CN107190161B - 一种大体积分数的Al-TiB2纯相中间合金及制备方法 - Google Patents

一种大体积分数的Al-TiB2纯相中间合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种大体积分数的Al‑TiB2纯相中间合金及制备方法，属于中间合金技术领域。B的质量百分含量为1.0‑2.5％，Ti/B的摩尔比为＝1/2，余量为Al，物相组成包括α‑Al、TiB2。按要求称量H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉摩尔比＝(3.5‑5.2)：(0.5‑2.1):(3.5‑5.7)：(0.2‑1.5)铝锭纯度99.9％；先将TiO2、H3BO3混合均匀干燥；将加热后的粉末在和铝粉混合置于模具中，压制成块体；将铝锭加热熔化，压入块体，等待熔体引燃和反应，反应结束后，压入C2Cl6精炼，搅拌，扒渣，浇注。本发明利用低成本氧化物作为原料，制备的中间合金中无TiAl3等脆性相。

Description

一种大体积分数的Al-TiB2纯相中间合金及制备方法
技术领域
本发明属于中间合金技术领域，特别涉及一种环保型低成本大体积分数Al-TiB2中间合金制备方法。
背景技术
TiB2颗粒由于其密度小、热膨胀系数低、模量高且与铝基体有良好的共格关系，使其成为铝基复合材料中广泛应用的增强颗粒。而内生的TiB2由于生产条件和技术水平的落后造成的TiB2颗粒尺寸较大，颗粒较少，主要体现在B含量低，纯净度差，第二相尺寸、形貌和分布不合标准等。目前工业上通过混合盐反应法大量制备Al-TiB2中间合金，其典型生产工艺是：在750-850向铝熔体中添加K2TiF6和 KBF4，通过机械搅拌使其充分反应，制备Al-TiB2中间合金。利用混合盐盐反应法制备的Al-TiB2中间合金组织中，TiAl3相存在，长度一般在100μm左右，该相在复合材料中将作为一种脆性相，对复合材料性能不利。组织中的TiB2粒子多呈聚集团状存在，聚集团内部粒子与粒子粘连在一起，同时其制备过程中会产生严重的污染问题。为了制备出颗粒含量高且制备环保的Al-TiB2细化剂，国内外尝试了各种手段比如，氧化物法，高温自蔓延合成法等，主要存在制备效率不高，制备成本高等缺点。本发明将氧化物法的价格低廉、环保与自蔓延合成法的高效快速结合，以熔体自蔓延直接合成法成功制备出了无 TiAl3等脆性相，且制备过程环保、低成本且具有大体积分数的Al-TiB2中间合金。
发明内容
本发明采用熔体自蔓延直接合成法，利用原料来源广泛成本低廉的TiO2、H3BO3，研制一种制备过程环保、洁净、颗粒含量高的纯相 Al-TiB2中间合金。
为解决上述问题，本专利主要技术方案为：利用熔体自蔓延直接合成法制备工艺，制备一种环保型低成本大体积分数Al-TiB2中间合金。
一种大体积分数Al-TiB2纯相中间合金，包含如下的组份，B的质量百分含量为1.0-2.5％，Ti/B的摩尔比为＝1/2，余量为Al，物相组成包括α-Al、TiB2。优选TiB2平均颗粒尺寸为0.6μm以下，TiB2颗粒分散相对均匀。
按要求称量H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭，其中H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉的摩尔比＝(3.5-5.2)：(0.5-2.1):(3.5-5.7)：(0.2-1.5) (mol)，铝锭纯度99.9％；其颗粒尺寸及含量明显高于传统方法制备的Al-TiB2中间合金，且制备过程环保，成本低廉。
上述中间合金的制备方法，其特征在于，Ti和B以氧化物粉末状加入，辅以Al粉和少量Ti粉，采用熔体自蔓延直接合成法制备，具体包括以下步骤：
(1)原料准备，按要求称量H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭，其中H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉的摩尔比＝(3.5-5.2)：(0.5-2.1): (3.5-5.7)：(0.2-1.5)，Ti/B的摩尔比为＝1/2，铝锭纯度99.9％；优选TiB2平均颗粒尺寸为0.6μm以下。
(2)将H3BO3、TiO2混合均匀，在200℃加热两个小时，祛除水分；优选祛除水分过程中每20-40分钟取出一次，搅拌粉末，使粉末烘干均匀，不易结块。
(3)将加热后的TiO2、H3BO3和铝粉、钛粉混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体；
(4)利用井式电阻炉将铝锭加热至900-1050℃，待铝锭完全熔化，石墨钟罩压入步骤(3)的块体，待反应出现火化后取出钟罩进行熔体自蔓延直接反应，反应时间为5-8min；反应完成后，压入C2Cl6精炼，搅拌，静置5-20min，扒渣，重复搅拌、静置和扒渣过程1-2 次，将所得熔体在750-900℃之间浇注到已预热到250℃的钢模中，获得大体积分数Al-TiB2纯相中间合金。
上述优选C2Cl6在100℃加热1h，去除水分；将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料，防止Fe杂质元素污染细化剂。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。
H3BO3和TiO2混合物200℃加热两个小时，将加热后的TiO2、 H3BO3和铝粉混合均匀，使得步骤(3)压制的块体名义密度为 4.65-5.50g/cm3，不能过于紧实，亦不能过于松散。
铝熔体达到一定温度，压入粉块，待反应引起火化后，撤出钟罩，使粉块自行发生燃烧反应。
本发明解决了传统方法制备困难、制备成本高且有TiAl3残留的问题，中间合金中TiB2粒子尺寸小，分布均匀，颗粒含量高或大体积分数，体积分数可达25％，一般最高可达50％；所得中间合金为纯相，只有α-Al、TiB2。
附图说明
图1是实施例1的Al-TiB2中间合金整体形貌
图2是实施例1的Al-TiB2中间合金中TiB2颗粒分布
图3是实施例1的Al-TiB2中间合金XRD分析图
图4是实施例1的Al-TiB2中间合金中TiB2颗粒统计。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
熔体自蔓延直接合成法制备Al-10TiB2(TiB2的质量百分含量为 10％)中间过程如下：
1.原料准备，细化剂由H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭、C2Cl6制备，其中铝锭纯度99.9％。
2.制备1Kg的中间合金，按要求称量H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭，铝烧损率为3％。要求H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉的摩尔比＝4:1:4:1，其余为Al锭。
3将H3BO3、TiO2粉末在200℃加热两个小时，祛除水分，每30 分钟取出粉末进行搅拌，防止结块。
4.将加热后的粉末与钛粉和铝粉混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成15×Φ65mm3的柱形粉块，粉块名义密度为 5.30g/cm3。
5.将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料，涂料为ZnO和Na2SiO3混合物，防止Fe杂质元素污染细化剂。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。
6.利用井式电阻炉将铝锭加热至950℃，待铝锭完全熔化，石墨钟罩压入步骤(3)的块体，待反应出现火化后取出钟罩们进行熔体自蔓延直接反应，反应时间为8min；反应完成后，压入C2Cl6精炼，搅拌，静置5min，扒渣，用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮，重复该搅拌、静置和扒渣过程1-2次，将铝熔体850℃浇注到已预热250℃的钢模中，获得大体积分数Al-TiB2中间合金。此法制备的中间合金，无TiAl3脆性相，颗粒收得率高，粒子尺寸小，且分布均匀。
实施例2
熔体自蔓延直接合成法制备Al-15TiB2(TiB2的质量百分含量为
15％)中间过程如下：
1.原料准备，细化剂由H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭、C2Cl6制备，其中铝锭纯度99.9％。
2.制备1Kg的中间合金，按要求称量H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭，铝烧损率为3％。要求H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉的摩尔比＝4:1:4:1，其余为Al锭。
3将H3BO3、TiO2粉末在200℃加热两个小时，祛除水分，每30 分钟取出粉末进行搅拌，防止结块。
4.将加热后的粉末与钛粉和铝粉混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成15×Φ65mm3的柱形粉块，粉块名义密度为 5.30g/cm3。
5.将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料，涂料为ZnO和Na2SiO3混合物，防止Fe杂质元素污染细化剂。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。
6.利用井式电阻炉将铝锭加热至950℃，待铝锭完全熔化，石墨钟罩压入步骤(3)的块体，待反应出现火化后取出钟罩们进行熔体自蔓延直接反应，反应时间为12min；反应完成后，压入C2Cl6精炼，搅拌，静置5min，扒渣，用扒渣勺扒除表面的熔渣和氧化皮，重复该搅拌、静置和扒渣过程1-2次，将铝熔体850℃浇注到已预热250℃的钢模中，获得大体积分数Al-TiB2中间合金。此法制备的中间合金，无TiAl3脆性相，颗粒收得率高，粒子尺寸小，且分布均匀。

Claims (4)

1.一种大体积分数Al-TiB2纯相中间合金的方法，其特征在于，包含如下的组份，B的质量百分含量为1.0-2.5％，Ti/B的摩尔比为＝1/2，余量为Al，物相组成包括α-Al、TiB2，TiB2平均颗粒尺寸为0.6μm以下，TiB2颗粒分散相对均匀；包括以下步骤：
(1)原料准备，按要求称量H3BO3、TiO2、铝粉、钛粉、铝锭，其中H3BO3：TiO2：Al粉：Ti粉的摩尔比＝(3.5-5.2)：(0.5-2.1):(3.5-5.7)：(0.2-1.5)，Ti/B的摩尔比为＝1/2，铝锭纯度99.9％；
(2)将H3BO3、TiO2混合均匀，在200℃加热两个小时，祛除水分，祛除过程中每20-40分钟取出一次，搅拌粉末，使粉末烘干均匀，不易结块；
(3)将加热后的TiO2、H3BO3和铝粉、钛粉混合均匀，将混合均匀的粉末置于模具中，压制成块体；
(4)利用井式电阻炉将铝锭加热至900-1050℃，待铝锭完全熔化，石墨钟罩压入步骤(3)的块体，待反应出现火化后取出钟罩进行熔体自蔓延直接反应，反应时间为5-8min；反应完成后，压入C2Cl6精炼，搅拌，静置5-20min，扒渣，重复搅拌、静置和扒渣过程1-2次，将所得熔体在750-900℃之间浇注到已预热到250℃的钢模中，获得大体积分数Al-TiB2纯相中间合金。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)祛除水分过程中每20-40分钟取出一次，搅拌粉末，使粉末烘干均匀，不易结块。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，C2Cl6在100℃加热1h，去除水分；将模具和扒渣勺的工具涂刷一层涂料，防止Fe杂质元素污染细化剂；选用石墨坩埚进行熔炼，石墨棒搅拌，防止Si的污染。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(3)压制的块体名义密度为4.65-5.50g/cm3。
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