CN110423915A

CN110423915A - 一种铝基复合材料的制备方法

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Publication number: CN110423915A
Application number: CN201910807598.8A
Authority: CN
Inventors: 乐启炽; 任良; 李小强; 程春龙; 赵大志; 蒋燕超
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-11-08
Anticipated expiration: 2039-08-29
Also published as: CN110423915B; WO2021035775A1

Abstract

一种铝基复合材料的制备方法，按以下步骤进行：(1)准备铝锭作为原料；准备盐熔剂和增强体；(2)将盐熔剂置于坩埚中，加热制成盐熔剂熔体；将增强体加入并搅拌，制成液固混合物；(3)倒入常温坩埚中冷却得到前驱体；(4)将熔炼坩埚预热至573～673K，加入原料后熔化形成原料熔体；(5)将前驱体放入原料熔体中搅拌，然后在993～1023K静置，形成浮渣和复合材料熔体；(6)除渣后将温度降至983±5K，浇铸。本发明的方法工艺简单，成本低，能大大提高铝基复合材料的强度；可以用来制备大体积的铝基复合材料结构件，并且可以进行自动化生产，对铝工业行业发展有着重要的意义。

Description

一种铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，特别涉及一种铝基复合材料的制备方法。

背景技术

铝及其铝合金具有密度小，强度高，塑性好等优点，在航天航空、汽车等领域应用广泛。随着科技的进步，对铝及其合金的力学性能等有了更高的要求；所以，常常添加化学性质稳定的增强体来达到提高合金机械性能及其他优良的综合性能。

与传统铝及其合金相比，铝基复合材料在优异的力学性能之外，还具有某些特殊性能和其他良好的综合性能；目前，制备复合材料的方法主要有传统的机械搅拌铸造法、挤压铸造法、喷射成型法、原位复合法等。

传统的机械搅拌铸造法是将颗粒、晶须、纤维等增强体加入到熔融的金属熔体中，利用机械搅拌的方法使得增强体均匀分布在基体中。传统的机械搅拌铸造法优势在于其成本低，工艺流程简单，可以进行大批量生产和大体积生产，在航天航空、汽车制造等行业应用广泛。增强体如何在金属熔体中均匀分布是制备铝基复合材料的关键性问题；然而，绝大多数的增强体进入熔融的金属熔体中往往会发生团聚或者沉淀，从而难以均匀分散在熔体中；而且在搅拌过程中，会随着搅拌而掺入气体杂质，增强体颗粒会增大熔体粘度，使气体逸出困难，所以对机械搅拌的要求很高。增强体在熔体中会发生如此现象，究其本质，原因在于增强体与金属之间有着密度的差别，则势必会发生比重偏析；增强体对于液态金属的润湿性差，则不可能很好地分散在基体中。

挤压铸造法是利用高压的作用，使液态金属或半固态金属充型凝固的精确铸造方法，首先将增强体进行预成型，加热后浇入金属熔液或者熔体，使用模具压入，冷却得到复合材料铸件。挤压铸造法能够减轻气体杂质对制品的质量的影响，且对润湿性要求小，可以得到致密均匀的铸件，可加入的增强体的体积分数也得到提高，可达到30～50％，可以显著提高复合材料的性能。但是存在压力对铸件质量影响的问题，当压力大时，熔液会发生紊流，造成氧化、气体滞留的现象；当压力小时，部分气体则无法被去除，造成铸件不致密的现象；此外，挤压铸造法无法生产大体积铸件，也无法进行批量自动化生产。

喷射成型法是利用稀有气体将熔融金属雾化进行喷射，与另一端由稀有气体输送的增强体混合，在平台沉积冷却，得到复合材料制件。喷射成型法应用金属快速凝固技术，抑制了晶粒的长大和偏析的形成，使得晶粒细化，且增强体分布均匀。雾化金属和混合沉积是喷射成型法的两大影响因素，雾化金属的过程中伴随着气体的传输，使得制件往往有较大的气孔率以及发生缩松现象；沉积后如果凝固过快，增强体和基体复合效果不佳甚至不发生复合，如果凝固慢，会造成增强体分布不均匀的现象甚至偏析；另外，喷射成型法作为一种新型的复合材料制备方法，成本较高，因此，也不适用于自动化批量生产。

原位复合法是一种制备金属基复合材料的新型方法；这种方法不用直接加入增强体，而是利用化学反应或其他的特殊的反应使增强体在熔体内生成，形核和长大均在基体中完成，因此不存在与基体不相容或者结合不佳的现象，从而避免了润湿条件的影响，使得复合材料均匀纯净。此方法成本低，工艺流程简单，得到的制件质量好；但是利用化学反应生成增强体的数量很少，无法满足大量的工业化生产，因为存在这样的局限性，所以还达不到大批量地生产。

粉末冶金的方法是将金属粉末和增强体粉末通过球磨的方式混合，然后在真空条件下通过热压烧结成型。粉末冶金的方法不需要将基体合金加热至熔融状态，使基体和增强体可以避免界面的反应，通过混合之后，增强体均匀分布在基体中，起到良好的强化作用；但是，由于增强体与基体合金的尺寸、形状、性能存在较大差异，与铸造方法生产的复合材料相比，结合后会导致复合材料界面结合强度下降。此外，粉末冶金的工艺方法决定了它比较适用于小件的功能材料，而并不适合较大型的结构材料；其工艺流程较为繁琐，成本高，在运输过程中也存在诸多问题。

对于增强体的选择应该注意增强体与基体之间是否有良好的润湿性，界面结合强度是否合适，界面是否发生化学反应；目前，增强体大致分为三种：晶须、纤维、颗粒；比如氧化镧颗粒、氧化铈颗粒、碳化硅晶须、碳纤维等；其中晶须及颗粒增强复合材料有着易于加工、尺寸稳定等优点；在通常情况下，增强体熔点高，加入到合金熔液中不会熔化，同时也不会与基体发生化学反应。若能均匀存在于基体之中，降低间隙杂质在晶界处的偏析，则能够提高晶界强度；另外，增强体作为第二相对位错起到钉扎的作用，阻碍位错的运动，从而使合金的强度得到提升，并且塑性不会下降得太多。但是直接将增强体加入到基体熔体中，会由于润湿性不好导致颗粒发生团聚，不能很好地分散在基体中，从而达不到弥散强化的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝基复合材料的制备方法，通过将增强体用盐熔剂分散，改善表面润湿性，然后加入到铝熔体中，解决增强体与基体之间的润湿性以及界面结合问题，简化工艺的同时，提高铝基复合材料的强度。

本发明的方法按以下步骤进行：

(1)准备铝锭作为原料；准备盐熔剂和增强体；所述的盐熔剂为氯化钾、氯化钠和冰晶石的混合物，其中氯化钾占盐熔剂总质量的20～50％，氯化钠占盐熔剂总质量的20～50％，冰晶石占盐熔剂总质量的20～60％；所述的增强体为单质金属、稀土氧化物、碳化物、硼化物或金属氧化物；其中单质金属为W、Mo或Ni，稀土氧化物为La₂O₃、CeO₂或Y₂O₃，碳化物为TiC或SiC，硼化物为ZrB₂，金属氧化物为MgO或SiO₂；增强体为原料总体积的0.1～30％；增强体为盐熔剂总体积的1～50％；

(2)将盐熔剂置于粘土坩埚或石墨坩埚中，加热至973～1073K制成盐熔剂熔体；将增强体加入到盐熔剂熔体中，搅拌使增强体均匀分散，制成液固混合物；

(3)将液固混合物倒入常温的粘土坩埚或石墨坩埚中，冷却至常温得到前驱体；

(4)将熔炼坩埚预热至573～673K，然后将原料置于熔炼坩埚中，原料在933～1033K熔化形成原料熔体；所述的熔炼坩埚材质为石墨；

(5)将前驱体放入到温度933～1033K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度993～1023K条件下静置，使杂质成分和复合材料成分分离，形成浮渣和复合材料熔体；

(6)将复合材料熔体表面浮渣去除，然后将复合材料熔体的温度降至983±5K，浇铸制成铝基复合材料。

上述的铝锭纯度≥99.7％。

上述的增强体的形态为纤维、颗粒或晶须；其中颗粒的粒径300nm～20μm；晶须的直径0.1～1μm，长度10～100μm；纤维的直径5～20μm，连续长度10～70mm。

上述的步骤(5)中，先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入原料熔体中。

上述的步骤(2)中，搅拌速度100～200r/min，时间2～5min。

上述的步骤(5)中，搅拌速度100～300r/min，时间5～7min。

上述的步骤(2)中，将增强体加入到盐熔剂熔体中时，全部增强体分为3～5次加入，每次加入量为增强体总质量的50％以下。

上述的步骤(5)中，在静置前，使用氩气对熔炼坩埚内的物料进行除气，氩气的气压0.3～0.6MPa。

上述的步骤(5)中，静置时间10～30min。

上述的步骤(1)中，准备铝锭和其他金属成分作为原料；当进行步骤(4)时，将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；所述的其他金属成分为镁锭、锌锭、铝锰合金、铝稀土合金、铝铜合金、铝钛合金和铝硅合金中的一种或多种，其他金属成分中的镁、锌、锰、稀土、铜、钛和硅占原料总质量≤10％。

上述的铝基复合材料的原料成分占总体积的80～99.9％，增强体成分占总体积的0.1～22％。

本发明的特点在于：将增强体放入熔融的盐中，通过机械搅拌使增强体均匀分散于熔盐内，利用增强体与熔盐良好的润湿性质从而改善其表面润湿性；冰晶石可以有效地精炼熔体，溶解氧化铝，除去杂质和气体；除此之外，这种盐类熔剂能改善增强体的润湿性，使增强体易于均匀分散在基体中；由于选择的熔盐的密度与熔体密度相差较大，因此，在加入到熔体后，增强体与熔盐脱离；并且增强体经过表面改性后与熔体浸润良好，能够均匀分散在熔体中；另外，上述步骤使用的冰晶石类熔盐熔点低，熔化快，且可以做铝熔体的覆盖剂，防止铝液氧化；前驱体体积小，可以一次性加入；本发明的方法工艺简单，成本低，能大大提高铝基复合材料的强度；可以用来制备大体积的铝基复合材料结构件，并且可以进行自动化生产，对铝工业行业发展有着重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中的铝基复合材料的XRD图；

图2为本发明实施例1中的铝基复合材料的金相显微图。

具体实施方式

下面结合实施例来对此发明进行详细说明。

本发明实施例中采用热电偶检测温度，保证温度测量的准确性。

本发明实施例中采用的铝锭为市购产品。

本发明实施例中采用的氯化钾、氯化钠和冰晶石为市购分析纯试剂。

本发明实施例中采用的增强体为市购产品。

本发明实施例中采用的金相显微镜为徕卡1600X。

本发明实施例中采用的X射线衍射观测设备为荷兰帕纳科X pertpro。

本发明的铝锰合金、铝稀土合金、铝铜合金、铝钛合金和铝硅合金统称中间合金，中间合金中的锰、稀土、铜、钛和硅分别占中间合金总质量的10～40％。

本发明实施例中铝基复合材料采用X射线荧光光谱分析计算出增强体质量百分比，然后换算成体积百分比。

本发明实施例中铝锭纯度≥99.7％。

本发明实施例中的增强体的形态为纤维、颗粒或晶须；其中颗粒的粒径300nm～20μm；晶须的直径0.1～1μm，长度10～100μm；纤维的直径5～20μm，连续长度10～70mm。

本发明实施例中在静置前，使用氩气对熔炼坩埚内的物料进行除气，氩气的气压0.3～0.6MPa。

实施例1

准备铝锭作为原料；准备盐熔剂和增强体；所述的盐熔剂为氯化钾、氯化钠和冰晶石的混合物，其中氯化钾占盐熔剂总质量的35％，氯化钠占盐熔剂总质量的30％，冰晶石占盐熔剂总质量的35％；所述的增强体为稀土氧化物为La₂O₃颗粒；增强体为原料总体积的5％；增强体为盐熔剂总体积的10％；

将盐熔剂置于粘土坩埚中，加热至973K制成盐熔剂熔体；将增强体加入到盐熔剂熔体中，全部增强体分为3次加入，每次加入量为增强体总质量的50％以下，搅拌使增强体均匀分散，制成液固混合物；搅拌速度100r/min，时间5min；

将液固混合物倒入常温的粘土坩埚中，冷却至常温得到前驱体；

将熔炼坩埚预热至573K，然后将原料置于熔炼坩埚中，原料在933K熔化形成原料熔体；所述的熔炼坩埚材质为石墨；

将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度933K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度993K条件下静置，使杂质成分和复合材料成分分离，形成浮渣和复合材料熔体；搅拌速度100r/min，时间7min；在静置时使用氩气进行除气，氩气的气压0.3～0.6MPa，静置时间30min；

将复合材料熔体表面浮渣去除，然后将复合材料熔体的温度降至983±5K，浇铸制成铝基复合材料，增强体成分占总体积的3.87％，其余为原料成分；

铝基复合材料的XRD图如图1所示，金相显微图如图2所示；

在调整增强体的加入量的情况下，进行平行对比试验，增强体分别为原料总体积的1％、3％、8％、10％、15％和20％，最终形成的铝基复合材料中，增强体总质量的70～85％保留在基体中。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)盐熔剂中氯化钾占盐熔剂总质量的20％，氯化钠占盐熔剂总质量的50％，冰晶石占盐熔剂总质量的30％；

(2)增强体为碳化物SiC颗粒；

(3)增强体为原料总体积的1％；增强体为盐熔剂总体积的3％；

(4)将盐熔剂置于石墨坩埚中，加热至993K制成盐熔剂熔体；全部增强体分为4次加入；搅拌速度200r/min，时间2min；液固混合物倒入常温的石墨坩埚中冷却；

(5)熔炼坩埚预热至593K；在953K熔化；

(6)将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度953K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度998K条件下静置；搅拌速度300r/min，时间5min；静置时间20min；

铝基复合材料，增强体成分占总体积的0.72％，其余为原料成分；

实施例3

(1)准备铝锭和其他金属成分作为原料；所述的其他金属成分为镁锭，占原料总质量8％；盐熔剂中氯化钾占盐熔剂总质量的50％，氯化钠占盐熔剂总质量的30％，冰晶石占盐熔剂总质量的20％；

(2)增强体为单质金属Ni；

(3)增强体为原料总体积的10％；增强体为盐熔剂总体积的15％；

(4)将盐熔剂置于石墨坩埚中，加热至1013K制成盐熔剂熔体；全部增强体分为5次加入；搅拌速度150r/min，时间4min；液固混合物倒入常温的石墨坩埚中冷却；

(5)将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；熔炼坩埚预热至613K；在973K熔化；

(6)将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度973K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度1013K条件下静置；搅拌速度200r/min，时间6min；静置时间10min；

铝基复合材料，增强体成分占总体积的8％，其余为原料成分.

实施例4

(1)准备铝锭和其他金属成分作为原料；所述的其他金属成分为锌锭，占原料总质量4％；盐熔剂中氯化钾占盐熔剂总质量的20％，氯化钠占盐熔剂总质量的20％，冰晶石占盐熔剂总质量的60％；

(2)增强体为硼化物ZrB₂；

(3)增强体为原料总体积的18％；增强体为盐熔剂总体积的33％；

(4)将盐熔剂置于石墨坩埚中，加热至1033K制成盐熔剂熔体；搅拌速度180r/min，时间3min；液固混合物倒入常温的石墨坩埚中冷却；

(5)将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；熔炼坩埚预热至633K；在993K熔化；

(6)将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度993K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度1018K条件下静置；搅拌速度300r/min，时间5min；静置时间15min；

铝基复合材料，增强体成分占总体积的13.9％，其余为原料成分。

实施例5

(1)准备铝锭和其他金属成分作为原料；所述的其他金属成分为铝稀土合金，稀土占原料总质量5％；盐熔剂中氯化钾占盐熔剂总质量的25％，氯化钠占盐熔剂总质量的50％，冰晶石占盐熔剂总质量的25％；

(2)增强体为金属氧化物SiO₂；

(3)增强体为原料总体积的22％；增强体为盐熔剂总体积的40％；

(4)将盐熔剂置于石墨坩埚中，加热至1053K制成盐熔剂熔体；全部增强体分为4次加入；搅拌速度120r/min，时间4min；液固混合物倒入常温的石墨坩埚中冷却；

(5)将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；熔炼坩埚预热至653K；在1013K熔化；

(6)将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度1013K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度1018K条件下静置；搅拌速度200r/min，时间6min；静置时间25min；

铝基复合材料，增强体成分占总体积的16.3％，其余为原料成分。

实施例6

(1)准备铝锭和其他金属成分作为原料；所述的其他金属成分为等质量的铝钛合金和铝硅合金，钛和硅占原料总质量10％；盐熔剂中氯化钾占盐熔剂总质量的40％，氯化钠占盐熔剂总质量的20％，冰晶石占盐熔剂总质量的40％；

(2)增强体为单质金属Ni；

(3)增强体为原料总体积的27％；增强体为盐熔剂总体积的50％；

(4)将盐熔剂加热至1073K制成盐熔剂熔体；全部增强体分为5次加入；搅拌速度150r/min，时间4min；

(5)将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；熔炼坩埚预热至673K；在1033K熔化；

(6)将先将前驱体破碎至粒径≤5cm，然后放入到温度1033K的原料熔体中，搅拌使前驱体均匀分散，然后在温度1023K条件下静置；搅拌速度200r/min，时间6min；静置时间20min；

铝基复合材料，增强体成分占总体积的22％，其余为原料成分。

Claims

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的铝锭纯度≥99.7％。

3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的增强体的形态为纤维、颗粒或晶须；其中颗粒的粒径300nm～20μm；晶须的直径0.1～1μm，长度10～100μm；纤维的直径5～20μm，连续长度10～70mm。

4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中，搅拌速度100～200r/min，时间2～5min。

5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(5)中，搅拌速度100～300r/min，时间5～7min。

6.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(5)中，静置时间10～30min。

7.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，准备铝锭和其他金属成分作为原料；当进行步骤(4)时，将镁锭和其他金属成分一同置于铁坩埚中，熔化并搅拌混合均匀，形成原料熔体；所述的其他金属成分为镁锭、锌锭、铝锰合金、铝稀土合金、铝铜合金、铝钛合金和铝硅合金中的一种或多种，其他金属成分中的镁、锌、锰、稀土、铜、钛和硅占原料总质量≤10％。

8.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的铝基复合材料的原料成分占总体积的80～99.9％，增强体成分占总体积的0.1～22％。