CN112662918A - Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al2O3‑TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法；该方法将碳粉与二氧化钛粉末混合后进行机械球磨，通过控制球磨工艺参数，使原料粉末充分混合，形成纳米级的前驱体粉末；再将前驱体粉末通过Ar气送入熔融的铝合金基体液中进行熔炼与搅拌，使前驱体粉末与铝合金基体液在高温下发生原位反应，生成Al2O3‑TiC增强体并在铝液中均匀分散，随后浇铸成型。本发明制备Al2O3‑TiC颗粒增强铝基复合材料，实现了较低温度下的原位反应，生成的陶瓷颗粒增强相在铝基体里均匀分布，抗拉强度较基体提高30％，延伸率提高75％。同时铸造的工艺适于大批量生产，可规模化推广应用。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷颗粒增强铝基复合材料领域，具体涉及一种 Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
在铝合金基体中添加纤维、颗粒或晶须制备的铝基复合材料具有很好的综合性能，其硬度、模量、耐磨性能、抗疲劳性能、高温屈服强度和热稳定性能比铝合金基体都要好很多。目前广泛使用的工艺是通过外加法制备铝基复合材料，采用外加法的优势是增强体的含量容易控制、工艺简单，缺点是增强体在基体合金中分散不均匀，容易发生团聚，从而导致材料性能不够稳定。原位反应法被广泛用来制备复合材料，此法制备的复合材料增强相尺寸细小分布均匀，且与基体结合强度高，材料综合性能更好。
目前比较成熟的工艺是机械球磨加粉末冶金的方法原位合成颗粒增强铝基复合材料，这种工艺一方面需要高温加压，对设备要求较高，另一方面不适合大批量生产，这也限制了这种铝基复合材料的发展和应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供了一种 Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，该方法是基于原位反应铸造法，利用前驱体在熔融铝液中的原位反应生成分布均匀的陶瓷相增强颗粒，提高了基体材料的力学性能。
为了实现上述目的，提供了一种Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)制备前驱体粉末：
将碳粉与二氧化钛粉末混合后进行机械球磨，通过控制球磨工艺参数，使原料粉末充分混合，形成纳米级的前驱体粉末；
2)制备Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料：
将步骤1)所得前驱体粉末通过Ar气送入熔融的铝合金基体液中进行熔炼与搅拌，使前驱体粉末与铝合金基体液在高温下发生原位反应，生成Al2O3-TiC增强体并在铝液中均匀分散，随后浇铸成型得到Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料。
作为优选实施方式地，所述步骤1)中，碳粉与二氧化钛粉末质量比为3:10～40。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，前驱体粉末的添加量为铝合金基体液的1.3～5.2wt％。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，铝合金基体液为A357 铝合金，化学成分为Si：7％，Mg：0.56％，Fe：0.07％，Ti：0.11％， Cu：0.02％，Zn：0.05％，Mn：0.02％，余量为Al。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，熔炼与搅拌的温度为 700～900℃，搅拌的时间为30～120min。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，浇铸的温度为 680～760℃。
本发明还提供了一种原位反应铸造法制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料，所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料由上述的方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一，本发明采用球磨加铸造的工艺制备Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料，实现了较低温度下的原位反应，生成的增强相在铝基体里均匀分布，同时铸造的工艺适于大批量生产，可规模化推广应用。
其二，制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料力学性能较好，抗拉强度较基体提高30％，延伸率提高75％。
附图说明
图1为本发明实施例1所添加前驱体粉末的SEM照片；
图2为本发明实施例1制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料微观组织照片。
图3为实施例1制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料微观组织元素分布照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
实施例1
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料1的制备方法，具体步骤如下：
1)将二氧化钛粉末(AR,≥99％)与碳粉(炭黑)以质量比20:3混合后进行机械球磨，通过控制球磨工艺参数，使两种原料粉末充分混合，形成纳米级前驱体粉末；
2)将步骤1)所得前驱体粉末加入熔融的A357铝合金液 (A357铝合金，化学成分为Si：7％，Mg：0.56％，Fe：0.07％， Ti：0.11％，Cu：0.02％，Zn：0.05％，Mn：0.02％，余量为Al)中进行机械搅拌，前驱体粉末的添加量为A357铝合金液的2.6 wt％，熔炼与搅拌温度850℃，搅拌时间45min，随后降温至720℃进行浇铸，得到Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料。
如图1所示为球磨后的前驱体粉末SEM照片，二氧化钛粉末与碳粉在球磨过程中经历了反复的挤压、冷焊合及粉碎等过程，最终颗粒尺寸得到细化，两种粉末也得到了充分了分散。
图2所示为制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料1微观组织照片，图3为微观组织中元素分布照片，可以看出前驱体粉末在熔融铝液中发生了原位反应，生成了均匀分布的Al2O3和TiC，且与基体结合良好。
对本实施例制备的铝基复合材料1进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例2
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料2的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：前驱体粉末的添加量为铝合金基体液的1.3 wt％。
对本实施例制备的铝基复合材料2进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例3
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料3的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：前驱体粉末的添加量为铝合金基体液的5.2 wt％。
对本实施例制备的铝基复合材料3进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例4
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料4的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：熔炼与搅拌的温度700℃。
通过对制备的复合材料5进行成分分析，并未发现Al2O3和 TiC的存在，说明此温度下前驱体粉末并未发生反应。
对本实施例制备的铝基复合材料4进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例5
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料5的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：熔炼与搅拌的温度800℃。
通过对制备的复合材料5进行成分分析，并未发现Al2O3和 TiC的存在，说明此温度下前驱体粉末并未发生反应。
对本实施例制备的铝基复合材料5进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例6
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料6的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：熔炼与搅拌的温度900℃。
对本实施例制备的铝基复合材料6进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例7
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料7的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：搅拌时间30min。
对本实施例制备的铝基复合材料6进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例8
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料8的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：搅拌时间60min。
对本实施例制备的铝基复合材料8进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
实施例9
Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料9的制备方法与实施例1相似，不同之处在于：搅拌时间120min。
对本实施例制备的铝基复合材料9进行T6热处理，随后对力学性能进行测试，测试结果见表1。
表1
由表1可看出，本发明实施例采用原位反应铸造法制备了 Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料，其中实施例1抗拉强度较基体提升了30％以上，同时延伸率也增大了，加工性能更为优异。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将碳粉与二氧化钛粉末混合后进行机械球磨使原料粉末充分混合，形成纳米级的前驱体粉末；
将步骤1)所得前驱体粉末通过Ar气送入熔融的铝合金基体液中进行熔炼与搅拌，使前驱体粉末与铝合金基体液在高温下发生原位反应，生成Al2O3-TiC增强体并在铝液中均匀分散，随后浇铸成型得到Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，碳粉与二氧化钛粉末质量比为3:10～40。
3.根据权利要求1所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，前驱体粉末的添加量为铝合金基体液的1.3～5.2wt％。
4.根据权利要求1或3所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，铝合金基体液为A357铝合金，化学成分为Si：7％，Mg：0.56％，Fe：0.07％，Ti：0.11％，Cu：0.02％，Zn：0.05％，Mn：0.02％，余量为Al。
5.根据权利要求1所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，熔炼与搅拌的温度为700～900℃，搅拌的时间为30～120min。
6.根据权利要求1所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，浇铸的温度为680～760℃。
7.一种原位反应铸造法制备的Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料由权利要求1～6任一项所述的方法制备而成。
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