CN105950921B - 一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法，涉及铝基合金，是采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CeB₆/Al纳米原位铝基复合材料孕育剂的方法，步骤是：称取所需用量的商购Al‑2.8%B中间合金和商购Al‑20.2%Ce中间合金，按Al‑2.8%B中间合金:Al‑20.2%Ce中间合金＝22:7的重量比进行配料；全部配料放入高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，制得块状Al‑B‑Ce中间合金；快速凝固处理制得原位自生薄带状CeB₆/Al纳米原位铝基复合材料孕育剂。该方法克服了现有技术中孕育剂中的增强颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。

Description

一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法

技术领域

本发明的技术方案涉及铝基合金，具体地说是一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法。

背景技术

在铝及铝合金熔体中加入孕育剂是一种公认的，让晶粒由柱状晶到等轴晶转变的方法之一。由于其良好的经济性，孕育剂的加入量很少，一般加入基体的千分之几到百分之几。因此，在过去的几十年中，这种方法在工业生产中得到大量应用。然而，这些孕育剂的制备都是通过传统方法，如粉末冶金法、喷射成型法和各种铸造技术等，然后将制备出的增强相，如SiC、B₄C、Al₂O₃等颗粒加入处于熔融状态或粉末状态的基体材料中,这种方法加入的增强相被称为外加的。外加法制备的孕育剂存在增强体颗粒尺寸粗大、热力学不稳定、界面结合强度低等缺点。

CN201210313362.7公开了一种原位铝基复合材料孕育剂的制备方法，所制备的孕育剂是AlN-TiN/Al孕育剂，采用的是等离子氮化处理的方法制备的，将中间步骤中所得Al-10Ti-1B合金放入石墨坩埚内，然后将一个中间有洞的石墨盖子盖在这个坩埚上面，由等离子喷枪产生等离子射流以等离子火焰形式喷出并通过上述石墨盖子上的孔洞与在石墨坩埚内的Al-10Ti-1B合金接触，此反应的生产效率很低，且每次反应必须把石墨坩埚打碎才可取出生成物。其中所用等离子喷枪的功率为21KW，电弧电压为70V，电弧电流为300A，该方法成本高且能耗也高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法，是采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CeB₆/Al纳米原位铝基复合材料孕育剂的方法，该方法克服了现有技术中孕育剂中的增强颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法，是采用原位自生反应法和快速凝固技术制得薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂的方法，步骤如下：

第一步，配料：

称取所需用量的商购Al-2.8％B中间合金和商购Al-20.2％Ce中间合金，按Al-2.8％B中间合金:Al-20.2％Ce中间合金＝22:7的重量比进行配料，上述百分数为重量百分数；

第二步，合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金：

将第一步称取的全部配料放入MZG系列高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10^-3Pa,将Al-2.8％B中间合金和Al-20.2％Ce中间合金加热至熔化温度1600K，保温6分钟，整个熔炼期间坩埚需要用循环水冷却，由此合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金；

第三步，快速凝固处理制得原位自生铝基复合材料孕育剂：

将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉内进行快速凝固处理，真空度为5×10^-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率达10⁴～10⁷K/S，制备出宽为2～5毫米，厚为0.03～0.1毫米、长为5～30毫米的薄带状CeB₆/Al铝基复合材料孕育剂。

上述一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法，所涉及的原料和设备通过公知途径获得，操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点如下：

(1)本发明利用了原位自生方法生成孕育剂。所谓原位自生，是说增强体颗粒非外部加入，而是由基体组分间通过化学反应，在基体内原位生成一种或几种增强相。

(2)从理论上说CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂的生成原理是，根据Bramfit提出的晶格错配度理论，当错配度小于6％时，异质形核细化效果最好；当错配度介于6％～12％时，形核颗粒的细化效果次之；当错配度大于12％时，形核颗粒的细化效果很差。CeB₆是一种很好的阴极发射材料，用在质谱仪和电子显微镜中，而在本发明中将其作为一种铝的优秀的形核核心尚属首次。CeB₆为立方晶系，点阵常数a＝0.4141nm，其晶体结构与Al(面心立方，a＝0.4049nm)相近，晶体错配度小于4％，因此可以作为α(Al)异质形核的有效的形核核心。

与现有技术相比，本发明的显著进步如下：

(1)与现有技术CN201210313362.7相比，本发明中采用的是用感应加热低温合成CeB₆/Al孕育剂，加热温度1600K，制备中节能而且成本低廉，易实现大规模生产应用。另外，AlN-TiN/Al孕育剂的制备是通过钼轮的旋转达到细化增强颗粒尺寸的目的，钼轮的冷却速率小于10⁴K/s,得到的增强相的尺寸为微米级，而本发明中所使用的真空快淬炉是铜轮，相比钼轮有更快的冷却速度和转速，冷却速率高达10⁷K/s,因此可以极大的细化增强颗粒的尺寸且改善了在基体中的弥散程度，得到的增强相的尺寸为纳米级。

(2)本发明的铝基复合材料孕育剂是通过原位自生反应生成的，与现有技术相比具有以下的优点：首先，原位生成技术对于增强颗粒的尺寸和分布是可控的，通过改变制备母合金的条件和快速凝固处理技术，可以获得人们所期望得到的增强颗粒。其次，由于这些增强体CeB₆是直接在基体上生成的，因此，①CeB₆颗粒的表面干净无污染且与基体润湿性较好，这就使得增强体与基体之间具备了较好的界面结合性能；②无界面反应，热稳定性好；③增强颗粒细小，可达到亚微米甚至纳米级。

(3)本发明方法是将Al-Ce中间合金和Al-B中间合金作为原料来制备薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂，采用了优于现有技术的原位合成方法在真空电弧炉内合成，直接在铝基体上形成原位的CeB₆增强颗粒，制备出块状的CeB₆/Al复合材料。由于原位合成温度低于CeB₆的熔点，反应时间极短，防止了稀土元素Ce的挥发，节约了孕育剂材料的生产成本，因此本发明方法的效率极高且降低了生产成本。

(4)本发明方法还采用真空快淬炉内进行快速凝固处理的方法，用真空电弧炉制备出铸态合金后，利用型号为LZK-12A型真空快淬炉进行快速凝固处理，真空度为5×10^{- 3}Pa，在抽真空后通入氩气保护。将中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率为10⁴～10⁷K/S，由此制得的薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂中的形核粒子CeB₆相的尺寸被极大地细化，这有利于获得更多的形核核心，从而提高细化效果。

(5)本发明方法最终制得的原位铝基复合材料孕育剂具有尺寸更为细小和分布更为弥散的形核粒子，其在铝基复合材料中的原位增强颗粒在基体上弥散分布，克服了现有技术中的孕育剂颗粒不能在基体上弥散分布或弥散程度还不理想、颗粒在熔体中的聚集沉淀和颗粒尺寸大的缺陷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)为电弧炉熔炼得到的块状孕育剂的X-射线衍射图。

图1(b)为薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂的X-射线衍射图。

图2(a)为块状CeB₆/Al复合材料的扫描电子显微镜图像。

图2(b)为薄带状CeB₆/Al复合材料的扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

图1(a)所示实施例显示了电弧炉熔炼得到的块状孕育剂的X-射线衍射图。

图1(b)所示实施例显示了薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂的X-射线衍射图。

从图1(a)和图1(b)可见，本发明方法制得的CeB₆/Al纳米原位铝基复合材料孕育剂是由α(Al)相和CeB₆相组成，值得注意的是，快速凝固处理，并没有让孕育剂中产生其他无关相，相组成没变化。由于原位合成温度低于CeB₆的熔点，反应时间极短，从这个角度来说，合成过程很节能，而且效率是很高的。

实施例1

第一步，配料：

称取11g的商购Al-2.8％B中间合金和3.5g商购Al-20.2％Ce中间合金进行配料，上述百分数为重量百分数；

第二步，合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金：

将第一步称取的全部配料放入MZG系列高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10^-3Pa,将Al-2.8％B中间合金和Al-20.2％Ce中间合金加热至熔化温度1600K，保温6分钟，整个熔炼期间坩埚需要用循环水冷却，由此合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金，将由此制备得到的块状合金用电火花切割机进行切割，切出长为1cm、宽为1cm、厚度0.5cm的样品，将切割后的试样分别在320#、400#、600#的水磨砂纸上进行磨制，然后用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，采用Philips X′Pert 30型多功能X-射线仪(XRD)CuK_α射线，鉴别孕育剂中所含相；

第三步，快速凝固处理制得原位自生铝基复合材料孕育剂：

将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉内进行快速凝固处理，真空度为5×10^-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率达10⁷K/S，制备出宽为2毫米，厚为0.03毫米、长为5毫米的薄带状CeB₆/Al铝基复合材料孕育剂，将由此制备得的薄带孕育剂用2000#SiC砂纸进行磨制，用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，采用Philips X′Pert 30型多功能X-射线仪(XRD)CuK_α射线，鉴别孕育剂中所含相。

图2(a)为块状CeB₆/Al复合材料的扫描电子显微镜图像，图2(b)为薄带状CeB₆/Al复合材料的扫描电子显微镜图像。其中暗黑色的为铝基体，上面分布的为CeB₆颗粒。从图2(a)可以看出，大量增强颗粒在基体上团簇分布，尺寸大小不一，颗粒尺寸分布范围在几微米到几十微米之间。从图2(b)可以看出，其中CeB₆颗粒在铝基体中弥散分布，尺寸大小均一，且颗粒尺寸为50nm左右。

实施例2

第一步，配料：

称取22g商购Al-2.8％B中间合金和7g商购Al-20.2％Ce中间合金进行配料，上述百分数为重量百分数；

第二步，合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金：

将第一步称取的全部配料放入MZG系列高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10^-3Pa,将Al-2.8％B中间合金和Al-20.2％Ce中间合金加热至熔化温度1600K，保温6分钟，整个熔炼期间坩埚需要用循环水冷却，由此合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金，将制得的块状合金用电火花切割机进行切割，切出长为1cm,宽为1cm，厚度0.5cm的样品，将切割后的试样分别在320#、400#、600#、800#、1200#和2000#水磨砂纸上进行磨制，然后进行机械抛光处理，用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，使用S-4800型扫描电镜对试样的表面形貌进行观察；

第三步，快速凝固处理制得原位自生铝基复合材料孕育剂：

将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉内进行快速凝固处理，真空度为5×10^-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率达10⁴K/S，制备出宽为5毫米，厚为0.1毫米、长为30毫米的薄带状CeB₆/Al铝基复合材料孕育剂，将制得的薄带孕育剂用1200#和2000#SiC砂纸进行磨制，用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，使用S-4800型扫描电镜对试样的表面形貌进行观察。

实施例3

第一步，配料：

称取44g商购Al-2.8％B中间合金和14g商购Al-20.2％Ce中间合金进行配料，上述百分数为重量百分数；

第二步，合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金：

将第一步称取的全部配料放入MZG系列高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10^-3Pa,将Al-2.8％B中间合金和Al-20.2％Ce中间合金加热至熔化温度1600K，保温6分钟，整个熔炼期间坩埚需要用循环水冷却，由此合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金，将制得的块状合金用电火花切割机进行切割，切出长为1cm,宽为1cm，厚度0.5cm的样品，将切割后的试样分别在320#、400#、600#、800#、1200#和2000#水磨砂纸上进行磨制，然后进行机械抛光处理，用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，使用S-4800型扫描电镜对试样的表面形貌进行观察；

第三步，快速凝固处理制得原位自生铝基复合材料孕育剂：

将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉内进行快速凝固处理，真空度为5×10^-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率达10⁵K/S，制备出宽为3毫米，厚为0.06毫米、长为15毫米的薄带状CeB₆/Al铝基复合材料孕育剂，将制得的薄带孕育剂用1200#和2000#SiC砂纸进行磨制，用酒精通过超声震荡洗去试样表面杂质，使用S-4800型扫描电镜对试样的表面形貌进行观察。

上述实施例中所涉及的原料和设备通过公知途径获得，操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。

Claims (1)

1.一种原位自生铝基复合材料孕育剂的制备方法，其特征在于：是采用原位自生反应法、感应加热低温合成和快速凝固技术制得薄带状CeB₆/Al纳米原位自生铝基复合材料孕育剂的方法，步骤如下：

第一步，配料：

称取所需用量的商购Al-2.8％B中间合金和商购Al-20.2％Ce中间合金，按Al-2.8％B中间合金:Al-20.2％Ce中间合金＝22:7的重量比进行配料，上述百分数为重量百分数；

第二步，合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金：

将第一步称取的全部配料放入MZG系列高真空感应熔炼炉的坩埚内进行熔炼，真空度为5×10^-3Pa,将Al-2.8％B中间合金和Al-20.2％Ce中间合金加热至熔化温度1600K，保温6分钟，整个熔炼期间坩埚需要用循环水冷却，由此合金熔炼制得块状Al-B-Ce中间合金；

第三步，快速凝固处理制得原位自生铝基复合材料孕育剂：

将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉内进行快速凝固处理，真空度为5×10^-3Pa，在抽真空后通入氩气保护，将第二步制得的块状Al-B-Ce中间合金放入铜坩埚中，通过移动极头的火焰将坩埚内的中间合金熔化并吹入到高速旋转的铜轮上，利用高的转速达到极快的冷却速度，铜轮的转速为40m/s，其冷却速率达10⁴～10⁷K/s，制备出宽为2～5毫米，厚为0.03～0.1毫米、长为5～30毫米的薄带状CeB₆/Al铝基复合材料孕育剂。