CN111254319A - 一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111254319A CN111254319A CN202010098312.6A CN202010098312A CN111254319A CN 111254319 A CN111254319 A CN 111254319A CN 202010098312 A CN202010098312 A CN 202010098312A CN 111254319 A CN111254319 A CN 111254319A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rare earth
- composite material
- situ nano
- reaction
- particles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 78
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 67
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 32
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 36
- 229910007948 ZrB2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 125000001153 fluoro group Chemical class F* 0.000 claims abstract description 15
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 10
- 229910020261 KBF4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 6
- VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N boron;zirconium Chemical compound B#[Zr]#B VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 34
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 31
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 17
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 12
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 10
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 10
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- 229910020148 K2ZrF6 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 4
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 4
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 2
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 22
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 abstract description 9
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 abstract description 9
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 7
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- 241000695274 Processa Species 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C21/00—Alloys based on aluminium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
- B22D7/005—Casting ingots, e.g. from ferrous metals from non-ferrous metals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
- C22C32/0073—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only borides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明属于铝合金铸造技术领域，尤其涉及一种原位纳米颗粒与稀土协同强化铝基复合材料的制备方法。本发明采用6111Al‑Er‑K2ZrF6‑KBF4反应体系，首先引入稀土Er，经过5min后待其开始稳定反应后，加入混合氟盐粉末，引入ZrB2增强颗粒。在稀土Er及外加电磁搅拌的双重作用下，缓解原位纳米颗粒的团聚现象，制备得到具有优异抗拉强度及延伸率的新型稀土与原位纳米颗粒协同强化铝基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，尤其涉及一种原位纳米颗粒与稀土协同强化铝基复合材料的制备方法，制备得到的铝合金具备高强度、高塑性的性能特点。
背景技术
金属基复合材料是21世纪发展潜力巨大的高性能结构材料之一，尤其是颗粒增强铝基复合材料，不仅具有高比强度和比刚度，而且具有耐磨性高、导热性好、热膨胀系数低、可设计性强等优点，在航空航天、国防及先进制造等高技术领域具有广阔的应用前景。原位颗粒增强铝基复合材料是通过先进的原位合成技术制备的新型金属基复合材料，由于其增强体是从铝基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染，增强体与基体的界面相容性好、界面结合强度高，具有高的比强度、比刚度以及较好的韧性、抗疲劳、抗蠕变，阻尼性能好、热膨胀系数低，已成为金属基复合材料中应用潜力巨大的发展方向，备受材料界和工业界广泛关注，对推动铝合金产业的转型发展和供给侧改革将产生重大影响。
原位纳米颗粒增强铝基复合材料具备以上诸多优点的同时，却面临一个重要的技术瓶颈，即尺寸细小的原位纳米颗粒的分布状态及其形貌难以控制，颗粒团聚问题是该研究领域内存在几十年的行业难题。原位ZrB2颗粒尺寸极小，属于纳米级，因此具备很大的表面能，颗粒存在自发团聚的倾向。颗粒团聚形成尺寸极大的颗粒团簇，这些大尺寸团簇与基体合金界面结合性极差，复合材料组织内部常见大尺寸团聚与基体界面存在较多孔洞等缺陷。此外原位内生的增强颗粒尺寸极难控制，部分颗粒出现异常长大现象，而大尺寸颗粒与基体合金的界面润湿性较差，界面结合强度不高。基于以上，原位纳米颗粒的团聚不利于复合材料综合力学性能的提升。
对于提升铝合金综合力学性能这块的研究，除了原位纳米颗粒强化外，引入稀土元素，利用稀土优异的晶粒细化能力及生成大量弥散分布的含稀土析出相，同样可以显著提升基体合金的强度及塑性。在众多的稀土元素中，稀土Sc 是公认强化效果最好的元素，但受制于Sc极其昂贵的价格，其应用并不广泛。因此在本专利中，选取强化效果类似Sc，但价格相对低廉的稀土Er，利用原位纳米颗粒ZrB2及稀土Er它们各自具备的强化特点、Er改善原位ZrB2颗粒分布状态及颗粒形貌这些特点，获得原位纳米颗粒与稀土元素协同强化效果。
发明内容
本发明的目的在于开发一种原位纳米颗粒与稀土协同强化铝基复合材料的制备技术，利用稀土解决传统原位纳米颗粒增强铝基复合材料内颗粒团聚的问题，进而最大程度提升基体合金的抗拉强度及延伸率。
本发明的第二个目的在于通过提升复合材料内增强相的含量来提升其综合力学性能。无论是原位纳米颗粒强化相还是含稀土析出相强化相，其各自的含量总会有一个峰值，超过这个特定值，对基体合金的强化效果就要减弱。因为原位纳米颗粒和稀土析出相分属两种不同性质的强化相，它们的结合使用并不冲突，使得复合材料内部强化相的总含量限制得到突破。该新型铝基复合材料内部强化相含量的显著增加在宏观上表现为复合材料抗拉强度及延伸率的进一步提升。
本发明为实现其高的力学性能指标，所采用的技术方案是通过 6111Al-Er-K2ZrF6-KBF4反应体系，首先引入稀土Er，经过5min后待其开始稳定反应后，加入混合氟盐粉末，引入ZrB2增强颗粒。在稀土Er及外加电磁搅拌的双重作用下，缓解原位纳米颗粒的团聚现象，制备得到具有优异抗拉强度及延伸率的新型稀土与原位纳米颗粒协同强化铝基复合材料。
与传统制备技术相比，该新型技术方案的特征主要体现在稀土的引入，一方面缓解了传统颗粒增强铝基复合材料中增强颗粒团聚的问题，另一方面由于稀土析出相和原位纳米颗粒化学性质并不冲突进而复合材料内总的强化相含量的瓶颈得到突破，在以上两方面积极作用的影响下，复合材料的抗拉强度及延伸率相比于传统颗粒增强铝基复合材料或单纯的稀土强化铝合金得到显著提升。此外，反应过程中伴随的电磁场施加的电磁搅拌，也对原位纳米颗粒的分布状态起到了很好的改善作用。
为实现本发明的具体实施步骤如下：
(1)实验原材料的准备：反应所需原材料包括6111Al商用铝合金、Al-Er 中间合金、K2ZrF6及KBF4。其中为去除氟盐内掺杂的结晶水，反应之前将氟盐置于干燥炉内进行烘干处理，烘干处理结束后，根据实验所需氟盐量进行称量并混合研磨，之后用铝箔将混合氟盐粉末包裹。
(2)引入稀土Er：将基体合金6111Al首先置入石墨坩埚内，利用中频感应加热炉进行熔炼；待熔体温度稳定至反应温度后，加入称量好的Al-Er中间合金，首先在铝合金熔体内引入稀土元素。
(3)引入原位纳米颗粒ZrB2：引入稀土元素Er五分钟后，即待Er与基体铝合金开始稳定反应后，将步骤(1)准备好的混合氟盐放入铝合金熔体内，用石墨棒搅拌均匀，在反应过程中施加电磁场；反应结束后，精炼、除气、扒渣。氟盐与稀土中间合金不能同时加入的目的在于防止剧烈反应的氟盐增大稀土的烧损。
(4)浇注：待反应结束后，温度降低至浇注温度，将步骤(3)制备得到的复合材料熔体浇注于铜模中，得到原位纳米颗粒ZrB2及稀土Er协同增强6111 铝基复合材料铸锭。
(5)热处理：将步骤(4)得到的复合材料铸锭进行热处理，目的在于获得含Er纳米析出相，提升复合材料综合力学性能。
步骤(1)中，所述的氟盐为KBF4、K2ZrF6，烘干处理的干燥温度为250℃，时间为120min。实验采用氟盐属于工业级氟盐，氟盐混合粉末研磨至200目以下。为限制脆性相Al3Zr的生成，KBF4使用量应过量20％，因此反应物质量比应为KBF4：K2ZrF6＝290:277。
步骤(2)中所述的Al-Er中间合金中，稀土Er的含量为20wt％，熔体反应温度为850℃。稀土较氟盐先加入的目的在于防止稀土Er被初始剧烈反应的氟盐所污染而增大稀土的烧损，待稀土进入熔体内反应5min后，反应趋于稳定之后再引入氟盐。
步骤(3)中所述的引入氟盐之后，混合熔体反应时间为30min，反应温度仍旧控制在850℃。反应过程中伴随电磁搅拌功能，电磁场励磁电流控制在 250A，电磁场频率控制在12Hz。反应结束后精炼、除气、扒渣的目的在于消除合金熔体内掺杂的废渣、夹杂，尽可能减少浇注之后复合材料组织内的各种铸造缺陷；
步骤(4)中所述的复合材料熔体浇注温度控制在700～720℃，浇注所用铜模需提前预热至250℃。
步骤(5)中所述的热处理工艺包括固溶处理及时效处理。固溶处理温度为550℃，时间控制为3h，固溶处理之后将复合材料铸锭从热处理炉内取出置入冷水中进行淬火处理。时效处理温度为175℃，时间设定为8h，时效处理结束后，复合材料铸锭随炉冷却至室温取出；最终制备得到的原位纳米颗粒与稀土协同强化铝基复合材料中，原位纳米颗粒ZrB2的质量分数为1％～4％，稀土Er的质量分数为0.1％～0.7％。
本发明具有以下优点和特征：
与传统原位纳米颗粒增强铝基复合材料的制备技术相比，本专利的最大创新点在于引入了稀土元素，利用稀土元素固有性质来改善原位纳米颗粒的分布状态及形貌，有效缓解了颗粒团聚问题，对复合材料力学性能的提升具有促进作用；
本专利的第二大创新点在于，与传统单独原位纳米颗粒强化或单独稀土元素强化相比，原位纳米颗粒和稀土元素的协同强化增大了复合材料内部增强相的总体含量，打破了传统制备技术强化相含量的瓶颈限制，显著提升了复合材料的抗拉强度及延伸率；
在反应过程中伴随施加的电磁搅拌功能，可有效改善原位纳米颗粒的分布状态，显著减轻了颗粒团聚问题；
稀土的引入可有效改善原本晶界处析出相的形貌。未引入稀土，晶界附近存在尺寸较大的粗大脆性相，属于AlFeMnSi脆性相，不利于材料力学性能的提升。引入稀土后，原本粗大的AlFeMnSi相逐渐转变为尺寸较小的破碎球状、小块状，属于AlErMnSi相，并且这种含稀土析出相与基体结合良好，原本因结合不佳留下的孔洞等缺陷基本得到消除，对复合材料拉伸性能的提高具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
图2为添加稀土前后，复合材料内部微观组织图像，其中原位纳米颗粒的分布状态改善效果清晰可见；(a,c)未引入稀土(b,d)引入稀土后。
具体实施方式
表1为基体合金6111Al的具体成分表。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
制备出原位纳米颗粒与稀土协同强化6111铝基复合材料，其中原位纳米颗粒ZrB2的含量为3wt％，稀土Er的引入量为0.5wt％。其具体制备技术流程如下：
首先称量此次试验所需6111Al基体合金的使用量，并根据基体合金的质量及原位纳米颗粒及稀土Er的计划含量准备氟盐及Al-Er中间合金的使用量；反应所需氟盐KBF4、K2ZrF6需提前置入干燥炉内进行干燥预处理，去除氟盐内掺杂的结晶水，干燥炉的温度设定为250℃，干燥时间设定为120min，待干燥预处理结束后将氟盐称量好，混合并研磨均匀，用铝箔包裹好待用；将准备好的6111Al 基体合金放入石墨坩埚内，置入中频感应加热炉内进行熔融处理；待基体6111 铝合金熔融后，设定并将温度稳定在850℃，加入Al-20Er中间合金，此次试验中Er的所需含量为0.5wt％；反应5min后待稀土Er与基体合金开始稳定反应后，根据ZrB2的所需含量为3wt％，加入准备好的混合氟盐粉末，用石墨棒搅拌均匀。混合熔体的反应时间为30min，且在整个反应过程中施加了电磁场，利用电磁搅拌功能尽可能地保证原位纳米颗粒ZrB2的均匀分布，电磁场励磁电流控制在 250A，电磁场频率控制在12Hz；反应结束后，精炼、除气、扒渣，待熔体温度降低至700～720℃，进行浇注，获得复合材料铸锭。浇注所用模具为铜模，且在浇注之前需预热至250℃；将制备得到的复合材料铸锭进行热处理，包括固溶处理及时效处理。固溶处理温度为550℃，时间控制为3h，固溶处理之后将复合材料铸锭从热处理炉内取出置入冷水中进行淬火处理。时效处理温度为175℃，时间设定为8h，时效处理结束后，复合材料铸锭随炉冷却至室温取出。
复合材料的室温拉伸测试结果显示，经热处理后，基体合金6111Al的屈服强度为270MPa，最大抗拉强度为288MPa，延伸率为7.5％。而 6111Al-0.5wt％Er-3wt％ZrB2复合材料的屈服强度、最大抗拉强度及延伸率分别为 311MPa、330MPa和12.6％。对比可见，稀土与原位纳米颗粒协同强化效果显著。
实施例2：
制备出原位纳米颗粒与稀土协同强化6111铝基复合材料，其中原位纳米颗粒ZrB2的含量为4wt％，稀土Er的引入量为0.3wt％。其具体制备技术流程如下：
首先称量此次试验所需6111Al基体合金的使用量，并根据基体合金的质量及原位纳米颗粒及稀土Er的计划含量准备氟盐及Al-Er中间合金的使用量；反应所需氟盐KBF4、K2ZrF6需提前置入干燥炉内进行干燥预处理，去除氟盐内掺杂的结晶水，干燥炉的温度设定为250℃，干燥时间设定为120min，待干燥预处理结束后将氟盐称量好，混合并研磨均匀，用铝箔包裹好待用；将准备好的 6111Al基体合金放入石墨坩埚内，置入中频感应加热炉内进行熔融处理；待基体6111铝合金熔融后，设定并将温度稳定在850℃，加入Al-20Er中间合金，此次试验中Er的所需含量为0.3wt％；反应5min后待稀土Er与基体合金开始稳定反应后，根据ZrB2的所需含量为4wt％，加入准备好的混合氟盐粉末，用石墨棒搅拌均匀。混合熔体的反应时间为30min，且在整个反应过程中施加了电磁场，利用电磁搅拌功能尽可能地保证原位纳米颗粒ZrB2的均匀分布，电磁场励磁电流控制在250A，电磁场频率控制在12Hz；反应结束后，精炼、除气、扒渣，待熔体温度降低至700～720℃，进行浇注，获得复合材料铸锭。浇注所用模具为铜模，且在浇注之前需预热至250℃；将制备得到的复合材料铸锭进行热处理，包括固溶处理及时效处理。固溶处理温度为550℃，时间控制为3h，固溶处理之后将复合材料铸锭从热处理炉内取出置入冷水中进行淬火处理。时效处理温度为 175℃，时间设定为8h，时效处理结束后，复合材料铸锭随炉冷却至室温取出。
复合材料的室温拉伸测试结果显示，经热处理后，基体合金6111Al的屈服强度为270MPa，最大抗拉强度为288MPa，延伸率为7.5％。而 6111Al-0.3wt％Er-4wt％ZrB2复合材料的屈服强度、最大抗拉强度及延伸率分别为 299MPa、322MPa和11.6％。对比可见，稀土与原位纳米颗粒协同强化效果显著。
制备得到的6111Al-0.5wt％Er-3wt％ZrB2复合材料及 6111Al-0.3wt％Er-4wt％ZrB2复合材料，它们各自的综合力学性能与基体合金相比均得到显著提升。6111Al-0.3wt％Er-4wt％ZrB2复合材料由于降低了稀土Er的使用量，其力学性能的表现效果稍逊于6111Al-0.5wt％Er-3wt％ZrB2复合材料，但却降低了使用成本，在民用工业领域会更加适用。
表1 商用6111Al化学成分表
Claims (6)
1.一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)实验原材料的准备：反应所需原材料包括6111Al商用铝合金、Al-Er中间合金、K2ZrF6及KBF4；其中为去除氟盐内掺杂的结晶水，反应之前将氟盐置于干燥炉内进行烘干处理，烘干处理结束后，根据实验所需氟盐量进行称量并混合研磨，之后用铝箔将混合氟盐粉末包裹；
(2)引入稀土Er：将基体合金6111Al首先置入石墨坩埚内，利用中频感应加热炉进行熔炼；待熔体温度稳定至反应温度后，加入称量好的Al-Er中间合金，首先在铝合金熔体内引入稀土元素；
(3)引入原位纳米颗粒ZrB2：将步骤(1)准备好的混合氟盐放入铝合金熔体内，用石墨棒搅拌均匀，在反应过程中施加电磁场；反应结束后，精炼、除气、扒渣；
(4)浇注：待反应结束后，温度降低至浇注温度，将步骤(3)制备得到的复合材料熔体浇注于铜模中，得到原位纳米颗粒ZrB2及稀土Er协同增强6111铝基复合材料铸锭；
(5)热处理：将步骤(4)得到的复合材料铸锭进行热处理，获得含Er纳米析出相，提升复合材料综合力学性能。
2.如权利要求1所述的一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述烘干处理的干燥温度为250℃，时间为120min；采用氟盐的属于工业级氟盐，氟盐混合粉末研磨至200目以下；为限制脆性相Al3Zr的生成，KBF4使用量应过量20％，反应物质量比应为KBF4：K2ZrF6为290:277。
3.如权利要求1所述的一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的Al-Er中间合金中，稀土Er的含量为20wt％，熔体反应温度为850℃，稀土较氟盐先加入的目的在于防止稀土Er被初始剧烈反应的氟盐所污染而增大稀土的烧损。
4.如权利要求1所述的一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，引入稀土元素Er五分钟后，即待Er与基体铝合金开始稳定反应后，再引入氟盐；所述的引入氟盐之后，混合熔体反应时间为30min，反应温度仍旧控制在850℃；反应过程中伴随电磁搅拌功能，电磁场励磁电流控制在250A，电磁场频率控制在12Hz。
5.如权利要求1所述的一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的复合材料熔体浇注温度控制在700～720℃，浇注所用铜模需提前预热至250℃。
6.如权利要求1所述的一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的热处理工艺包括固溶处理及时效处理；固溶处理温度为550℃，时间控制为3h，固溶处理之后将复合材料铸锭从热处理炉内取出置入冷水中进行淬火处理；时效处理温度为175℃，时间设定为8h，时效处理结束后，复合材料铸锭随炉冷却至室温取出；最终制备得到的原位纳米颗粒与稀土协同强化铝基复合材料中，原位纳米颗粒ZrB2的质量分数为1％～4％，稀土Er的质量分数为0.1％～0.7％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010098312.6A CN111254319B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010098312.6A CN111254319B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111254319A true CN111254319A (zh) | 2020-06-09 |
| CN111254319B CN111254319B (zh) | 2022-03-18 |
Family
ID=70954514
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010098312.6A Active CN111254319B (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111254319B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114635053A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-06-17 | 江苏大学 | 内生ZrB2和Cr0.4NbTiVZr双相颗粒增强铝基复合材料及制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019101316A1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | Norsk Hydro Asa | Al-si-mg-zr-sr alloy with particle-free grain refinement and improved heat conductivity |
-
2020
- 2020-02-18 CN CN202010098312.6A patent/CN111254319B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019101316A1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | Norsk Hydro Asa | Al-si-mg-zr-sr alloy with particle-free grain refinement and improved heat conductivity |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 刘鑫: "TiB2/Al复合材料混合盐法制备及力学性能的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
| 钱炜: "声磁耦合场下稀土与原位（ZrB2+TiB2）颗粒协同强化6X82Al基复合材料的制备与性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
| 陶然 等: "电磁场下原位合成纳米ZrB2np/AA6111复合材料组织与性能研究", 《 金属学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114635053A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-06-17 | 江苏大学 | 内生ZrB2和Cr0.4NbTiVZr双相颗粒增强铝基复合材料及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111254319B (zh) | 2022-03-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11761059B2 (en) | Preparation method of in-situ ternary nanoparticle-reinforced aluminum matrix composite | |
| CN101914709B (zh) | 一种高强韧铸造铝合金的制备方法 | |
| CN110284032B (zh) | 一种高熵合金颗粒增强镁基复合材料制备方法 | |
| CN112048629A (zh) | 铸造铝硅合金用Al-Ti-Nb-B细化剂的制备方法 | |
| CN106957979A (zh) | 一种长周期结构增强镁锂合金及其制备方法 | |
| CN108342606B (zh) | 一种混合稀土改善原位铝基复合材料组织和性能的方法 | |
| CN109023082A (zh) | 一种原位微量双相纳米陶瓷颗粒强化钢的方法 | |
| CN1924055A (zh) | 一种镁锂合金及其制造方法 | |
| Zhengjun et al. | Synthesis and refinement performance of the novel Al-Ti-B-RE master alloy grain refiner | |
| CN110923495A (zh) | 一种高强度、高塑性原位铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN112281014A (zh) | 一种稀土合金化的镁锂合金或铝锂合金的制备方法 | |
| CN111254319B (zh) | 一种原位纳米颗粒及稀土增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN109266893B (zh) | 一种包覆氧化锌石墨烯增强镁合金复合材料的方法 | |
| CN113388756B (zh) | 一种多元增强高温钛基复合材料的制备方法 | |
| WO2023241681A1 (zh) | 一种铝合金添加剂及其制备方法和应用 | |
| CN116121581B (zh) | 一种颗粒增强铝基复合中间合金、铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN114990390B (zh) | 一种原位自生双元纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN110195182A (zh) | 一种双尺寸复相颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 | |
| CN107177747A (zh) | 一种利用非晶合金孕育细化铝合金的添加工艺 | |
| CN113444956A (zh) | 一种陶瓷颗粒原位增强高熵合金及其制备方法 | |
| CN113373340A (zh) | 一种铸造铝硅合金用Al-Nb-B细化剂母合金的制备方法 | |
| CN109811204B (zh) | 一种TaB2颗粒增强的铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN114985749B (zh) | 一种可用于ods-w合金的氧化物-非晶复合粉体及其制备方法 | |
| CN116716526B (zh) | 一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法 | |
| CN114369742B (zh) | BaB6/Al复合材料孕育剂的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20200609 Assignee: ZHENJIANG LONGYUAN ALUMINUM Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University Contract record no.: X2024980011120 Denomination of invention: Preparation method of in-situ nano particles and rare earth reinforced aluminum matrix composites Granted publication date: 20220318 License type: Common License Record date: 20240802 |