CN113718126A - 一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，首先将纳米氧化铝及镁粉进行球磨，球磨结束后，加入铝粉继续球磨；将铝合金及上述纳米氧化铝、镁及铝的混合粉末放入坩锅内加热，以一定的速率加热到800～850℃，保温30～50min；将超声振动引入到上述金属熔体中，并保持；将上述金属熔体倒入550～600℃的收集器中冷却至680～720℃后，以15～20℃/min速率冷却至610～625℃，同时实施超声磁场分段处理；将上述获得的复合浆料移入350～400℃模具中，实施模锻成形，模具移动速率为10～50mm/s；模具行程结束后，保压10～80s后即可获得。本发明通过原位合成及外场干扰技术，获得了分布均匀且与基体有良好界面的纳米颗粒、无偏析微观组织；实现了纳米颗粒尺寸和分布、初生铝晶粒的尺寸和形貌、及液相份数可控；简化了触变模锻成形过程。

Description

一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体而言，涉及一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
金属基复合材料表现出优越的机械性能，如高比强度、耐磨、耐高温、抗蠕变等特性。微米尺度的增强体能够破坏基体材料的整体性，同时需要加入一定的数量才能使金属材料在性能上有明显改善。纳米尺度的增强体能在保持较低含量下明显提高基体合金的综合力学性能，因而受到广泛关注。
纳米颗粒间因存在范德华力，使得颗粒易团聚，这将严重削弱金属材料的性能。而纳米颗粒具有大的比表面积，通过外加工艺使其进入金属熔体并均匀分散将变得非常困难。除此之外，纳米颗粒表面和颗粒间包覆的空气或颗粒表面的污染物将引发较弱的颗粒/基体界面。因此通过原位合成纳米颗粒增强金属材料是一种很有吸引力的技术手段。然而纳米颗粒能够有效改善金属材料的力学性能须满足以下关键条件：1)纳米颗粒均匀分散；2)洁净、半共格或共格颗粒/基体界面。原位合成纳米增强体只能获得洁净的颗粒/基体界面，而纳米颗粒的尺寸、及纳米颗粒与基体材料的晶体学关系无法控制。因此还需选择一种有效的分散技术及合适的增强体。
高能超声振动引入到金属熔体中诱发的空化、声流效应对颗粒润湿性及分散有很大的促进作用。镁能够与氧化铝发生化学反应生成尖晶石，镁的加入也能够消耗熔体中可能存在的氧，最终生成尖晶石，如下反应：2Mg+O2＝2MgO，3Mg+4Al2O3＝3MgAl2O4+2Al，MgO+Al2O3＝MgAl2O4。尖晶石有优越的物理化学、机械及热性能，更重要是与铝有良好的晶体学关系，两者间的错配度仅0.25％，能为铝形核提供有效的异质形核点，这对于改善颗粒界面润湿性及细化晶粒有重要意义。然而如何控制纳米颗粒在基体材料中的空间分布及原位合成颗粒的尺寸存在一定的困难。
粉末冶金技术通过前期的球磨工艺可以较均匀地分散纳米颗粒，但存在以下问题：1)粉体在处理过程中易氧化；2)纳米颗粒只能在宏观尺度分布均匀。同时存在产品零件尺寸和形态受限、致密度不高等缺陷。传统锻造工艺可以实现零件的净近成形，但变形抗力较大，模具型腔受到很大的摩擦力及热腐蚀。20世纪70年代出现了一种全新的金属加工技术，它是将具用液固两相共存微观组织特性的金属进行成形的方法，称之为半固态加工技术，可以实现成形力小、充型平稳、热冲击小、净近成形等，所以该技术也必将成为本世纪最具发展潜力的材料成形技术之一。
半固态加工技术的关键是控制初生铝晶粒的圆整度、尺寸及液相的分布，它直接影响到后续成型工艺及最终产品的质量。
在公开号CN106350753A，一种单质铜包覆晶须碳纳米管/镁基复合材料半固态坯料的制备方法，及公开号CN106350695A，一种单质铜包覆多壁碳纳米管/铝基复合材料半固态坯料的制备方法中，采用球磨混合、粉体加热的方法制备金属基复合材料半固态坯料。固相率的控制依赖于加热速率及实施超声磁力干扰。但纳米粉体的分散仅靠球磨工艺控制，在微观尺度很难做到均匀分散，在基体颗粒表面还会存在纳米颗粒团聚体。这些公开的方法中涉及的半固态组织是通过升高温度使金属由固相进入半固态区间获得，对初生晶粒形核行为影响较小，对晶粒的尺寸及形貌的控制较难。
在公开号CN106367630A，一种涂覆单质铜的多壁碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法中，通过球磨分散、固体加热及模锻成型，实现了一种简捷的半固态模锻成形。该方法解决了碳纳米管在液态金属中上浮、沉降问题，简化了半固态模锻成型工艺。但纳米颗粒的完全分散问题并没有解决，及固相颗粒的尺寸和形貌无法控制。由于采用加热冷压混合粉体坯料的方式获得半固态组织，在模锻成形时，由于孔隙的存在，半固态坯料可能会提前开裂。
因此，综上所述，目前仍然缺乏一种简单且有效的纳米增强铝基复合材料制备及其模锻成型技术。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明在于提供一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，以解决目前仍然缺乏一种简单且有效的纳米增强铝基复合材料制备及其模锻成型技术的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：均匀混合纳米氧化铝、镁粉及铝粉，得到混合粉末；
步骤S2：将步骤S1中得到的混合粉末与铝合金放入坩锅内加热，以10～20℃/min的速率加热到800～850℃，并保温30～50min，得到金属熔体；
步骤S3：将1～2kW、20kHz的超声振动引入到步骤S2得到的金属熔体中，以2～8s为间隙时间，间断超声振动10～15min；
步骤S4：将步骤S3中得到的金属熔体倒入550～600℃的收集器中冷却至680～720℃后，引入1～3kW、20kHz的超声振动，并以15～20℃/min的速率将熔体冷却至630～650℃，而后施加0.1～1.0T的电磁搅拌至610～625℃，得到复合浆料；
步骤S5：将步骤S4中得到的复合浆料移入350～400℃模具中，实施模锻成形，模具行程结束后，保压10～80s。
进一步地，所述步骤S1中的纳米氧化铝、镁粉及铝粉的颗粒尺寸，适合值为纳米氧化铝100～200nm，镁40～50μm，铝80～100μm。
进一步地，所述步骤S1中对纳米氧化铝、镁粉及铝粉均匀混合时，首先将纳米氧化铝与镁颗粒以50～60转/分种的速度球磨10～15h，其中纳米氧化铝与镁颗粒的质量比为1:1～1.7；然后将上述混合粉末与铝颗粒以70～80转/分的速度球磨8～10h，其中纳米氧化铝、镁颗粒及铝颗粒的质量比为1:1～1.7:1～2。
进一步地，所述步骤(5)中模锻成形时，动模的移动速率为1～50mm/s。
本发明借助高能超声技术原位合成均匀分布的尖晶石纳米增强体，利用颗粒诱发外场干扰技术获得了组织均匀的高固相率半固态浆料，实现初生铝晶粒尺寸和形貌，及液相份数的可控。此半固态浆料能够直接用于模锻成型，跳出了常规半固态模锻的技术路线，即变形，高温重熔，高温保持，及模锻成型，可以一次成形获得复杂构件。
本发明实施例的有益效果是：
(1)通过铝坯料与混合粉体的同时加热、熔化，镁的引入除了与纳米氧化铝颗粒原位反应生成尖晶石外，同时能够消耗金属熔体中可能存在的氧及金属因氧化而生成的氧化铝，净化了熔体，这有利于改善金属材料的力学性能，在反复的间隙超声作用中，避免了合金元素的局部偏析，有助于纳米尺寸颗粒的生成及分布，同时也避免了纳米颗粒因频繁碰撞而发生烧结、粗化。
(2)由于原位合成的尖晶石纳米增强体与铝有良好的晶体学关系，在凝固过程中这些颗粒能够成为有效的异质形核点，促进了形核。超声振动能够在较高的温度下影响铝晶粒的长大，进而引发初生晶粒尺寸与形貌的变化，实现微观组织的可控。通过调整超声终止温度及颗粒的加入量，液相率控制在25％-30％，获得均匀、细小球化组织的半固态浆料。
(3)适当的液相能够均匀包覆在球状铝晶粒的表面，起到润滑作用。在成形过程中，这些液相膜大大减少了初生铝晶粒间运动的摩擦力，促进金属流动及减少成形抗力，有利于构件的整体成型。同时也避免了铸造缺陷的产生。
(4)本发明具有原位合成的纳米颗粒分布均匀且与基体有良好结合界面、无偏析微观组织等优点，实现了纳米颗粒尺寸和分布、初生铝晶粒的尺寸和形貌、及液相份数可控，简化了触变模锻成形过程，有利复杂构件的一次成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例2的原位合成的纳米颗粒分布图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1。
将纳米氧化铝(100nm)与镁颗粒(40μm)以50转/分种的速度球磨10h，其中纳米氧化铝与镁颗粒的质量比为1:1.7；然后将上述混合粉末与铝颗粒(100μm)以80转/分的速度球磨10h，其中纳米氧化铝、镁颗粒及铝颗粒的质量比为1:1.7:2。将上述混合粉末，其中含有质量百分数为2024铝合金的2％的纳米氧化铝，与2024铝合金放入坩锅内加热，以10℃/min的速率加热到800℃，保温30min；将1.5kW、20kHz的超声振动引入到金属熔体中，以2s为间隙时间，间断超声10min；将上述得到的金属熔体倒入550℃的收集器中冷却至680℃后，引入1kW、20kHz的超声振动，并以15℃/min的速率将熔体冷却至630℃，而后施加0.5T的电磁搅拌至610℃。所得复合浆料移入350℃模具中，实施模锻成形，其中动模的移动速率为10mm/s，模具行程结束后，保压10s，得到原位纳米尖晶石/2024铝基复合材料。
实施例2。
将纳米氧化铝(100nm)与镁颗粒(40μm)以60转/分种的速度球磨15h，其中纳米氧化铝与镁颗粒的质量比为1:1.7；然后将上述混合粉末与铝颗粒(200μm)以80转/分的速度球磨10h，其中纳米氧化铝、镁颗粒及铝颗粒的质量比为1:1.7:1。将上述混合粉末，其中含有质量百分数为7075铝合金的5％的纳米氧化铝，与7075铝合金放入坩锅内加热，以15℃/min的速率加热到850℃，保温40min；将2kW、20kHz的超声振动引入到金属熔体中，以5s为间隙时间，间断超声15min；将上述得到的金属熔体倒入550℃的收集器中冷却至680℃后，引入1kW、20kHz的超声振动，并以15℃/min的速率将熔体冷却至650℃，而后施加0.5T的电磁搅拌至625℃。所得复合浆料移入400℃模具中，实施模锻成形，其中动模的移动速率为15mm/s，模具行程结束后，保压80s，得到原位纳米尖晶石/7075铝基复合材料，具体参阅图1所示。
实施例3。
将纳米氧化铝(200nm)与镁颗粒(50μm)以50转/分种的速度球磨14h，其中纳米氧化铝与镁颗粒的质量比为1:1；然后将上述混合粉末与铝颗粒(100μm)以70转/分的速度球磨8h，其中纳米氧化铝、镁颗粒及铝颗粒的质量比为1:1:1。将上述混合粉末，其中含有质量百分数为5083铝合金的3％的纳米氧化铝，与5083铝合金放入坩锅内加热，以20℃/min的速率加热到800℃，保温40min；将1kW、20kHz的超声振动引入到金属熔体中，以8s为间隙时间，间断超声10min；将上述得到的金属熔体倒入600℃的收集器中冷却至720℃后，引入3kW、20kHz的超声振动，并以15℃/min的速率将熔体冷却至630℃，而后施加1.0T的电磁搅拌至610℃。所得复合浆料移入350℃模具中，实施模锻成形，其中动模的移动速率为50mm/s，模具行程结束后，保压50s，得到原位纳米尖晶石/5083铝基复合材料。
综上所述，通过铝坯料与混合粉体的同时加热、熔化，镁的引入除了与纳米氧化铝颗粒原位反应生成尖晶石外，同时能够消耗金属熔体中可能存在的氧及金属因氧化而生成的氧化铝，净化了熔体，这有利于改善金属材料的力学性能，在反复的间隙超声作用中，避免了合金元素的局部偏析，有助于纳米尺寸颗粒的生成及分布，同时也避免了纳米颗粒因频繁碰撞而发生烧结、粗化。此外由于原位合成的尖晶石纳米增强体与铝有良好的晶体学关系，在凝固过程中这些颗粒能够成为有效的异质形核点，促进了形核。超声振动能够在较高的温度下影响铝晶粒的长大，进而引发初生晶粒尺寸与形貌的变化，实现微观组织的可控。通过调整超声终止温度及颗粒的加入量，液相率控制在25％-30％，获得均匀、细小球化组织的半固态浆料。同时适当的液相能够均匀包覆在球状铝晶粒的表面，起到润滑作用。在成形过程中，这些液相膜大大减少了初生铝晶粒间运动的摩擦力，促进金属流动及减少成形抗力，有利于构件的整体成型。同时也避免了铸造缺陷的产生。最后本发明具有原位合成的纳米颗粒分布均匀且与基体有良好结合界面、无偏析微观组织等优点，实现了纳米颗粒尺寸和分布、初生铝晶粒的尺寸和形貌、及液相份数可控，简化了触变模锻成形过程，有利复杂构件的一次成型
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：均匀混合纳米氧化铝、镁粉及铝粉，得到混合粉末；
步骤S2：将步骤S1中得到的混合粉末与铝合金放入坩锅内加热，以10～20℃/min的速率加热到800～850℃，并保温30～50min，得到金属熔体；
步骤S3：将1～2kW、20kHz的超声振动引入到步骤S2得到的金属熔体中，以2～8s为间隙时间，间断超声振动10～15min；
步骤S4：将步骤S3中得到的金属熔体倒入550～600℃的收集器中冷却至680～720℃后，引入1～3kW、20kHz的超声振动，并以15～20℃/min的速率将熔体冷却至630～650℃，而后施加0.1～1.0T的电磁搅拌至610～625℃，得到复合浆料；
步骤S5：将步骤S4中得到的复合浆料移入350～400℃模具中，实施模锻成形，模具行程结束后，保压10～80s。
2.根据权利要求1所述的原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的纳米氧化铝、镁粉及铝粉的颗粒尺寸，适合值为纳米氧化铝100～200nm，镁40～50μm，铝80～100μm。
3.根据权利要求1所述的原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中对纳米氧化铝、镁粉及铝粉均匀混合时，首先将纳米氧化铝与镁颗粒以50～60转/分种的速度球磨10～15h，其中纳米氧化铝与镁颗粒的质量比为1:1～1.7；然后将上述混合粉末与铝颗粒以70～80转/分的速度球磨8～10h，其中纳米氧化铝、镁颗粒及铝颗粒的质量比为1:1～1.7:1～2。
4.根据权利要求1所述的原位纳米尖晶石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中模锻成形时，动模的移动速率为1～50mm/s。
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