CN110129641B - 一种高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝基复合材料技术领域，尤其是一种高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，成分为：4.5％～5.3％Cu、0.3％～0.5％Mn、0.2％～0.35％Ti、0.18％～0.25％Cd、0.10％～0.30％Zr、0.005％～0.06％B、0.10％～0.30％V、0.1％～0.2％Y、0.1％～0.2％Nd、0.1％～0.5％Gd，Al余量。制备方法：将将TiB₂增强颗粒压制成预制块以逐层剥离的形式熔入熔炼后的金属液中进行反应，反应后采用抽取金属液的方式将反应所得的金属液和熔盐分离，然后将分离所得的金属液精炼、浇注即可。本发明工艺简单，制造成本低，反应元素收得率高，可直接通过熔炼的形式浇注制备复合材料铸锭，也可把复合材料的制备与砂型、金属型铸造相结合制备铸件，适合工业化宏量生产。

Description

一种高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝基复合材料技术领域，尤其是一种高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料具有轻质、耐磨、耐腐蚀、比强度高、高温性能好及低热膨胀系数等优点，已逐渐成为航空、航天、汽车、电子等行业领域高性能材料研究的重点方向。铝基复合材料按增强体的不同分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。

原位自生TiB₂颗粒增强铝基复合材料与传统铝基复合材料相比，有比强度比刚度高、各向异性小、高弹性模量、且与铝合金基体界面结合良好等特点，已成为铝基复合材料研究领域中的热点问题。原位自生TiB₂颗粒增强铝基复合材料具有明显优势及良好市场前景。目前，原位自生TiB₂颗粒增强铝基复合材料一般采用熔盐反应法制备，该方法制备成本低，适合宏量工业化生产；但是，熔盐反应法制备原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料仍存在以下几个主要问题：(1) TiB₂增强体分布不均匀、团聚、TiB₂颗粒尺寸大；(2)难以将反应后的熔盐与金属液有效分离，未清理干净的熔盐对复合材料的性能影响大。如专利申请号为CN201510956925.8的文件公开的一种颗粒混合增强铝基复合材料及其制备方法，通过搅拌加入SiC或B₄C颗粒、 K₂TiF₆和Ti颗粒的混合物，利用Ti颗粒与铝合金熔体发生原位反应生成Al₃Ti颗粒，制备出SiC或B₄C颗粒与Al₃Ti颗粒混合增强铝基复合材料。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，具体是通过以下技术方案实现的：

一种高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料，其成分按质量百分比计包括：4.5％～5.3％Cu、0.3％～0.5％Mn、0.2％～0.35％Ti、0.18％～ 0.25％Cd、0.10％～0.30％Zr、0.005％～0.06％B、0.10％～0.30％V、0.1％～ 0.2％Y，0.1％～0.2％Nd，0.1％～0.5％Gd，Al余量。

本发明还提供了一种高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，是将TiB₂增强颗粒压制成预制块以逐层剥离的形式熔入金属液进行反应，反应后采用抽取金属液的方式将反应所得的金属液和熔盐分离。

优选地，所述高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下过程：

(1)按高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料成分的质量百分比例配置精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、镉、铝钒中间合金、铝锆中间合金、铝钛硼中间合金、铝钇中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金炉料，并将全部炉料预热；

(2)按照所需生成TiB₂增强颗粒在铝基复合材料中的体积含量为5％称取K₂TiF₆和KBF₄,然后将其倒入球磨罐中进行高能球磨，获得混合盐；

(3)将混合盐与适量工业酒精后压制成预制块,放入电热鼓风干燥箱干燥后备用；

(4)将炉料进行熔炼，得到金属液；

(5)将金属液升温至820℃～950℃后，采用长柄石墨勺将混合盐预制块分批压入金属液的一定深度位置，待反应完全后，采用撇渣勺舀出表层熔盐，在一定温度下静置一定时间；

(6)采用预热好的转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内，转液泵管头与坩埚底部保持一定的距离，将混合熔体抽出至另一预热好的坩埚内。金属液与熔盐具有成分层的特性，利用转液泵能实现与熔盐的有效分离。

(7)将抽出的混合熔体调节至一定温度，采用高纯氩气精炼一定时间，静置一定时间后，浇注在预热好的金属型铸模中或者进行铸件浇注。

优选地，所述炉料的预热是将炉料在300℃～400℃下保温2h-4h。

优选地，所述高能球磨的工艺参数为：球磨转速100r/min～ 400r/min，球磨时间5min～100min。

优选地，所述预制块,密度为65％～75％,规格为(Φ50～Φ80) mm×(50～100)mm。

优选地，所述步骤(4)，炉料的熔炼过程为：

(4-1)取熔炼坩埚预热至300℃～500℃，加入精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金，再升温使其熔化，搅拌1min～10min；然后将熔体调节至680℃～720℃，加入金属镉及铝锆中间合金，熔化后电磁搅拌1min～10min；

(4-2)将步骤(4-1)所得的熔体升温至700℃～730℃，加入铝钒中间合金；然后再调节温度至700℃～750℃，加入铝钛硼中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金、铝钇中间合金，熔化后电磁搅拌1min～ 5min，获得金属液；

优选地，所述步骤(5)，预制块压入深度为金属液深度的2/3 处，反应完成后静置温度为850℃～920℃，静置时间5mi～30min。

优选地，所述步骤(6)，转液泵管头与坩埚底部保持的距离为 80mm～150mm。

优选地，所述步骤(7)，混合熔体的精炼温度为690℃～740℃，精炼时间为5min～60min，精炼后静置时间为5min～30min。

本发明采用混合盐反应法原位合成制备复合材料，反应方程为： 3K₂TiF₆+6FBF₄+10Al＝3TiB₂+9KAlF₄+K₃AlF₆。

本发明的有益效果在于：

本发明采用高能球磨将混合盐细化及充分混合均匀并压制成预制块，反应时预制块以逐层剥离的形式熔入金属液，扩大了混合盐与金属液的接触面积，确保了反应盐的成分比例，提高了反应效率，降低了反应难度，从而使反应元素的收得率高。在基体合金内加入钇、钆、钕稀土元素，通过稀土元素的作用，降低增强颗粒表面能，从而降低增强颗粒产生团聚长大的趋势。电磁搅拌加剧了熔体内部对流，造成了对液固界面的强烈冲刷，熔体中形成的成团TiB₂颗粒被高速流动的液流击散，尺寸变小，并在强烈电磁搅拌下在熔体内均匀分布。利用转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内将金属液抽出至另一预热好的坩埚内，实现金属液与熔盐的有效分离，提高复合材料的纯净度，制备的TiB₂颗粒增强AlCu基复合材料增强颗粒分布均匀，颗粒尺寸细小，熔炼制得的复合材料组织均匀细小，抗拉强度相比未加入 TiB₂颗粒的基体合金提高10％～15％左右，屈服强度提高15％～20％左右。

本发明工艺简单，制造成本低，反应元素收得率高，可直接通过熔炼的形式浇注制备复合材料铸锭，也可把复合材料的制备与砂型、金属型铸造相结合制备铸件，适合工业化宏量生产。

附图说明

图1为本发明预制块与金属液反应示意图；1是AlCu基体合金液， 2是长柄石墨勺，3是水冷中频感应炉，4是混合盐预制块。

图2为本发明熔盐与金属液分离示意图；1是转液泵，2是转液坩埚，3是复合材料熔体，4是熔盐。

图3为本发明所制复合材料金相组织的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

实施例1

高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料，其成分按质量百分比计包括：5％Cu、0.4％Mn、0.2％Ti、0.2％Cd、0.2％Zr、0.05％B、0.10％V、 0.1％Y，0.2％Nd，0.5％Gd，Al余量。

高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，具体以下步骤：

(1)按上述高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料成分的质量百分比例配置精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、镉、铝钒中间合金、铝锆中间合金、铝钛硼中间合金、铝钇中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金炉料，并将全部炉料1在300℃～400℃下预热3h；

(2)按照所需生成TiB₂增强颗粒在铝基复合材料中的体积含量为5％称取K₂TiF₆和KBF₄,然后将其倒入球磨罐中在转速150r/min～ 200r/min的条件下高能球磨20min，获得混合盐；

(3)将混合盐与适量工业酒精后压制成致密度为70％、规格为Φ50mm×60mm的预制块,放入电热鼓风干燥箱在250℃下保温3h去除结晶水后备用；

(4)将炉料进行熔炼，具体包括以下过程：

(4-1)取熔炼坩埚预热至300℃～500℃，加入精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金，再升温使其熔化，搅拌1min～3min；然后将熔体调节至680℃～720℃，加入金属镉及铝锆中间合金，熔化后电磁搅拌1min～3min；

(4-2)将步骤(4-1)所得的熔体升温至700℃～730℃，加入铝钒中间合金；然后再调节温度至700℃～750℃，加入铝钛硼中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金、铝钇中间合金，熔化后电磁搅拌3min～ 5min，获得金属液。

(5)将金属液升温至850℃～900℃后，采用长柄石墨勺将混合盐预制块分批压入金属液深度的2/3处，待反应完全后，采用撇渣勺舀出表层熔盐，在880℃～900℃下静置时间15min～20min；

(6)采用预热好的转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内，转液泵管头与坩埚底部保持100mm的距离，将混合熔体抽出至另一预热好的坩埚内。金属液与熔盐具有成分层的特性，利用转液泵能实现与熔盐的有效分离。

(7)将抽出的混合熔体调节至710℃～730℃，采用高纯氩气精炼15min～20min，静置一定5min～10min后，浇注在预热好的金属型铸模中或者进行铸件浇注。

实施例2

高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料，其成分按质量百分比计包括：4.5％Cu、0.5％Mn、0.3％Ti、0.18％Cd、0.30％Zr、0.005％B、0.20％V、 0.16％Y，0.1％Nd，0.1％Gd，Al余量。

高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，具体以下步骤：

(1)按上述高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料成分的质量百分比例配置精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、镉、铝钒中间合金、铝锆中间合金、铝钛硼中间合金、铝钇中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金炉料，并将全部炉料1在300℃～400℃下预热2h；

(2)按照所需生成TiB₂增强颗粒在铝基复合材料中的体积含量为5％称取K₂TiF₆和KBF₄,,然后将其倒入球磨罐中在转速100r/min～ 150r/min的条件下高能球磨100min，获得混合盐；

(3)将混合盐与适量工业酒精后压制成致密度为65％、规格为Φ60mm×50mm的预制块,放入电热鼓风干燥箱在250℃下保温3h去除结晶水后备用；

(4)将炉料进行熔炼，具体包括以下过程：

(4-1)取熔炼坩埚预热至300℃～500℃，加入精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金，再升温使其熔化，搅拌3min～6min；然后将熔体调节至680℃～720℃，加入金属镉及铝锆中间合金，熔化后电磁搅拌3min～5min；

(4-2)将步骤(4-1)所得的熔体升温至700℃～730℃，加入铝钒中间合金；然后再调节温度至700℃～750℃，加入铝钛硼中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金、铝钇中间合金，熔化后电磁搅拌1min～ 3min，获得金属液。

(5)将金属液升温至820℃～850℃后，采用长柄石墨勺将混合盐预制块分批压入金属液深度的2/3处，待反应完全后，采用撇渣勺舀出表层熔盐，在850℃～880℃下静置时间5min～15min；

(6)采用预热好的转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内，转液泵管头与坩埚底部保持80mm～150mm的距离，将混合熔体抽出至另一预热好的坩埚内。金属液与熔盐具有成分层的特性，利用转液泵能实现与熔盐的有效分离。

(7)将抽出的混合熔体调节至690℃～710℃，采用高纯氩气精炼5min～15min，静置10min～20min后，浇注在预热好的金属型铸模中或者进行铸件浇注。

实施例3

高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料，其成分按质量百分比计包括：5.3％Cu、0.5％Mn、0.35％Ti、0.25％Cd、0.10％Zr、0.06％B、0.15％V、 0.2％Y，0.12％Nd，0.3％Gd，Al余量。

高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，具体以下步骤：

(1)按上述高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料成分的质量百分比例配置精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、镉、铝钒中间合金、铝锆中间合金、铝钛硼中间合金、铝钇中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金炉料，并将全部炉料1在300℃～400℃下预热4h；

(2)按照所需生成TiB₂增强颗粒在铝基复合材料中的体积含量为5％称取K₂TiF₆和KBF₄，然后将其倒入球磨罐中在转速200r/min～ 400r/min的条件下高能球磨5min，获得混合盐；

(3)将混合盐与适量工业酒精后压制成致密度为65％～75％、规格为Φ8)mm×(100mm的预制块,放入电热鼓风干燥箱在250℃下保温5h 去除结晶水后备用；

(4)将炉料进行熔炼，具体包括以下过程：

(4-1)取熔炼坩埚预热至300℃～500℃，加入精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金，再升温使其熔化，搅拌6min～10min；然后将熔体调节至680℃～720℃，加入金属镉及铝锆中间合金，熔化后电磁搅拌5min～10min；

(4-2)将步骤(4-1)所得的熔体升温至700℃～730℃，加入铝钒中间合金；然后再调节温度至700℃～750℃，加入铝钛硼中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金、铝钇中间合金，熔化后电磁搅拌3min～ 5min，获得金属液。

(5)将金属液升温至900℃～950℃后，采用长柄石墨勺将混合盐预制块分批压入金属液深度的2/3处，待反应完全后，采用撇渣勺舀出表层熔盐，在900℃～920℃下静置时间20min～30min；

(6)采用预热好的转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内，转液泵管头与坩埚底部保持80mm～150mm的距离，将混合熔体抽出至另一预热好的坩埚内。金属液与熔盐具有成分层的特性，利用转液泵能实现与熔盐的有效分离。

(7)将抽出的混合熔体调节至730℃～740℃，采用高纯氩气精炼30min～60min，静置20min～30min后，浇注在预热好的金属型铸模中或者进行铸件浇注。

对比例1

对比例1与实施例的区别在于，是将球磨后的混合盐不经压制直接加到金属液中反应，反应后是按照传统的熔盐反应法除去表面的熔盐；其余与实施例1相同。

实验例

取本发明实施例1-3和对比例1所制成的颗粒增铝铜基复合材料，以传统的铝铜基复合材料为对照组，检测其强度及组织，结果如表1 所示：

表1

在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定。

Claims (7)

1.一种高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，是将TiB₂增强颗粒压制成预制块以逐层剥离的形式熔入金属液进行反应，反应后采用抽取金属液的方式将反应所得的金属液和熔盐分离；具体包括以下过程：

(1)按高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料成分的质量百分比例配置精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、镉、铝钒中间合金、铝锆中间合金、铝钛硼中间合金、铝钇中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金炉料，并将全部炉料预热；

(2)按照所需生成TiB₂增强颗粒在铝基复合材料中的体积百分比称取K₂TiF₆和KBF₄,然后将其倒入球磨罐中进行高能球磨，获得混合盐；

(3)将混合盐与适量工业酒精后压制成预制块,放入电热鼓风干燥箱干燥后备用；

(4)将炉料进行熔炼，得到金属液；

(5)将金属液升温至820℃～950℃后，采用长柄石墨勺将混合盐预制块分批压入金属液的一定深度位置，待反应完全后，采用撇渣勺舀出表层熔盐，在一定温度下静置一定时间；

(6)采用预热好的转液泵穿过坩埚内的熔盐层伸入金属液内，转液泵管头与坩埚底部保持一定的距离，将金属液抽出至另一预热好的坩埚内；

(7)将抽出的金属液调节混合熔 体至一定温度，采用高纯氩气精炼一定时间，静置一定时间后，浇注在预热好的金属型铸模中或者进行铸件浇注；

所述步骤(4)，炉料的熔炼过程为：

(4-1)取熔炼坩埚预热至300℃～500℃，加入精铝锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金，再升温使其熔化，电磁搅拌1min～10min；然后将熔体调节至680℃～720℃，加入金属镉及铝锆中间合金，熔化后电磁搅拌1min～10min；

(4-2)将步骤(4-1)所得的熔体升温至700℃～730℃，加入铝钒中间合金；然后再调节温度至700℃～750℃，加入铝钛硼中间合金、铝钆中间合金、铝钕中间合金、铝钇中间合金，熔化后电磁搅拌1min～5min，获得金属液；

所述高性能原位TiB₂颗粒增强铝基复合材料的成分按质量百分比计包括：4.5％～5.3％Cu、0.3％～0.5％Mn、0.2％～0.35％Ti、0.18％～0.25％Cd、0.10％～0.30％Zr、0.005％～0.06％B、0.10％～0.30％V、0.1％～0.2％Y，0.1％～0.2％Nd，0.1％～0.5％Gd，Al余量。

2.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述炉料的预热是将炉料在300℃～400℃下保温2h-4h。

3.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述高能球磨的工艺参数为：球磨转速100r/min～400r/min，球磨时间5min～100min。

4.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述预制块，密度为65％～75％,规格为(Φ50～Φ80)mm×(50～100)mm。

5.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述步骤(5)，预制块压入深度为金属液深度的2/3处，反应完成后静置温度为850℃～920℃，静置时间5min～30min。

6.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述步骤(6)，转液泵管头与坩埚底部保持的距离为80mm～150mm。

7.如权利要求1所述的高性能原位TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法,混合溶体的精炼温度为690℃～740℃，精炼时间为5min～60min，精炼后静置时间为5min～30min。

Images