CN110042280A - 一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属金属基复合材料领域,涉及一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该铝基复合材料特征是:铝基体上均匀分布原位生成的纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒;ZrB2的质量百分比为1.8~27.5,尺寸为50~300nm;AlN的质量百分比为3.3~41.3,尺寸为10~50nm;Al2O3的质量百分比为1.1~16.5,尺寸为10~100nm。其制备方法是:在氩气气氛下双速球磨,在冷/热等静压机中压制成预制体,采用固液顺序烧结法,获得ZrB2、AlN和Al2O3多相颗粒增强铝基复合材料。本发明制备的材料表面洁净无污染,与基体结合强度高;增强颗粒在基体上均匀分布,无团聚现象。不同尺度的颗粒具有协同增强效果,展示了良好的综合力学性能。

Description

一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属金属基复合材料领域,特别涉及一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有低密度、高比强度、耐腐蚀以及易加工等特点,在航空航天、汽车、军事和海洋等工程领域具有重要的应用价值。为满足铝基复合材料对综合性能的需求,本发明设计了一种综合性能可控的新型铝基复合材料,其具有高温强度好、体积稳定性好、刚度好、耐磨性好等综合优点,并开发了成本低廉、工艺简单的制备方法。
颗粒增强铝基复合材料通常采用外加法制备,但增强颗粒与铝基体界面结合差,难以发挥出增强颗粒的优势,且在大规模生产中难以控制其稳定性,采用原位内生法可克服上述缺点。内生增强颗粒一般包括金属间化合物和陶瓷颗粒,其中过渡族金属硼化物具有稳定的化学性质,如ZrB2熔点高(3245℃)、硬度高(23Gpa)、弹性模量大(489GPa),对材料刚度的提升有重要作用。AlN熔点为2573℃,密度为3.2g/cm3,弹性模量为308~315GPa,是一种提高复合材料高温强度的理想陶瓷粒子。Al2O3密度低(3.9g/cm3)、熔点高(2054℃),可改善复合材料的体积稳定性,并显著提高材料的耐磨性。此外,由于不同粒子与铝基体结合特性的差别,近年来,双相或多相颗粒协同增强铝基复合材料受到越来越多关注,如公开号为CN 105385902A的中国专利公开了一种AlB2和AlN颗粒增强铝基复合材料的制备方法,粒子发挥协同作用。
公开号为CN 109692964A的中国专利公开了一种含ZrB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法,将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼,施加雾化压力使其雾化冷却形成粉末,制成铝基复合材料。但该方法制备工艺复杂,无法大规模生产;且在制备中用到KBF4和K2TiF6会生成AlF3,污染环境。公开号为CN 109402441A的中国专利公开了一种以超细铝粉、空气为原料制备AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料的方法,但该方法无法有效控制增强颗粒的含量,并且增强相难以在基体上分布均匀,受设备限制,无法批量化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出一种综合性能好、增强颗粒分散性好、成本低、可工业化生产的ZrB2、AlN和Al2O3颗粒协同增强铝基复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的:
一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料,其特征是:铝基体上均匀分布原位生成的纳米级ZrB2,AlN和Al2O3颗粒;ZrB2的质量百分比为1.8~27.5,尺寸为50~300nm;AlN的质量百分比为3.3~41.3,尺寸为10~50nm;Al2O3的质量百分比为1.1~16.5,尺寸为10~100nm。其中,ZrB2,AlN和Al2O3协同增强,同时提升材料的强度、弹性模量、耐磨性与体积稳定性。
上述复合材料的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料:工业纯铝粉50.0~95.0(尺寸≤70μm)、二氧化锆粉2.0~30.0(尺寸≤2μm)、氮化硼粉2.0~25.0(尺寸≤2μm);
(2)按比例称取步骤(1)中的物料,首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速≤150r/min)1~6h,再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速≥300r/min)6~48h,以上两步球磨均在氩气氛围下进行,球料比均设定在3:1~6:1间;
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套,在冷/热等静压机中压制成预制体;
(4)将预制体放入真空烧结炉内,设定真空度在5×10-5~1×10-2Pa间,采用固液顺序烧结法,首先进行固相烧结,控制烧结温度为570~640℃,保温时间为60~240min,然后进行液相烧结,将烧结温度控制为660~950℃,保温时间为10~90min,即可获得ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
与现有技术相比,本发明有以下优点:
(1)采用双速球磨法,即:先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨,实现二氧化锆粉均匀分布,避免机械合金化作用产生大量ZrAl3相,再加入氮化硼粉高速球磨,既实现了二氧化锆和氮化硼粉的活化,又充分利用氮化硼粉的润滑作用,使球磨后物料粒度小,减少了预制体的缺陷。
(2)固液顺序烧结法具有多级反应机制,在较低温度下,铝和二氧化锆进行固–固反应生成纳米Al2O3颗粒呈弥散分布,固态下颗粒的扩散能力有限,克服了纳米级颗粒的团聚现象,在较高的温度下铝与氮化硼粉进行液–固反应,生成了团絮状分布的纳米AlN,且已经生成的Al2O3对AlN具有分散作用,使其均匀的分布在基体中。由于在较高温下保温时间较短,生成的纳米ZrB2相,克服了生成金属间化合物易长大的缺点,因此制备了一种分散性好的多相纳米颗粒增强铝基复合材料。
(3)通过改变铝粉、氮化硼粉、二氧化锆粉的配比可调控增强颗粒的含量,通过反应温度和保温时间可控制增强颗粒的尺寸与形貌。
本发明制备的复合材料中原位生成的纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒热力学稳定,表面洁净无污染,与基体结合强度高;增强颗粒在基体上均匀分布,无团聚现象。不同尺度的颗粒具有协同增强效果,展示了良好的综合力学性能。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例。
实施例1
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料:工业纯铝粉94.0(尺寸≤50μm)、氮化硼粉3.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉3.0(尺寸≤2μm);
(2)按比例称取步骤(1)中的物料,首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)2h,再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)8h,以上两步球磨均在氩气氛围下进行,球料比均设定在4:1;
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套,在冷等静压机中压制成预制体;
(4)采用固液顺序烧结法,即将预制体放入真空烧结炉内,设定真空度为5×10- 5Pa,首先固相烧结控制烧结温度为580℃,保温时间为180min,然后液相烧结将烧结温度控制为700℃,保温时间为60min,即可获得ZrB2,AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料,其成分(质量百分比)为:Al–2.7ZrB2–5.0AlN–1.7Al2O3,纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布,ZrB2颗粒尺寸为50~100nm,AlN颗粒尺寸为10~30nm,Al2O3颗粒尺寸为10~50nm。
实施例2
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料:工业纯铝粉78.0(尺寸≤50μm)、氮化硼粉10.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉12.0(尺寸≤2μm);
(2)按比例称取步骤(1)中的物料,首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)4h,再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)18h,以上两步球磨均在氩气氛围下进行,球料比均设定在5:1;
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套,在冷等静压机中压制成预制体;
(4)采用固液顺序烧结法,即将预制体放入真空烧结炉内,设定真空度为5×10- 5Pa,首先固相烧结控制烧结温度为600℃,保温时间为120min,然后液相烧结将烧结温度控制为800℃,保温时间为40min,即可获得ZrB2,AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN与Al2O3颗粒增强铝基复合材料,其成分(质量百分比)为:Al–11.0ZrB2–16.5AlN–6.6Al2O3,纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布,ZrB2颗粒尺寸为100~200nm,AlN颗粒尺寸为20~50nm,Al2O3颗粒尺寸为20~80nm。
实施例3
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料:工业纯铝粉50.0(尺寸≤6μm)、氮化硼粉22.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉28.0(尺寸≤2μm);
(2)按比例称取步骤(1)中的物料,首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)6h,再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)40h,以上两步球磨均在氩气氛围下进行,球料比均设定在6:1;
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套,在冷等静压机中压制成预制体;
(4)采用固液顺序烧结法,即将预制体放入真空烧结炉内,设定真空度为5×10- 5Pa,首先固相烧结控制烧结温度为620℃,保温时间为60min,然后液相烧结将烧结温度控制为900℃,保温时间为20min,即可获得ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料,其成分(质量百分比)为:Al–25.6ZrB2–36.3AlN–15.4Al2O3,纳米级ZrB2、AlN与Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布,ZrB2颗粒尺寸为200~300nm,AlN颗粒尺寸为30~50nm,Al2O3颗粒尺寸为50~100nm。

Claims (2)

1.一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料,其特征是:铝基体上均匀分布原位生成的纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒;ZrB2的质量百分比为1.8~27.5,尺寸为50~300nm;AlN的质量百分比为3.3~41.3,尺寸为10~50nm;Al2O3的质量百分比为1.1~16.5,尺寸为10~100nm;其中,ZrB2、AlN和Al2O3协同增强,同时提升材料的强度、弹性模量、耐磨性与体积稳定性。
2.根据权利要求1所述一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料的制备方法,其特征包括以下步骤:
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料:工业纯铝粉50.0~95.0,尺寸≤70μm;二氧化锆粉2.0~30.0,尺寸≤2μm;氮化硼粉2.0~25.0,尺寸≤2μm;
(2)按比例称取步骤(1)中的物料,首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨1~6h,球磨机转速≤150r/min;再加入氮化硼粉高速球磨6~48h,球磨机转速≥300r/min;以上两步球磨均在氩气氛围下进行,球料比均设定在3:1~6:1间;
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套,在冷/热等静压机中压制成预制体;
(4)将预制体放入真空烧结炉内,设定真空度在5×10-5~1×10-2Pa间,采用固液顺序烧结法,首先进行固相烧结,控制烧结温度为570~640℃,保温时间为60~240min,然后进行液相烧结,将烧结温度控制为660~950℃,保温时间为10~90min,即可获得ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
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