CN104060128B - 原位ZrB2、ALN混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位ZrB_{2 、}ALN混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，其质量组成为:Zn？1-6%、Mg？0.2-4%、ZrB₂？0.1-25%、AlN？0.1-10%，余量为Al。本发明解决了以往混杂颗粒增强铝基复合材料存在的存在脆性相，材料分布不均匀的缺陷。N₂除了参与反应生成AlN外，还起到除气精炼和搅拌的作用。AlN和ZrB₂颗粒在基体中弥散分布，起到了强化作用，使基体的强度和模量得到明显提高。本发明具有良好的力学性能和成形能力，可以广泛应用于要求高强度、高模量的形状复杂零件上，同时在航空航天、国防、工业等领域也有着广泛的应用。

Description

原位ZrB2、ALN混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料技术领域，具体地说，是一种原位混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料由于具有轻质高强、高刚度、低热膨胀系数等优点，在航空、航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。传统的铝基复合材料是将增强颗粒外加到铝基体中，由于在铝基体中外加颗粒存在着增强颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，增强颗粒分布不均匀等缺陷，影响了铝基复合材料的性能。同时采用外加颗粒的制备工艺复杂，成本较高，阻碍了铝基复合材料的推广应用。混杂增强可以改善单一增强体的不足，使各种增强材料不同性质的相互补充，产生混杂效应，进一步提高材料的性能。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为:1376805，公开日为:2002.10.30，发明名称为:一种高强度原位铝基复合材料，该复合材料是一种原位自生A1₂O₃、TiB2颗粒混杂增强铝基复合材料。该复合材料由于反应粉末的微区不均匀分布而造成生成产物中存在脆性相TiAl₃，影响了复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种原位混杂颗粒增强铝基复合材料，增强颗粒在基体中弥散分布，起到强化作用，使基体的强度和模量得到明显提高。

本发明的一种原位ZrB_2、AlN混杂颗粒增强铝基复合材料，其质量组成为:Zn1-6%、Mg0.2-4%、ZrB₂0.1-25%、AlN0.1-10%，余量为Al。

其中，所述的AlN为尺寸20-200nm的颗粒；所述的ZrB₂为尺寸20-200nm的颗粒。

本发明的原位ZrB_2、ALN混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

（1）在坩埚中加入工业纯铝，使铝熔化，升温至950-1200℃；

（2）将KBＦ_４、K₂ZrF₆均匀混合烘干，得混合盐，所述KBF_４与K₂ZrF₆的质量比为1:1-1.5；

（3）然后将混合盐加入步骤（1）的熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入N₂，搅拌反应10-60min，反应结束后，除去反应熔渣；

（4）向步骤（3）所得熔体中加入Zn、Mg，通入惰性气体除气精炼，除去浮渣，静置5-15min，再浇注到模具中，得到原位混杂增强铝基复合材料。

步骤（3）熔渣可使用扒渣勺舀出。

步骤（4）在向熔体中加入Zn、Mg时，向熔体中通入Ar气，对熔体进行除气精炼,然后除去表面浮渣。

本发明原位ZrB_2、ALN混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法中，步骤（1）纯铝、步骤（2）混合盐、步骤（4）Zn以及Mg的质量比依次为10kg：55-10000g：100-630g；32-435g。

本发明解决了以往混杂颗粒增强铝基复合材料存在脆性相，材料分布不均匀的缺陷。N₂除了参与反应生成AlN外，还可以起到搅拌熔体的作用。AlN和ZrB₂颗粒在基体中弥散分布，起到了强化作用，使基体的强度和模量得到明显提高。本发明具有良好的力学性能和成形能力，可以广泛应用于要求高强度、高模量的形状复杂零件上，同时在航空航天、国防、工业等领域也有着广泛的应用。

附图说明

图1为本发明复合材料增强相XRD图谱。

具体实施方式

下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。

实施例1

在坩埚中加入工业纯铝10kg，使铝锭熔化，升温至1100℃，将55gKBF_４与K₂ZrF₆按质量比1:1.1均匀混合，烘干，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，同时使用石英管向熔体中通入N₂；反应10min后，取出反应熔渣，加入100gZn、32gMg，通入氩气除气精炼，扒去浮渣，然后静置；然后浇注到模具中，得到原位混杂增强铝基复合材料，经化学分析，复合材料中各组分的质量百分比为:Zn1%、Mg0.2%、ZrB₂O.1%、AlN0.1%，余量为Al，采用10%NaOH溶液腐蚀复合材料的基体，萃取得到复合材料中的增强颗粒，其XRD谱线如附图所示。在复合材料中，AlN和ZrB₂颗粒的尺寸在20-200nm，颗粒形状主要为六方形或长方体。材料致密均匀，AlN和ZrB₂增强颗粒弥散分布在基体中，AlN和ZrB₂与基体界面干净，结合良好。经过T6处理的复合材料的力学性能:抗拉强度σ_b=532MPa，屈服强度σ_0.2=395MPa，断后伸长率δ=8.3%，弹性模量E=76GPa。

实施例2

在坩埚中加入工业纯铝10kg，使铝锭熔化，升温至1000℃，将5750gKBF_４与K₂ZrF₆按质量比1:1.3均匀混合，烘干，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，同时使用石英管向熔体中通入N₂；反应30min后，取出反应熔渣，加入320gZn、220gMg，通入氩气除气精炼，扒去浮渣，然后静置；然后浇注到模具中，得到原位混杂增强铝基复合材料，经化学分析，复合材料中各组分的质量百分比为:Zn3%、Mg2%、ZrB₂12%、AlN5%，余量为Al。在复合材料中，AlN和ZrB₂颗粒的尺寸在20-200nm，颗粒形状主要为六方形或长方体。材料致密均匀，AlN和ZrB₂增强颗粒弥散分布在基体中，AlN和ZrB₂与基体界面干净，结合良好。经过T6处理的复合材料的力学性能:σ_b=597MPa，σ_O.2=480MPa，δ=4.9%，E=86GPa。

实施例3

在坩埚中加入工业纯铝10kg，使铝锭熔化，升温至1100℃，将10kgKBF_４与K₂ZrF₆按质量比1:1.5均匀混合，烘干，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，同时使用石英管向熔体中通入N₂；反应60min后，取出反应熔渣，加入630gZn、435gMg，通入氩气除气精炼，扒去浮渣，然后静置；然后浇注到模具中，得到原位混杂增强铝基复合材料，经化学分析，复合材料中各组分的质量百分比为:Zn6%、Mg4%、ZrB₂25%、AlN10%，余量为Al。在复合材料中，AlN和ZrB₂颗粒的尺寸在20-200nm，颗粒形状主要为六方形或长方体。材料致密均匀，AlN和ZrB₂增强颗粒弥散分布在基体中，AlN和ZrB₂与基体界面干净，结合良好。经过T6处理的复合材料的力学性能:σ_b=561MPa，σ_O.2=380MPa，δ=2.2%，E=96GPa。

Claims (1)

1.原位ZrB₂、AlN混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在坩埚中加入工业纯铝，使铝熔化，升温至950-1200℃；

（2）将KBF_４、K₂ZrF₆均匀混合烘干，得混合盐，所述KBF_４与K₂ZrF₆的质量比为1:1-1.5；

（3）然后将混合盐加入步骤（1）的熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入N₂，搅拌反应10-60min，反应结束后，除去反应熔渣；

（4）向步骤（3）所得熔体中加入Zn、Mg，通入惰性气体除气精炼，除去浮渣，静置5-15min，再浇注到模具中，得到原位混杂增强铝基复合材料；

所述原位ZrB₂、AlN混杂颗粒增强铝基复合材料，其质量组成为:Zn1-6%、Mg0.2-4%、ZrB₂0.1-25%、AlN0.1-10%，余量为Al；所述的AlN为尺寸20-200nm的颗粒；所述的ZrB₂为尺寸20-200nm的颗粒。