CN111809075A - 一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法 - Google Patents

一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法。本发明的目的是解决现有铝合金材质的内燃机活塞连杆的强度及耐磨性难以满足要求，而采用Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料制造内燃机活塞连杆存在工艺复杂、对设备要求苛刻、制备成本较高，且其强度及耐磨性亦然难以满足要求的技术问题，提供一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法。该方法包括以下步骤：1)准备纯铝和Ti3AlC2颗粒；2)预处理得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；3)采用多弧离子镀工艺制备Ti镀层Ti3AlC2颗粒；4)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒进行预处理；5)纯铝熔炼；6)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入熔融铝中，超声搅拌，得到液态的复合材料；7)浇铸。该连杆利用该方法制造。

Description

一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造 方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机活塞连杆，具体涉及一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法。
背景技术
由于铝合金材料的密度较小，可大大减小内燃机中活塞连杆的质量及往复运动的惯性力，故中、小缸径的中、高速内燃机上多采用铝合金材质的活塞连杆，尤其以汽车发动机(内燃机)居多。但是，由于铝合金活塞连杆在工作过程中容易与内燃机缸体发生摩擦导致活塞连杆受损，为了克服该问题，可以选择强度及耐磨性更高的陶瓷颗粒增强铝基复合材料来制造内燃机活塞连杆，即利用高硬度的陶瓷颗粒来提高(优化)复合材料(内燃机活塞连杆)的强度和耐磨性。
陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量、高耐磨性和低热膨胀系数等优异性能，显现出单一铝合金材料不可比拟的性能，这种材料在汽车、航天航空和电子封装等领域均有着广泛的应用前景。同时，随着陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备工艺的不断成熟，生产成本的不断降低，这种复合材料逐渐成为生产量最大、应用范围最广的金属基复合材料之一。以Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料为例，Ti3AlC2颗粒是一种高硬度的三元层状导电陶瓷，其兼具陶瓷和金属的综合性能，具有较低的密度，以及良好的导电性、抗热震性和断裂韧性，同时还具有优于石墨和M0S2的自润滑性能。其中，Ti3AlC2属六方晶系，其在室温下的导电率为4.5×106m/Ω·mm2、导热系数为37W/m·K、热膨胀系数为9.6×10-6K-1，是一种较为理想的铝基复合材料外加增强体材料，故可以考虑采用Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料替代铝合金来制造内燃机的活塞连杆。
目前，Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料的制备方法主要有放电等离子烧结技术(SPS)和熔体搅拌铸造法两种，近年来以放电等离子烧结技术应用较多。但是，放电等离子烧结技术存在工艺复杂、对设备要求苛刻、制备成本高的问题，且Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料(Ti3AlC2/Al复合材料)的性能受烧结温度影响较大，Ti3AlC2在Al环境和较高温度下容易分解产生TiC和Ti杂质相，导致Ti3AlC2的纯度难以保证，进而导致采用这种工艺制备得到的Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料不能满足内燃机活塞连杆对于强度及耐磨性的要求；而熔体搅拌铸造法主要的问题是Ti3AlC2颗粒在Al基中分散性较差，导致复合材料组织性能及力学性能较低，同样不能满足内燃机活塞连杆对于强度及耐磨性的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有铝合金材质的内燃机活塞连杆的强度及耐磨性难以满足要求，而采用Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料制造内燃机活塞连杆存在工艺复杂、对设备要求苛刻、制备成本较高，且其强度及耐磨性亦然难以满足要求的技术问题，提供一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0～4.0％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；
3)采用多弧离子镀工艺，将预处理后的Ti3AlC2颗粒表面镀Ti，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
4)对Ti镀层Ti3AlC2颗粒进行预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气环境中熔化，待纯铝完全熔化成熔融铝后，进行保温；
6)继续在保护气环境下，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
进一步地，为了得到高纯度的复合材料，步骤1)中，所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为1000～2000目，纯度为98.0％～99.5％。
进一步地，步骤2)、步骤4)中，所述进行预处理是将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后真空干燥。
进一步地，为了对原料进行充分清洗，步骤2)、步骤4)中，预处理时，用蒸馏水和无水乙醇超声洗涤时，超声频率为15～20KHz，超声洗涤温度为40～50℃，洗涤总次数为3-5次，每次洗涤时间为10～20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；
真空干燥时，真空度为1.0×10-1～3.0×10-2Pa、温度为60-80℃、保温时间为1-2小时。
进一步地，为了给Ti3AlC2颗粒镀覆足够厚的Ti，步骤3)中，多弧离子镀工艺的镀覆气体为氮气，气体压强保持在1.0×10-1～2.0×10-1Pa、镀覆温度为200～250℃、镀覆时间为1～2小时、占空比为40～50％、偏压为20～25V。
进一步地，步骤5)和步骤6)中，所述保护气为氩气。
进一步地，步骤5)中，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10～20℃/min的升温速率将温度升至450～500℃，随后再以5～10℃/min的升温速率将温度升至750～760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温10～60min。
进一步地，步骤6)中，铝箔的长度和宽度均为8～10mm，厚度为15～18μm。
进一步地，为了使Ti镀层Ti3AlC2颗粒在铝基中分散均匀，步骤6)中，超声搅拌共1～4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括休息时间在内的超声搅拌时间为15～60min，超声频率为19～21KHz，输出电压为175～250V。
本发明还提供一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆，其特殊之处在于：采用上述Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法制得。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，总的工艺流程为：配料-超声清洗-多弧离子镀-超声清洗-熔化Al基体-加入Ti镀层Ti3AlC2-超声波搅拌-浇注成型-脱模，即在N2气氛下，使用多弧离子镀技术(工艺)在Ti3AlC2颗粒表面镀覆了一层Ti元素，随后使用超声波搅拌铸造法促进镀Ti的Ti3AlC2颗粒与Al基体的复合后铸造内燃机活塞连杆。镀覆过程中，在Ti3AlC2颗粒表面可形成一层TiN抑制层，有效防止了Ti3AlC2颗粒在高温下发生分解，使得Ti3AlC2颗粒依然保持本身固有的三维层状结构，这也有利于提升复合材料的强度及耐磨性，同时，超声波搅拌可有效促进Ti3AlC2颗粒在Al熔融体中分布均匀，从而解决了Ti3AlC2颗粒易分解且无法均匀分散的问题，进而使得添加到Al基体中的Ti3AlC2颗粒的纯度得到保证，其中纯铝含量为96.0～99.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为1.0～4.0wt.％，Ti镀层重量不做计算，只通过镀覆条件控制镀Ti厚度即可。采用本发明制造方法，工艺简单，生产周期短，且成本低，并且经测试证明，制得的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆具有优异的硬度、抗拉强度和耐磨性。
附图说明
图1为Ti镀层Ti3AlC2颗粒在低倍镜下的扫描电镜照片；
图2为Ti镀层Ti3AlC2颗粒在高倍镜下的扫描电镜照片；
图3为Ti镀层Ti3AlC2颗粒界面线扫描曲线(EDS测试)，其中，曲线a、b、c分别对应Al、Ti、C；
图4为纯铝、未镀Ti的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料及镀Ti后的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料的扫描电镜照片，其中，曲线a对应纯铝、曲线b对应未镀Ti的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料、曲线c对应镀Ti后的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料；
图5为纯铝、未镀Ti的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料及镀Ti后的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料的拉伸试验测试图，其中，曲线a对应纯铝、曲线b对应未镀Ti的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料、曲线c对应镀Ti后的2.0wt.％Ti3AlC2颗粒增强Al基复合材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0～4.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为1000～2000目，纯度为98.0％～99.5％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇超声洗涤时，超声频率为15～20KHz，超声洗涤温度为40～50℃，洗涤总次数为3-5次，每次洗涤时间为10～20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为1.0×10-1～3.0×10-2Pa、温度为60-80℃、保温时间为1-2小时；
3)将真空干燥处理后的Ti3AlC2颗粒放入多弧离子镀设备中进行镀Ti工艺处理，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；镀覆气体为氮气，气体压强保持在1.0×10-1～2.0×10-1Pa、镀覆温度为200～250℃、镀覆时间为1～2小时、占空比为40～50％、偏压为20～25V；
4)对Ti镀层Ti3AlC2颗粒进行预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10～20℃/min的升温速率将温度升至450～500℃，随后再以5～10℃/min的升温速率将温度升至750～760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温10～60min；
6)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为96.0～99.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为1.0～4.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为8～10mm，厚度为15～18μm；超声搅拌共1～4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括中间休息在内的超声搅拌时间为15～60min，超声频率为19～21KHz，输出电压为175～250V；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
实施例1
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为1000目，纯度为98.0％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤3次，超声频率为15KHz，超声洗涤温度为40℃，每次洗涤时间为10分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为1.0×10-1Pa、温度为60℃、保温时间为1小时；
3)将真空干燥处理后的Ti3AlC2颗粒放入多弧离子镀设备中进行镀Ti工艺处理，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；镀覆气体为氮气，气体压强保持在1.0×10-1Pa、镀覆温度为200℃、镀覆时间为1小时、占空比为40％、偏压为20V；
4)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒采用与步骤2)中相同的预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10℃/min的升温速率将温度升至450℃，随后再以5℃/min的升温速率将温度升至750℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温10min；
6)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为99.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为1.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为8mm，厚度为15μm；超声搅拌共1次，搅拌5min，搅拌完以后需要休息10分钟，超声频率为19～21KHz，输出电压为175～250V；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
实施例2
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的4.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为2000目，纯度为99.5％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤5次，超声频率为20KHz，超声洗涤温度为50℃，每次洗涤时间为20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为3.0×10-2Pa、温度为80℃、保温时间为2小时；
3)将真空干燥处理后的Ti3AlC2颗粒放入多弧离子镀设备中进行镀Ti工艺处理，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；镀覆气体为氮气，气体压强保持在2.0×10-1Pa、镀覆温度为250℃、镀覆时间为2小时、占空比为50％、偏压为25V；
4)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒采用与步骤2)中相同的预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以20℃/min的升温速率将温度升至500℃，随后再以10℃/min的升温速率将温度升至760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温60min；
6)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为96.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为4.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为10mm，厚度为18μm；超声搅拌共4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括中间休息在内的超声搅拌时间为60min，超声频率为21KHz，输出电压为250V；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
实施例3
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的2.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为1500目，纯度为99.0％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤4次，超声频率为18KHz，超声洗涤温度为45℃，每次洗涤时间为15分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为6.0×10-2Pa、温度为70℃、保温时间为1.5小时；
3)将真空干燥处理后的Ti3AlC2颗粒放入多弧离子镀设备中进行镀Ti工艺处理，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；镀覆气体为氮气，气体压强保持在1.5×10-1Pa、镀覆温度为225℃、镀覆时间为1.5小时、占空比为45％、偏压为22V；
4)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒采用与步骤2)中相同的预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以15℃/min的升温速率将温度升至480℃，随后再以8℃/min的升温速率将温度升至760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温30min；
6)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为98.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为2.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为9mm，厚度为16μm；超声搅拌共3次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括中间休息在内的超声搅拌时间为45min，超声频率为20KHz，输出电压为200V；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
实施例4
本发明提供的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0～4.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为2000目，纯度为99.5％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤5次，超声频率为20KHz，超声洗涤温度为50℃，每次洗涤时间为20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为3.0×10-2Pa、温度为70℃、保温时间为2小时；
3)将真空干燥处理后的Ti3AlC2颗粒放入多弧离子镀设备中进行镀Ti工艺处理，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；镀覆气体为氮气，气体压强保持在2.0×10-1Pa、镀覆温度为250℃、镀覆时间为2小时、占空比为50％、偏压为25V；
4)将Ti镀层Ti3AlC2颗粒采用与步骤2)中相同的预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10℃/min的升温速率将温度升至450℃，随后再以5℃/min的升温速率将温度升至760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温60min；
6)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为98.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为2.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为10mm，厚度为15μm；超声搅拌共4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括中间休息在内的超声搅拌时间为60min，超声频率为20KHz，输出电压为250V；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
本实施例中，利用多弧离子镀技术，在氮气气氛下，在Ti3AlC2颗粒表面均匀镀覆一层约1μm的TiN镀层，TiN镀层可有效保护Ti3AlC2颗粒，防止其在高温下发生分解，使得Ti3AlC2颗粒依然保持本身固有的三维层状结构，这也有利于提升复合材料的强度及耐磨性，Ti3AlC2颗粒均匀分布在基体界面处，基体中的晶粒尺寸约为为5～10μm(如图4c所示)，Ti3AlC2颗粒的加入明显降低了基体的晶粒尺寸。同时，测得其硬度达19.3HV，抗拉强度达70MPa，镀Ti后得到的较硬的Ti3AlC2颗粒有效提升了复合材料的硬度，从而可有效改善其耐磨性。
对步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒进行了如图1至图2所示扫描电镜测试，和如图3所示的界面线扫描曲线(EDS测试)。从图1可以看出，Ti3AlC2颗粒为近似六边形的形状，同时呈现出明显的三维层状结构。通过多弧离子镀技术，可以将Ti元素均匀镀覆在Ti3AlC2颗粒表面，厚度约1μm(如图2所示)。通过EDS线扫描分析可以看出(如图3所示)，镀层中的Ti元素明显高于Ti3AlC2颗粒中的Ti，说明镀Ti效果良好；镀层中Ti元素变化不大，说明Ti镀层均匀完好。同时，Ti3AlC2颗粒中可以检测到Al、Ti和C三种元素，与添加原材料保持一致。
根据实施例4的制造方法，设置以下两个对比例。
对比例1：
纯铝材质内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)准备纯铝原料，所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；
2)将纯铝进行预处理，得到纯净的纯铝；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤5次，超声频率为20KHz，超声洗涤温度为50℃，每次洗涤时间为20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为3.0×10-2Pa、温度为70℃、保温时间为2小时；
3)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10℃/min的升温速率将温度升至450℃，随后再以5℃/min的升温速率将温度升至760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温60min，得到熔融态纯铝；
4)将熔融态纯铝浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到纯铝材质的内燃机活塞连杆。
对步骤4)所得纯铝材质内燃机活塞连杆材料进行扫描电镜照片拍摄、硬度及抗拉强度检测，测得其晶粒尺寸约为50μm(如图3a所示)、硬度仅17.9HV、抗拉强度仅44MPa。
对比例2
Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0～4.0％；所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为2000目，纯度为99.5％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；所述预处理即将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后放入真空干燥箱中进行真空干燥；预处理时，用蒸馏水和无水乙醇各超声洗涤5次，超声频率为20KHz，超声洗涤温度为50℃，每次洗涤时间为20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；真空干燥时，真空度为3.0×10-2Pa、温度为70℃、保温时间为2小时；
3)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气(氩气)环境中熔化，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10℃/min的升温速率将温度升至450℃，随后再以5℃/min的升温速率将温度升至760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温60min；
4)继续在保护气(氩气)环境中，将步骤2)所得预处理后的Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤3)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料，其纯铝含量为98.0wt.％，Ti3AlC2颗粒含量为2.0wt.％；铝箔的长度和宽度均为10mm，厚度为15μm；超声搅拌共4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括中间休息在内的超声搅拌时间为60min，超声频率为20KHz，输出电压为250V；
5)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
对步骤5)所得Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆复合材料进行扫描电镜照片拍摄、硬度及抗拉强度检测，测得其晶粒尺寸为10～20μm(如图4b所示)、硬度为21.3HV、抗拉强度为62MPa。
并对实施例4及对比例1和对比例2进行了如图4所示的扫描电镜测试，硬度及如图5所示的抗拉强度检测。
图4中，与纯铝组织相比(如图4a所示)，未镀Ti的Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆复合材料的晶粒尺寸明显减小，约为10～20μm(如图4b所示)。通过多弧离子镀技术镀Ti后，复合材料晶粒尺寸进一步减小，约为5～10μm(如图4c所示)。基于晶粒细化机理，晶粒尺寸的降低可有效提升复合材料的强度及韧性，从而有效提升复合材料的综合力学性能及耐磨性。
图5中，相比于纯铝材料，含Ti镀层的Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆复合材料的抗弯强度提升了约59％；相比于未镀Ti层的Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆复合材料，含Ti镀层的Ti3AlC2颗粒增强Al基活塞连杆复合材料的抗弯强度提升了约13％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别准备纯铝和Ti3AlC2颗粒原料，Ti3AlC2颗粒的重量占纯铝和Ti3AlC2颗粒总重量的1.0～4.0％；
2)将纯铝和Ti3AlC2颗粒分别进行预处理，得到纯净的纯铝和Ti3AlC2颗粒；
3)采用多弧离子镀工艺，将预处理后的Ti3AlC2颗粒表面镀Ti，得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
4)对Ti镀层Ti3AlC2颗粒进行预处理操作，得到纯净的Ti镀层Ti3AlC2颗粒；
5)将步骤2)所得预处理后的纯铝放置于高频熔炼炉的坩埚中熔炼，使其在保护气环境中熔化，待纯铝完全熔化成熔融铝后，进行保温；
6)继续在保护气环境下，将步骤4)所得预处理后的Ti镀层Ti3AlC2颗粒用铝箔包裹后放入步骤5)保温后的熔融铝中，然后将超声波搅拌棒伸入坩埚中的熔融铝液面下进行超声搅拌，直到铝箔完全融化，且坩埚中的Ti镀层Ti3AlC2颗粒分散均匀，得到液态的复合材料；
7)将液态的复合材料浇入内燃机活塞连杆金属模具中，待液态复合材料在空气中冷却、凝固后脱模，即得到Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆。
2.根据权利要求1所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤1)中，所述纯铝为高纯铝锭，纯度≥99.99％；所述Ti3AlC2颗粒的粒度为1000～2000目，纯度为98.0％～99.5％。
3.根据权利要求1或2所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤2)、步骤4)中，所述进行预处理是将待处理原料用蒸馏水和无水乙醇依次超声洗涤后真空干燥。
4.根据权利要求3所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤2)、步骤4)中，预处理时，用蒸馏水和无水乙醇超声洗涤时，超声频率为15～20KHz，超声洗涤温度为40～50℃，洗涤总次数为3-5次，每次洗涤时间为10～20分钟，无水乙醇醇度为99.9％；
真空干燥时，真空度为1.0×10-1～3.0×10-2Pa、温度为60-80℃、保温时间为1-2小时。
5.根据权利要求4所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤3)中，多弧离子镀工艺的镀覆气体为氮气，气体压强保持在1.0×10-1～2.0×10-1Pa、镀覆温度为200～250℃、镀覆时间为1～2小时、占空比为40～50％、偏压为20～25V。
6.根据权利要求5所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤5)和步骤6)中，所述保护气为氩气。
7.根据权利要求6所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤5)中，高频熔炼炉采用程序升温，首先从室温以10～20℃/min的升温速率将温度升至450～500℃，随后再以5～10℃/min的升温速率将温度升至750～760℃，待纯铝完全熔化成熔融铝后，保温10～60min。
8.根据权利要求7所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤6)中，铝箔的长度和宽度均为8～10mm，厚度为15～18μm。
9.根据权利要求8所述的Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法，其特征在于：步骤6)中，超声搅拌共1～4次，每次搅拌5min，每次搅拌完以后需要休息10分钟，包括休息时间在内的超声搅拌时间为15～60min，超声频率为19～21KHz，输出电压为175～250V。
10.一种Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆，其特征在于：采用权利要求1至9任一所述Ti镀层Ti3AlC2颗粒增强Al基内燃机活塞连杆制造方法制得。
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