CN106544549B - 一种微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，它涉及铝基复合材料的制备方法，具体涉及一种外加微米级TiC颗粒和原位合成纳米级TiC颗粒双尺度增强铝基复合材料的制备方法。本发明可进一步地提高颗粒增强铝基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。本制备方法：步骤一，将微米级的TiC粉，C粉和Ti粉球磨混合均匀，并制成预制块；步骤二，熔配铝合金熔体，并将熔体温度提高到850℃以上；步骤三，将制成的预制块添加到铝合金熔体中，并在850℃以上下保温超过30min，保温过程中进行简单机械搅拌，得到复合材料熔体；步骤四，将复合材料熔体浇注成型，凝固后制备得微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料的制备方法，具体涉及一种外加微米级TiC颗粒和原位合成纳米级TiC颗粒双尺度增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有低密度，高耐蚀性，优异的导电导热性能，良好的加工性能等优点成为当前金属基复合材料研究的主流，在航空航天、汽车工业等领域有非常广阔的应用前景。依据颗粒尺寸不同，铝基复合材料中增强相颗粒的尺度可以分为纳米和微米尺度。目前，对单一尺度颗粒增强铝基复合材料已进行了大量研究工作。微米SiC，Al2O3等颗粒的加入均能不同程度地提高铝基体的强度，改善铝基体耐磨损性能，但是以降低塑性为代价。已有研究指出在铝基体中可以原位生成纳米TiC颗粒，该尺度颗粒的形成可以显著提高铝基体的强度，同时保持铝基体较高的塑性，不过没有明显提高铝基体的耐磨损性能。在强化铝基体方面，微米尺度颗粒主要发挥其承载强化作用，而当颗粒尺寸在1μm 以下时，Orowan强化发挥较大的作用。鉴于不同尺度颗粒的优缺点，开发多尺度颗粒复合增强铝基复合材料，可以解决单一尺度颗粒存在的不足，同时保持单一尺度颗粒各自的优点，这对提高铝基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能提供有效的路径。
发明内容
本发明是为了进一步地提高颗粒增强铝基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能，而提供一种工艺简单、成本低的微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料以TiC颗粒，C粉和Ti粉为增强相原料，铝合金为基体；复合材料中存在两种尺度的TiC颗粒，一种是外加微米级TiC颗粒，另一种是原位合成纳米级TiC颗粒。
上述微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料按照以下步骤制备：
步骤一：按照设计要求称取微米级的TiC粉(1μm~10μm)，C粉和Ti粉，利用球磨机对上述三种粉体进行混合，球磨工艺为转速为200r/h，球磨时间为2h，随后将混合均匀的粉体压制成预制块，压制压力为20MPa；
步骤二：采用电阻炉熔炼铝合金，并将铝合金熔体温度提高到850℃以上；
步骤三：利用石墨钟罩将制备好的预制块压入到铝合金熔体中，并在850℃以上保温30min，保温过程中进行简单机械搅拌，此过程中C粉和Ti粉发生放热反应，生成TiC，该放热反应有助于外加微米级TiC颗粒的分散；
步骤四：将步骤三中的复合材料熔体浇注到石墨型中，凝固后制备得微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料。
本发明微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法简单，成本低，稳定性和可控性强。
附图说明
图1是制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料中微米级TiC颗粒的金相照片。图2是制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料中微米级和纳米级TiC颗粒的SEM照片。图3是制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料中纳米级TiC颗粒的TEM照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料按照以下步骤制备：
步骤一：按照设计要求称取微米级的TiC粉(1μm~10μm)，微米级的C粉(10μm -45μm)和微米级的Ti粉(5μm -15μm)，采用球磨混粉工艺对三种粉体进行混合，球磨工艺为转速为200r/h，球磨时间为2h，随后将混合均匀的粉体压制成预制块，压制压力为20MPa；
步骤二：利用电阻炉将7075铝合金熔化，并将其温度提高到850℃；
步骤三：利用石墨钟罩将制备好的预制块压入到7075铝合金熔体中，并在850℃保温30min，保温过程中进行简单机械搅拌，此过程中C粉和Ti粉发生放热反应，生成TiC，该放热反应有助于外加微米级TiC颗粒的分散。外加TiC颗粒和原位合成TiC相的最终比值为1:1，TiC颗粒的总体积分数为6%；
步骤四：将步骤三中的复合材料熔体浇注到石墨型中，凝固后制备得微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料。
图1是具体实施方式一制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料的金相照片，从图中可以观察到微米级TiC颗粒，其尺寸大约3μm -11μm。
图2是具体实施方式一制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料的SEM照片，从图中可以观察到大量纳米级TiC颗粒(白色相)，其尺寸大约100nm-200nm，另外观察到少量微米级TiC颗粒。
图3是具体实施方式一制备的微纳双尺度TiC颗粒增强7075铝基复合材料的TEM照片，从图中可以观察到纳米级TiC颗粒。
对具体实施方式一制备的的微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料铸锭在430℃进行等温锻造，变形量为70%，随后进行T6热处理。对热处理后的复合材料进行力学性能和摩擦磨损性能测试，结果为：室温抗拉强度达到650MPa，延伸率为3.5-5.5%。在200N，无润滑，磨损距离为2000m条件下复合材料的磨损质量仅是同条件下7075铝合金的18%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是C粉和Ti粉的尺寸均小于1μm，其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是铝基体为高纯铝，2014铝合金，6061铝合金或7075铝合金，其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同点是总TiC体积分数为4%，6%和8%，其它与实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同点为外加微米级TiC颗粒和原位合成纳米级TiC颗粒的比值是0.5:1，1:1和2:1，其它与实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同点为微米级的TiC粉，C粉和Ti粉混合后的预制块添加到铝合金熔体时的熔体温度分别为850℃，900℃和950℃，其它与实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同点是微米级的TiC粉，C粉和Ti粉混合后的预制块添加到铝合金熔体后保温时间分别为30min，60min和90min，其它与实施方式一至六相同。
Claims (2)
1.一种微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤一：按照设计要求称取微米级的TiC粉，微米级的C粉和微米级的Ti粉，采用球磨混粉工艺对三种粉体进行混合，球磨工艺为转速为200r/h，球磨时间为2h，随后将混合均匀的粉体压制成预制块，压制压力为20MPa；
步骤二：采用电阻炉熔炼铝合金，并将铝合金熔体温度提高到850℃以上；
步骤三：利用石墨钟罩将制备好的预制块压入到铝合金熔体中，并在850℃以上保温30min，保温过程中进行简单机械搅拌，此过程中C粉和Ti粉发生放热反应，生成TiC，该放热反应有助于外加微米级TiC颗粒的分散；
步骤四：将步骤三中的复合材料熔体浇注到石墨型中，凝固后制备得微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的微纳双尺度TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，外加TiC粉体的尺寸范围为1μm～10μm。
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