一种大体积分数纳米级Al-TiB2中间合金及其制备方法
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大体积分数纳米级Al-TiB2中间合金的制备方法。
背景技术
二硼化钛(TiB2)是硼和钛最稳定的化合物,TiB2具有高的熔点、高的强度、高的硬度、高的弹性模量、优异的耐磨性、良好的导电性、优异的化学稳定性和优良的抗热性能等优点。被应用于刀具及电极制造等工业领域。近几十年来,TiB2被广泛地应用于Al基复合材料中,对提高复合材料的各项性能做出重大贡献。而内生的TiB2由于技术水平的落后和反应物杂质多造成TiB2颗粒尺寸较大,颗粒较少,杂质相难以去除,颗粒形貌不合标准,颗粒易聚集等。目前工业上通过混合盐反应法制备Al-TiB2中间合金,其生产工艺为:在750-850℃的温度下,向熔化的铝锭中添加K2TiF6和KBF4,然后通过机械搅拌使其充分反应。利用混合盐反应法制备的Al-TiB2中间合金中,存在尺度大的长条形状的TiAl3相,长度平均在80-120μm,该相在复合材料中将作为一种脆性相,容易引起断裂,同时其制备过程中会产生严重的污染问题。本实验采用新型制备方法铝箔包覆法成功制备出了无TiAl3等脆性相,且制备过程环保、生产周期短且具有纳米级大体积分数的Al-TiB2中间合金。
发明内容
本发明采用铝箔包覆法,利用原料来源广泛的B粉、Ti粉、Al粉,研制一种制备过程环保、洁净、颗粒含量高的Al-TiB2中间合金。
一种大体积Al-TiB2中间合金,其特征在于,物相组成包括α-Al、TiB2,其中Al粉:B粉:Ti粉=(2.9-3.5):(2.5-2.7):(1.0-1.2)(mol),铝锭的质量百分比:67.5-69.0%,Al粉、Ti粉和B粉的总质量百分比为:31.0-32.5%,其中铝箔质量所用较少可以忽略。TiB2平均颗粒尺寸为200-300nm,TiB2颗粒分散相对均匀,体积分数在20%以上;上述中间合金的制备方法其颗粒尺寸及含量明显高于熔体自蔓延方法制备的纳米级Al-TiB2中间合金,且制备过程环保,反应速度快,省去烘干和压块工艺。
上述中间合金的制备方法,其特征在于,Ti和B以单质粉末颗粒状加入,采用铝箔包覆反应法制备,具体包括以下步骤:
(1)按照比例准备原料B粉、Ti粉、Al粉、铝锭,其中Al粉:B粉:Ti粉=(2.9-3.5):(2.5-2.7):(1.0-1.2)(mol),铝锭的质量百分比:67.5-69.0%,Al粉、Ti粉和B粉的总质量百分比为:31.0-32.5%,其中铝箔质量所用较少可以忽略。;
(2)将步骤(1)Ti粉、B粉、Al粉混合均匀,混合后用铝箔包覆成块,包裹块的长宽高分别为10-11cm、10-11cm和0.8-1.0cm;
(3)利用井式电阻炉将铝锭加热至750-780℃,待铝锭完全熔化,覆盖一层冰晶石覆盖剂;将熔体升温至780-880℃,石墨钟罩依次压入步骤(2)的包裹块,当所有包裹块融化后,用石墨棒均匀搅拌,反应20min;反应完成后,静置5min,压入C2Cl6精炼,扒渣,在760-800℃浇注获得Al-TiB2中间合金。
上述优选冰晶石和C2Cl6均在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杂质元素污染中间合金。选用石墨坩埚进行熔炼,石墨棒搅拌,防止Si的污染。
铝熔体达到一定温度,压入包裹的粉块,待反应引起火化后,撤出钟罩,粉块快速发生燃烧反应。
本发明解决了自蔓延合成方法压块工序中导致反应物粉体过于紧实,造成反应缓慢和块体不能充分反应的现象,块体不能充分反应会造成中间合金颗粒含量低,出现贫B区生成少量TiAl3的现象。本发明制备TiB2中间合金反应速度快,比较自蔓延合成法,本发明在比较低的反应温度下反应物就能充分反应,所以本发明制备的中间合金TiB2粒子尺寸小,颗粒含量高。同时本发明制备TiB2中间合金同时省去了烘粉和对粉进行压块的工序,进一步缩短了生产周期,降低了生产成本。
附图说明
图1是铝箔包覆法制备Al-TiB2中间合金整体形貌;
图2是铝箔包覆法制备Al-TiB2中间合金TiB2颗粒高倍图;
图3是图1中Al-TiB2中间合金的能谱图;
图4是对图2中TiB2颗粒大小的统计图。
图5是自蔓延合成法制备Al-TiB2中间合金整体形貌;
图6是自蔓延合成法制备Al-TiB2中间合金TiB2颗粒高倍图;
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
铝箔包覆法制备Al-30TiB2中间过程如下:
1.原料准备,中间合金由B粉、Ti粉、Al粉、铝锭、铝箔、C2Cl6制备,其中铝锭纯度99.9%,B粉纯度96%。
2.制备2Kg的中间合金,按要求称量B粉、铝粉、钛粉、铝锭,铝烧损率为3%。要求B粉:Ti粉:Al粉=2.7:1.1:3.0(mol),按要求称量B粉120.5g,Al粉315.0g,钛粉205.7g,铝锭为1400g。
3.将Ti粉、B粉、Al粉混合均匀,混合后用铝箔包覆成块,包裹后块的长宽高分别为10.5cm、10.8cm和1.0cm,一次包粉85g。铝箔质量忽略不计。
4.将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料,防止Fe杂质元素污染中间合金。选用石墨坩埚进行熔炼,石墨棒搅拌,防止Si的污染。
5.利用井式电阻炉将铝锭加热至750-780℃,待铝锭完全熔化,覆盖一层冰晶石覆盖剂,防止铝的氧化和吸气;将熔体升温至780-880℃,石墨钟罩依次压入步骤3的块体,当所有块体融化后,用石墨棒均匀搅拌,反应20min;反应完成后,静置5min,加入3%wt的C2Cl6进行精炼除气,静置5min扒渣,在760-800℃浇注获得Al-TiB2中间合金。
所得Al-TiB2中间合金整体形貌、TiB2颗粒高倍图、能谱图、颗粒大小的统计图分别见图1-4。
对比例2
自蔓延反应法制备Al-30TiB2中间合金过程如下:
1.原料准备,中间合金由B粉、Ti粉、Al粉、铝锭、C2Cl6制备,其中铝锭纯度99.9%,B粉纯度96%。
2.制备2Kg的中间合金,按要求称量B粉、铝粉、钛粉、铝锭,铝烧损率为3%。要求B粉:Ti粉:Al粉=2.7:1.1:3.0(mol),按要求称量B粉120.5g,Al粉315.0g,钛粉205.7g,铝锭为1400g。
3.将Ti粉、B粉、Al粉混合均匀,将混合均匀的粉末置于模具中,压制成块体。
4.将模具和扒渣勺等工具涂刷一层涂料,防止Fe杂质元素污染中间合金。选用石墨坩埚进行熔炼,石墨棒搅拌,防止Si的污染。
5.利用井式电阻炉将铝锭加热至750-780℃,待铝锭完全熔化,覆盖一层冰晶石覆盖剂,防止铝的氧化和吸气;将熔体升温至850-880℃,石墨钟罩依次压入步骤3的块体,用石墨棒均匀搅拌,反应40min;反应完成后,静置5min,加入3%wt的C2Cl6进行精炼除气,静置5min扒渣,在760-800℃浇注获得Al-TiB2中间合金。
所得Al-TiB2中间合金整体形貌、TiB2颗粒高倍图分别见图5-6。