入增强相制备金属基复合材料，但上述工艺存在增强相尺寸大、界面结合差等问题，且只适合实验室研究与应用制备，难适合规模化生产的需要。采用真空搅拌铸造和原位复合工艺结合的复合制备技术可以改善单一制备方法的不足，使不同增强相自身的特性得到相互补充，产生多相混杂复合强化效应，进一步提高材料性能。

文献检索发现，中国专利01140427.2介绍了利用粉末冶金法制备铝基复合材料的工艺方法，但该方法存在增强颗粒价格高，工艺复杂等问题，未能满足规模化生产要求。而且，此法制备的复合材料中增强相与基体之间润湿性差、界面反应难控制。中国专利200610041896.3介绍一种高强耐热混杂增强铝基复合材料的制备方法，制备了Al₃Ti、TiB₂和SiC混杂增强的铝基复合材料，但该工艺的缺点是制备的Al₃Ti为脆性硬质相，不利于复合材料性能的发挥，反应盐渣难清理彻底，而且在常规条件下难以除尽熔体中的气体，降低材料性能，增强相的含量有限，未能很好发挥增强颗粒的增强效果及其协同作用。文献《(TiB₂+SiC)/ZL109复合材料的制备及其力学性能》(赵德刚，《铸造》，2004，53(2)：97-100)用原位合成和搅拌铸造相结合的方法制备混杂增强铝基复合材料，其工艺存在搅拌不充分、易卷气、清理反应盐渣时易将SiC颗粒清理掉等问题，且所制备的复合材料颗粒含量有限(4％SiC+2％TiB₂)，增强相之间无明显相互作用，未体现出材料性能比单一增强相增强的复合材料有较大提高的优越性，又存在难以除尽材料中的气体等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料及制备工艺，旨在有效解决颗粒增强金属基复合材料存在的强度、模量等性能低、颗粒均匀性差、单一增强相增强效果不足等问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料，特点是：基体为铝及其合金，镁及其合金，混杂增强相为TiC、TiB₂及SiC颗粒。TiC和TiB₂的质量百分数分别为4～20wt％，SiC颗粒的体积百分比为4～25vol％。

进一步地，多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，加入经烘干M-Ti(M＝Al、Mg)中间合金、MBF₄(M＝K、Na)反应盐原位生成TiC、TiB₂增强相，并通过真空搅拌铸造法进行SiC颗粒的复合加入，并加以快速搅拌工艺，制备出组织性能优良的多相陶瓷混杂增强(TiC+TiB₂+SiC)/M(M＝Al及其合金、Mg及其合金)金属基复合材料，其特征在于：具体包括以下步骤——

①将基体熔化后，用覆盖剂覆盖基体熔体，升温至660～900℃；

②对熔融的基体进行细化变质、打渣、精炼和除气处理；

③温度达660～900℃时，通入氩气保护，在基体熔体中加入经烘干的Al-Ti中间合金(或Mg-Ti中间合金)、KBF₄反应盐(或NaBF₄反应盐)和B₄C预制块(或Al-Ti-C预制块)，其加入量按分别生成4～20wt％的TiC、TiB₂增强相加以控制，并以500～2000r/min的速度搅拌10～20min；

④待反应结束后，清除反应盐渣，在真空条件下进行增强相SiC颗粒的搅拌铸造复合工艺，控制SiC颗粒的含量在4～25vol％；复合结束后在真空条件下精炼和除气处理，静置，卸真空，扒去浮渣，再次静置后进行浇注。

更进一步地，上述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，覆盖剂为CH-T型无钠型覆盖剂。

再进一步地，上述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，步骤④增强相SiC颗粒搅拌铸造复合工艺的搅拌速度为300～2500r/min，搅拌时间30～60min，搅拌温度660～900℃。

再进一步地，上述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，步骤④所述真空条件的绝对压力为0.01×10^-2MPa～1×10^-2MPa。

再进一步地，上述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，步骤④扒去浮渣，于730～780℃静置10～15min后，进行浇注。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明利用盐-中间合金和真空搅拌铸造工艺相结合的技术制备高性能金属基复合材料，原位内生的TiC、TiB₂颗粒细小(100～200nm)，表面洁净，增强相利用率高，在基体中均匀分布，TiC、TiB₂颗粒与基体具有良好的界面结合及共格关系，并能有效地细化晶粒；真空搅拌铸造复合的SiC颗粒分布均匀，几乎未有团聚的现象；

②制备的TiC、TiB₂增强相的质量分数容易控制，反应副产物易清理彻底，熔体干净；增强相SiC颗粒的加入显著提高材料的耐磨和耐热特性，而TiC、TiB₂的生成又在很大程度上阻止SiC颗粒因自身重力作用而产生的偏析或偏聚，改善SiC颗粒在复合材料中的分布均匀性；制备的金属基复合材料的弹性模量、常温与高温力学性都能有明显提高，为进一步开发高性能复合材料提供依据；

③制备工艺简便，原材料来源广泛，成本低廉，为工业化生产性能优异的金属基复合材料奠定良好的基础；该工艺与热挤压结合可使材料进一步强化，改善增强相的分布均匀性，广泛地应用于宇航、汽车等领域的高强金属基复合材料的制备，市场应用前景潜力巨大。

具体实施方式

本发明提供一种多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料及制备工艺，制备更稳定、性能优良的增强相，多相颗粒(如TiC、TiB₂、SiC)在基体中均匀弥散分布，在解决外加SiC颗粒的重力偏析缺陷的同时也改善了单一TiB₂或TiC颗粒增强金属基复合材料模量低的缺点，综合发挥了两种单一制备工艺方法的优势，复合材料中基体和增强颗粒的界面干净，结合良好，颗粒分布均匀，进一步提高和改善了金属基复合材料的性能。

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料以铝及其合金，或镁及其合金为基体，增强相为原位内生的纳米级TiC、TiB₂颗粒，及通过真空搅拌铸造复合工艺引入的SiC陶瓷颗粒，TiC、TiB₂的质量百分数分别为4～20wt％，SiC颗粒的体积百分比为4～25vol％。

该多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备方法，通过原位内生和真空搅拌铸造工艺相结合的复合制备工艺来实现，采用覆盖剂覆盖及氩气惰性气体保护，先利用盐-中间合金反应法制备内生TiC、TiB₂增强的(TiC+TiB₂)/M(M＝Al及其合金，Mg及其合金)复合材料母体，之后在真空环境中通过搅拌铸造法进行SiC的复合，从而制得高性能多相陶瓷混杂复合增强(TiC+TiB₂+SiC)/M(M＝Al及其合金，或Mg及其合金)金属基复合材料，具体工艺过程是：①在熔炼坩埚内加入铝及其合金或镁及其合金基体(已有牌号的铝、镁及其合金，或其它新型铝、镁合金)，基体完全熔化后，用CH-T型无钠型覆盖剂覆盖基体熔体，升温至660～900℃；②对熔融基体进行细化变质、打渣、精炼和除气等工艺；③温度在660～900℃时，通氩气保护，在基体熔体中加入经烘干的M-Ti(M＝Al或Mg)中间合金、MBF₄(M＝K或Na)反应盐和B₄C(或Al-Ti-C)预制块，其加入量按分别生成4～20wt％的TiC、TiB₂增强相加以控制，并以500～2000r/min的速度搅拌10～20min；④反应结束后，清除反应盐渣，在真空炉(绝对压力为0.01×10^-2MPa～1×10^-2MPa)内进行SiC颗粒的搅拌复合工艺，搅拌速度为300～2500r/min，搅拌时间30～60min，搅拌温度660～900℃，控制SiC颗粒的体积比在4～25vol％，混杂增强相TiC、TiB₂、SiC的质量比为1∶(1～2.5)∶(1～5)；复合结束后进行真空(绝对压力为0.01×10^-2MPa～1×10^-2MPa)精炼和除气处理，静置，卸去真空，扒去浮渣，于730～780℃静置10～15min后，浇注，制备出组织性能优良的(TiC+TiB₂+SiC)/M(M＝Al及其合金，Mg及其合金)金属基复合材料。

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料具体为(TiC+TiB₂+SiC)/ZL108铝基复合材料。

选用ZL108铸铝合金为基体，在熔炉中采用普通铝合金熔炼法对基体进行熔配，待基体熔化后，对熔体细化变质、打渣、精炼。在熔体表面加入CH-T型无钠型覆盖剂后升温到660～900℃，通氩气，加入经预热的Al-Ti中间合金、KBF₄反应盐和B₄C预制块，其加入量按生成增强相TiC、TiB₂的质量百分比分别控制在4％、6％，并以500～2000r/min转速搅拌10～20min；待反应结束后，清除反应盐渣，在真空炉内进行增强相SiC颗粒的搅拌复合工艺，控制SiC颗粒的体积百分比在5％，增强相TiC、TiB₂、SiC的质量比为1∶1.5∶1。启动搅拌系统，以1200r/min的转速搅拌20～30min，待颗粒均匀分布后，对熔体进行真空精炼除气处理，卸去真空，扒去浮渣，静置10～15min，静置温度730～780℃，进行浇注。将该复合材料进行T6热处理工艺后，(TiC+TiB₂+SiC)/ZL108铝基复合材料的力学性能：R_m＝342MPa，HB＝135，A＝2.1％，E＝96GPa。

实施例2

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料具体为(TiC+TiB₂+SiC)/2024铝基复合材料。

选用2024为基体，在熔炼炉中采用普通铝合金熔炼法对基体进行熔配，待基体熔化后，对熔体细化变质、打渣、精炼。在熔体表面加入CH-T型无钠型覆盖剂后升温到660～900℃，通氩气，加入经预热的Al-Ti中间合金、NaBF₄反应盐和Al-Ti-C预制块，其加入量按生成增强相TiC、TiB₂的质量百分比分别控制在8％、10％，并以500～2000r/min转速搅拌10～20min；待反应结束后，清除反应盐渣，在真空炉内进行增强相SiC颗粒的搅拌复合工艺，控制SiC颗粒体积百分比在15％，增强物TiC、TiB₂、SiC的质量比为1∶1.5∶2。启动搅拌系统，以1000～1300r/min的转速搅拌20～30min，待颗粒均匀分布后，对熔体进行真空精炼除气处理，之后卸去真空，扒去熔体表面浮渣，静置10～15min，静置温度730～780℃，进行浇注。将该复合材料进行T6热处理工艺后，(TiC+TiB₂+SiC)/2024铝基复合材料的力学性能：R_m＝414MPa，HB＝125，A＝3.1％，E＝101GPa。

实施例3

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料具体为(TiC+TiB₂+SiC)/AZ31镁基复合材料。

选用AZ31为基体，在熔炼炉中采用普通镁合金熔炼法对基体进行熔配，待基体熔化，对熔体细化处理、打渣、精炼。在熔体表面加覆盖剂后升温到660～900℃，通氩气，加入经预热的Mg-Ti中间合金、KBF₄反应盐和B₄C预制块，其加入量按生成物TiC、TiB₂的质量百分比分别控制在10％、20％，并以500～2000r/min转速搅拌10～20min；待反应结束，清除反应盐渣后，在真空炉内进行增强相SiC颗粒的搅拌复合工艺，控制SiC颗粒体积百分比在10％，增强物TiC、TiB₂、SiC的质量比为1∶1∶1.2。启动搅拌系统，以1200r/min转速搅拌20～30min，待颗粒均匀分布后，对熔体进行真空精炼除气处理，卸去真空，扒去浮渣，静置10～15min，静置温度730～780℃，进行浇注。将该复合材料进行T6热处理工艺后，(TiC+TiB₂+SiC)/AZ31镁基复合材料的力学性能：R_m＝387MPa，HB＝110，E＝96GPa。

实施例4

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料具体为(TiC+TiB₂+SiC)/AZ91镁基复合材料。

选用AZ91为基体，在熔炼炉中采用普通镁合金熔炼法对基体进行熔配，待基体熔化，对熔体细化处理、打渣、精炼。在熔体表面加覆盖剂后升温到660～900℃，通氩气，加入经预热的Mg-Ti中间合金、NaBF₄反应盐和Al-Ti-C预制块，其加入量按生成物TiC、TiB₂的质量百分比分别控制在10％、12％，并以500～2000r/min转速搅拌10～20min；待反应结束后，清除反应盐渣，在真空炉内进行增强相SiC颗粒的搅拌复合工艺，控制SiC颗粒体积百分比在25％，增强物TiC、TiB₂、SiC的质量比为1∶1.2∶1.6。启动搅拌系统，以1200r/min的转速搅拌20～30min，待颗粒均匀分布后，对熔体进行真空精炼除气处理，卸去真空，扒去浮渣，静置10～15min，静置温度730～780℃，进行浇注。将该复合材料进行T6热处理工艺后，(TiC+TiB₂+SiC)/AZ91镁基复合材料的力学性能：R_m＝406MPa，HB＝120，E＝100GPa。

实施例5

多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料具体为(TiC+TiB₂+SiC)/7075铝基复合材料。

选用7075为基体，在熔炼炉中采用普通铝合金熔炼法对基体进行熔配，待基体熔化后，对熔体细化处理、打渣、精炼。在熔体表面加覆盖剂后升温到660～900℃，通氩气，加入经预热的Al-Ti中间合金、NaBF₄反应盐和B₄C预制块，其加入量按生成增强相TiC、TiB₂的质量百分比分别控制在8％、20％，并500～2000r/min转速搅拌10～20min；待反应结束后，清除反应盐渣，在真空炉内进行增强相SiC颗粒搅拌复合工艺，控制SiC颗粒体积百分比在20％，增强物TiC、TiB₂、SiC质量比为1∶1.5∶2.5。启动搅拌系统，以1000～1300r/min的转速搅拌20～30min，待颗粒均匀分布后，对熔体进行真空精炼除气处理，之后卸去真空，扒去熔体表面浮渣，静置10～15min，静置温度730～780℃，进行浇注。将该复合材料进行T6热处理工艺后，(TiC+TiB₂+SiC)/2024铝基复合材料的力学性能：R_m＝784MPa，HB＝165，A＝3.3％，E＝111GPa。

综上所述，本发明利用原位内生和真空搅拌铸造相结合的工艺，解决了单一增强相的金属基复合材料弹性模量不高的问题，又改善和克服了外加颗粒因重力作用而产生的偏析或聚集现象。所制备的复合材料中增强相颗粒表面洁净，与基体结合良好，在基体中分散均匀好，充分发挥多相混杂增强的互补作用及其优点，显著改善和提高复合材料的各项性能，可规模化生产。工艺简洁，可操作性强，为工业化生产综合性能优异的金属基复合材料奠定了良好的基础，应用前景广阔。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料，其特征在于：材料的基体为铝及其合金、镁及其合金，混杂增强相为TiC、TiB₂及SiC颗粒，TiC和TiB₂的质量百分数分别为4～20wt％，SiC颗粒的体积百分比为4～25vol％。

2.权利要求1所述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤——

②对熔融的基体进行细化变质、打渣、精炼和除气处理；

③温度达660～900℃时，通入氩气保护，在基体熔体中加入经烘干的Al-Ti中间合金或Mg-Ti中间合金、KBF₄反应盐或NaBF₄反应盐和B₄C预制块或Al-Ti-C预制块，其加入量按分别生成4～20wt％的TiC、TiB₂增强相加以控制，并以500～2000r/min的速度搅拌10～20min；

3.根据权利要求2所述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，其特征在于：覆盖剂为CH-T型无钠型覆盖剂。

4.根据权利要求2所述的多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料的制备工艺，其特征是在于，步骤④增强相SiC颗粒搅拌铸造复合工艺的搅拌速度为300～2500r/min，搅拌时间30～60min，搅拌温度660～900℃。

5.根据权利要求2所述的多相陶瓷复合混杂增强金属基复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤④所述真空条件的绝对压力为0.01×10^-2MPa～1×10^-2MPa。

6.根据权利要求2所述的多相陶瓷混杂复合增强金属基复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤④扒去浮渣，于730～780℃静置10～15min后，进行浇注。