CN105568035A - 一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料制备工艺技术领域，涉及一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法；该方法中将纳米级陶瓷颗粒通过转喷微注方式加入至铝合金熔体中，使纳米级陶瓷颗粒均匀弥散地分布于铝合金熔体中，解决了纳米级颗粒的团聚问题，且与铝合金熔体产生了良好的复合，获得高强度、高塑性复合材料；将Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末进行混制，然后将其粉碎过筛；向处于半固态状态的铝熔体中通入氩气，同时以转喷微注方式向氩气气流中连续微量喷入上述粉碎后的混合增强相粉末；搅拌与微量喷入相结合，二者同时进行，通过旋转叶片将携带增强相粉末的气泡打碎；转喷微注完成后将铝熔体迅速升温至浇铸温度，进行浇铸；本发明主要应用在材料制备方面。

Description

一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备工艺技术领域，更具体而言，涉及一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
随着纳米技术的兴起，通过物理或化学方法将纳米颗粒均匀地弥散在金属及其合金基体中，从而获得高性能金属基纳米复合材料，得到人们广泛地关注。高性能铝基纳米复合材料，由于具有高比强度、出色的韧性和抗疲劳能力，良好的耐热、耐磨、耐蚀性，因此在航空、航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来纳米材料及铝基复合材料交叉领域中的研究热点。由强化理论可知，增强相尺寸愈小，强化效果就愈明显，其强塑性愈高，所以人们无不期待着用细小颗粒增强铝合金，以获得高强度、高塑性复合材料，所以制造细小颗粒、组织致密的复合材料有着重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明提供了一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法中将纳米级陶瓷颗粒通过转喷微注方式加入至铝合金熔体中，使纳米级陶瓷颗粒均匀弥散地分布于铝合金熔体中，解决了纳米级颗粒的团聚问题，且与铝合金熔体产生了良好的复合，获得高强度、高塑性复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
增强相制备的步骤：将Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末进行混制，然后将其粉碎过筛；
转喷微注的步骤：向处于半固态状态的铝熔体中通入氩气，同时以转喷微注方式向氩气气流中连续微量喷入上述粉碎后的混合增强相粉末；
搅拌的步骤：搅拌与微量喷入相结合，二者同时进行，通过旋转叶片将携带增强相粉末的气泡打碎，使增强相粉末充分与铝熔体接触而融为一体，防止气泡直接将增强相粉末带出金属熔体；
浇铸成型的步骤：转喷微注完成后将铝熔体迅速升温至浇铸温度，进行浇铸。
上述增强相制备的步骤中，Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末采用球磨的方式混合。
上述增强相制备的步骤中，Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末按照质量比为3∶1进行混合。
上述增强相制备的步骤中，Al粉粒度为25-35μm，纳米Al2O3颗粒粉末粒度为25-35nm，球磨混合时间为4-6h，粉碎过55-65μm的筛子。
上述增强相制备的步骤中，Al粉粒度为30μm，纳米Al2O3颗粒粉末粒度为30nm，球磨混合时间为5h，粉碎过60μm的筛子，避免团聚大颗粒。
上述转喷微注的步骤中，加入Al2O3的质量为复合材料总质量的1％-2％，所述混合增强相粉末在氩气气流的带动下连续微量喷入铝熔体中。
上述转喷微注的步骤中，加入Al2O3的质量为复合材料总质量的1.5％。
上述搅拌的步骤中，搅拌与微量喷入共同作用的时间为15-25min，搅拌喷入时铝熔体的温度为640℃，搅拌转速为400～600r/min。
上述搅拌的步骤中，搅拌与微量喷入共同作用的时间为20min，搅拌转速为500r/min。
上述浇铸成型的步骤中，铝熔体迅速升温至720℃。
上述旋转叶片的材质为钢。
与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：
本发明提供了一种制备铝基陶瓷抗磨复合材料的新型简单工艺方法，采用转喷微注法制备铝基陶瓷抗磨复合材料，在搅拌过程中，将增强相Al2O3纳米微粒连续微量转喷至铝合金熔体内部不同点位，通过散、微、转三个工艺参数的最佳耦合，以此达到时间和空间的异同性，实现制备过程的低成本、低能耗和高效率，并同时实现低污染的制备工艺和制备高质量的复合材料，满足新材料制备的内在需求，解决目前采用的粉末冶金法、真空压力浸渗法等高成本制备工艺难题，实现该材料制备工艺的简单化和广泛应用，实现大比例增强抗磨相微粒的弥散分布，解决其在合金中的团聚问题，同时采用微合金化或外加物理场等工艺解决增强相的润湿性，强化增强相与基体的结合界面，保证材料的强韧性和抗磨性。
附图说明
下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的装置示意图；
图2为原始铸态7075铝合金的金相组织图；
图3为加入1.5％Al2O3p的Al2O3p/7075复合材料的金相组织图；
图4为加入0-3％Al2O3p的拉伸硬度及延伸率的测试结果。
图中：1为工作台、2为电机控制器、3为氩气瓶、4为气压开关、5为压力表、6为导气管、7为电机支撑架固定装置、8为电机支撑架、9为电机、10为可变速螺旋送料装置、11为气料混合装置、12为联轴器、13为从动气料导管、14为齿轮皮带、15为从动轮、16为主动轮、17为支撑轴承、18为角钢支撑架、19为坩埚、20为旋转叶片、21为坩埚平台、22为主传动杆、23为支撑架、24为气瓶槽。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明的喷吹装置示意图，包括工作台1、氩气瓶3、电机9、可变速螺旋送料装置10、气料混合装置11、从动气料导管13、坩埚19和旋转叶片20，所述氩气瓶3可拆卸地固定在工作台1上，所述氩气瓶3联接有导气管6，所述导气管6和可变速螺旋送料装置10均通过气料混合装置11与从动气料导管13连通，所述从动气料导管13与电机9和旋转叶片20分别联接，所述旋转叶片20位于坩埚19内。所述电机9联接有主传动杆22，主传动杆22上设置有主动轮16，所述从动通气导管13上设置有从动轮15，所述主动轮16与从动轮15通过齿轮皮带14联接。所述电机9通过电机支撑架固定装置7固定在工作台1上，所述电机9与电机支撑架固定装置7间通过电机支撑架8固定联接。所述工作台1上部通过角钢支撑架18固定有支撑轴承17，所述支撑轴承17可支撑所述主传动杆22和从动通气导管13。所述支撑轴承17为推力球轴承。所述氩气瓶3可放置于固定在工作台1底部的氩气瓶槽24内。所述工作台1上设置有电机控制器2，所述电机控制器2与电机9连接。所述电机9通过联轴器12与主传动杆22联接。所述电机支撑架固定装置7通过支撑架23固定在工作台1上，所述电机支撑架固定装置7可相对支撑架23上下移动，所述坩埚19置于坩埚平台21上，所述坩埚平台21可在竖直方向调整高度。所述氩气瓶3通过气压开关4与导气管6联接，所述氩气瓶3上设置有压力表5。
该装置通过电机控制器2控制电机9的开关，根据所需要的气流结合压力表5调节气压开关4，通过实际需要对电机支撑架固定装置7和坩埚平台21进行上下调整，可变速螺旋送料装置10内的混合粉料可通过氩气瓶3内的气流辅助进行喷吹，并通过从动气料导管13连续微量的注入坩埚19内的铝熔体内，电机9通过主传动杆22将扭矩传递给从动气料导管13，进而传递给旋转叶片20，搅拌叶片为钢制的，旋转叶片20可以迅速转动，将气泡打碎，使粉料直接与铝熔体接触，增加铝熔体与粉料的接触时间，可以往旋转叶片20上刷涂料，以减少与金属液的摩擦。
下面通过具体的实施例进行描述。
本发明主要方法是在搅拌过程中，将增强相(主要为Al2O3)纳米微粒连续微量转喷至铝合金熔体内部不同点位，通过散、微、转三个工艺参数的最佳耦合，以此达到时间和空间的异同性，实现纳米微粒的弥散分布，解决其在合金中的团聚问题。本方案中的合金基体为7075铝合金。
将Al粉与Al2O3纳米粉末按照质量比为3∶1用球磨的方式混合，其中Al粉30μm、Al2O3粉末30nm、混粉时间5h，对混合粉过60μm的筛子，此步骤主要为了避免团聚大颗粒出现。
使用喷吹装置先将氩气通入铝熔体中，将混合粉末压入加压送料装置10，与搅拌装置相互配合，连续微注入混合粉。
搅拌与喷吹相结合，将粉末在氩气的辅助下通入熔融的金属液中，再通过旋转叶片20将气泡打碎，使粉末直接与金属液接触，增加金属液与粉末的接触时间。搅拌与喷吹同时的时间为20min，这时铝熔体的温度设置在640℃左右，金属液呈半固态状。
搅拌完成后将金属液迅速升温至720℃，进行浇铸。模型为金属膜，试样尺寸为120mm×10mm×60mm。
图2为原始铸态7075铝合金，图3为加入1.5％Al2O3p的Al2O3p/7050复合材料。图4为加入0-3％Al2O3p的拉伸硬度及延伸率的测试结果，通过结果可知，加入1.5％Al2O3p的Al2O3p/7050复合材料各种效果最好。

Claims (10)

1.一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
增强相制备的步骤：将Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末进行混制，然后将其粉碎过筛；
转喷微注的步骤：向处于半固态状态的铝熔体中通入氩气，同时以转喷微注方式向氩气气流中连续微量喷入上述粉碎后的混合增强相粉末；
搅拌的步骤：搅拌与微量喷入相结合，二者同时进行，通过旋转叶片将携带增强相粉末的气泡打碎，使增强相粉末充分与铝熔体接触而融为一体，防止气泡直接将增强相粉末带出金属熔体；
浇铸成型的步骤：转喷微注完成后将铝熔体迅速升温至浇铸温度，进行浇铸。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述增强相制备的步骤中，Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末采用球磨的方式混合。
3.根据权利要求2所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述增强相制备的步骤中，Al粉与纳米Al2O3颗粒粉末按照质量比为3∶1进行混合。
4.根据权利要求3所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述增强相制备的步骤中，Al粉粒度为25-35μm，纳米Al2O3颗粒粉末粒度为25-35nm，球磨混合时间为4-6h，粉碎过55-65μm的筛子。
5.根据权利要求4所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述增强相制备的步骤中，Al粉粒度为30μm，纳米Al2O3颗粒粉末粒度为30nm，球磨混合时间为5h，粉碎过60μm的筛子，避免团聚大颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述转喷微注的步骤中，加入Al2O3的质量为复合材料总质量的1％-2％，所述混合增强相粉末在氩气气流的带动下连续微量喷入铝熔体中。
7.根据权利要求6所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述转喷微注的步骤中，加入Al2O3的质量为复合材料总质量的1.5％。
8.根据权利要求1所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的步骤中，搅拌与微量喷入共同作用的时间为15-25min，搅拌喷入时铝熔体的温度为640℃，搅拌转速为400～600r/min。
9.根据权利要求8所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的步骤中，搅拌与微量喷入共同作用的时间为20min，搅拌转速为500r/min。
10.根据权利要求1所述的一种纳米级陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述浇铸成型的步骤中，铝熔体迅速升温至720℃。
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