CN114875276B - 嵌合式复合粒子增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种嵌合式复合粒子增强铝基复合材料及其制备方法。所述铝基复合材料包括Al基体、Si以及复合粒子Al4C3&TiC，所述复合粒子Al4C3&TiC具有Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构。根据本发明，通过使Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，与只加入Al4C3粒子或TiC粒子，或者Al4C3粒子和TiC粒子单独存在没有互相嵌合的结构相比，可进一步提高Al4C3粒子和TiC粒子对铝基复合材料的增强作用。

Description

嵌合式复合粒子增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及一种嵌合式复合粒子增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料可通过引入增强粒子来改善强度、刚度、耐磨性能及耐热性能等。
铝基复合材料通过外加或原位合成来引入增强粒子。与外加增强粒子相比，原位形成的增强粒子与基体拥有更好的界面结合，且粒度大小、分布构型等可控性更高。
Al4C3粒子的密度低、弹性模量高、硬度高，可作为铝基复合材料增强相。目前，制备Al4C3增强铝基复合材料以粉末冶金法为主，原料多为碳纳米管、多孔碳、氧化石墨烯、石墨烯纳米片、DND金刚石粉等，工艺较为复杂，原料价格昂贵，且Al4C3粒子形貌多为不规则片状，尺寸偏大，割裂基体，导致铝基复合材料的强度提升不明显。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一项，本发明提供一种含有嵌合式复合粒子Al4C3&TiC的铝基复合材料及其制备方法。
本发明的一个目的在于提供一种具有改善的强度的铝基复合材料及其制备方法。
根据本发明的一方面，提供一种铝基复合材料，所述铝基复合材料包括Al基体、Si以及复合粒子Al4C3&TiC，所述复合粒子Al4C3&TiC具有Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构。
可选地，所述复合粒子Al4C3&TiC的嵌合式结构包括以下嵌合结构中的至少一种：TiC粒子嵌合在Al4C3粒子内部；TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘的至少一部分；Al4C3粒子嵌合在TiC粒子的边缘的至少一部分。
可选地，在所述复合粒子Al4C3&TiC的嵌合式结构中，多个TiC粒子嵌合在Al4C3粒子内部，和/或多个TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘的至少一部分。
可选地，所述复合粒子Al4C3&TiC为原位生成。所述复合粒子Al4C3&TiC的尺寸为1μm-10μm，其中，TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。
可选地，所述铝基复合材料还包括弥散分布在Al基体中的TiC粒子，其中，TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。
可选地，基于100wt％的所述铝基复合材料，所述铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。
可选地，基于100wt％的所述铝基复合材料，C元素的质量百分比为0.1wt％-0.85wt％，Ti元素的质量百分比为0.4wt％-3.4wt％。
可选地，所述铝基复合材料还包括Cu、Zn、Mg、Ni、Fe、Mn、Cr、V、Zr中的至少一种。
根据本公开的另一方面，提供一种铝基复合材料的制造方法，所述制造方法包括：制备第一熔体，所述第一熔体包括Al和Si，所述第一熔体的温度为710℃-730℃，所述第一熔体中的Si的含量为0.6wt％-3.0wt％；制备第二熔体，所述第二熔体包括Al和TiC粒子，所述第二熔体的温度为850℃-1000℃；将所述第二熔体倒入所述第一熔体中并反应5min-30min。
可选地，所述制造方法还包括：在所述第二熔体与所述第一熔体反应完成后，加入硅或铝，以使基于100wt％的所述铝基复合材料，所述铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。
可选地，通过熔化Al-Ti-C合金来制备所述第二熔体。
可选地，所述制造方法还包括：在所述第二熔体与所述第一熔体反应完成后，加入铁源、锰源、锆源、铜源、镍源、镁源、铬源、锌源和钒源中的至少一种。
可选地，加入铁源、锰源、锆源、铜源、镍源、镁源、铬源、锌源和钒源中的至少一种的步骤包括：调整熔体温度至780℃-950℃，加入铁源、锰源和锆源中的至少一种；待铁源、锰源和锆源中的所述至少一种溶解后，调整熔体温度至720℃-780℃，加入铜源、锌源、镍源、镁源、铬源和钒源中的至少一种。所述制造方法还包括：待铜源、锌源、镍源、镁源、铬源和钒源中的至少一种溶解后，将熔体温度保持在700℃-750℃，对熔体进行精炼处理15min-30min；浇注得到所述铝基复合材料。
根据本发明，通过使Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，与只加入Al4C3粒子或TiC粒子，或者Al4C3粒子和TiC粒子单独存在没有互相嵌合的结构相比，可进一步提高Al4C3粒子和TiC粒子对铝基复合材料的增强作用。
根据本发明，复合粒子Al4C3&TiC为原位生成，这保证了复合材料中嵌合粒子间的界面、嵌合粒子与铝基体间的界面间能够实现良好结合，有利于充分发挥复合材料中载荷传递，有助于实现复合材料优异的功能与结构性能。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织及电子探针成分分析；
图2至图4是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织；
图5是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织及能谱成分面扫描分析。
具体实施方式
在下文中，将描述本公开的实施例。然而，本公开可按照许多不同的形式例示并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将要把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
应理解的是，当在说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其列举存在所陈述的材料和/或成分，但不排除存在或添加一种或更多种其它材料和/或成分。
铝基复合材料
根据本公开的实施例的铝基复合材料可包括Al基体、Si以及复合粒子Al4C3&TiC，所述复合粒子Al4C3&TiC具有Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构。
图1是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织及电子探针成分分析。如图1所示，铝基复合材料可包括Al基体、Si和复合粒子Al4C3&TiC。如图1所示，在复合粒子Al4C3&TiC中，亮白色物相为TiC，灰黑色物相为Al4C3，Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构。
Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，是指Al4C3粒子和TiC粒子两者彼此连接嵌合，而非彼此独立。
Al4C3粒子的密度低、弹性模量高、硬度高。TiC粒子的熔点高、硬度高、高温抗氧化性能和抗化学腐蚀性能优良。根据本发明，通过使Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，与只加入Al4C3粒子或TiC粒子，或者Al4C3粒子和TiC粒子单独存在没有互相嵌合的结构相比，可进一步提高Al4C3粒子和TiC粒子对铝基复合材料的增强作用。
图2至图4是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织。图5是根据本发明的实施例的铝基复合材料中的复合粒子Al4C3&TiC的微观组织及能谱成分面扫描分析。
如图2所示，黑色粒子为Al4C3相，白色粒子为TiC相。在复合粒子Al4C3&TiC的嵌合式结构中，TiC粒子可嵌合在Al4C3粒子内部。图3中示出了三个Al4C3粒子，其中，TiC粒子可嵌合在Al4C3粒子内部和/或TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘的至少一部分中。根据本发明，当TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘时，能够进一步提升复合粒子与铝基体界面结合的匹配度，提高界面的剪切强度，并提高阻碍位错的滑动变形能力。
如图2和图3所示，Al4C3粒子的尺寸相对较大，TiC粒子的尺寸比Al4C3粒子的尺寸小，因此在Al4C3粒子的内部可嵌合多个TiC粒子，或者在Al4C3粒子的边缘可嵌合多个TiC粒子。当多个TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘时，沿着Al4C3粒子的边缘可形成一串TiC粒子。
另外，如图2和图3所示，TiC粒子除了与Al4C3粒子形成嵌合结构之外，还可弥散分布在Al基体中。根据本发明，TiC粒子除了与Al4C3粒子形成嵌合结构之外，还可弥散分布在铝基体中，从而可与复合粒子协同作用，提高复合材料的力学性能。此外，弥散分布的TiC粒子还可作为α-Al的异质核心，改善α-Al的枝晶形貌，既能减少或消除缩松缩孔以及浇不足等铸造缺陷，提高复合材料的力学性能。
如图4所示，TiC粒子可嵌合在Al4C3粒子内部和Al4C3粒子的边缘的至少一部分中。如图5所示，Al4C3粒子可嵌合在TiC粒子的边缘的至少一部分。根据本发明，Al4C3粒子可嵌合在TiC边缘的至少一部分中，此种复合粒子除了作为增强粒子之外，还可有效地作为Mg-Al系合金材料中α-Mg的晶粒细化晶种。因此，本发明的铝基复合材料还可被添加到Mg-Al系合金材料中来细化α-Mg。
以上参照图2至图5描述了复合粒子Al4C3&TiC形成的各种嵌合式结构。根据本发明的实施例，具有嵌合式结构的复合粒子Al4C3&TiC可通过原位反应而形成。例如，可通过TiC粒子向Al4C3的原位反应而形成，稍后在描述制造方法时将详细描述。
根据本发明的实施例，如图2至图5所示，复合粒子Al4C3&TiC的尺寸可以为1μm-10μm。在该复合粒子中，TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。此外，弥散分布在Al基体中的TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。作为示例，复合粒子Al4C3&TiC的尺寸可指复合粒子Al4C3&TiC的长轴与短轴的平均值，TiC粒子的尺寸可指TiC粒子的长轴与短轴的平均值。
根据本发明，复合粒子Al4C3&TiC可通过原位生成，这保证了复合材料中嵌合粒子间的界面、嵌合粒子与铝基体间的界面间能够实现良好结合，有利于充分发挥复合材料中载荷传递，有助于实现复合材料优异的功能与结构性能。
根据本发明的实施例，基于100wt％的铝基复合材料，铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。
根据本发明的实施例，基于100wt％的铝基复合材料，C元素的质量百分比为0.1wt％-0.85wt％，Ti元素的质量百分比为0.4wt％-3.4wt％。
根据本发明的实施例，铝基复合材料还可包括合金化元素。作为示例，合金化元素可包括Cu、Zn、Mg、Ni、Fe、Mn、Cr、V、Zr中的至少一种。
作为示例，基于100wt％的铝基复合材料，Cu的含量为1.0wt％-6.0wt％、Zn的含量为0.5wt％-2.5wt％，Mg的含量为0.5wt％-2.0wt％、Ni的含量为0.5wt％-3.5wt％、Fe的含量小于等于1.5wt％、Mn的含量小于等于1.0wt％、Cr的含量小于等于0.8wt％、V的含量小于等于1.0wt％、Zr的含量小于等于0.5wt％。
根据本发明的实施例，铝基复合材料可能还含有一些其它杂质元素。基于铝基复合材料的总重量，其它杂质元素中的每种小于等于0.05wt％，其它杂质元素的总重量小于等于0.25wt％。
铝基复合材料的制备方法
以下，将描述根据本发明的实施例的铝基复合材料的制造方法。然而，应理解的是，根据本发明的实施例的铝基复合材料不受以下描述的制造方法的限制，通过其它方法制造的具有以上描述的结构的铝基复合材料也在本发明的保护范围内。此外，为了避免冗余，将省略与以上描述重复的描述。
根据本发明的实施例的铝基复合材料的制造方法可包括：制备第一熔体，第一熔体包括Al和Si，第一熔体的温度为710℃-730℃，第一熔体中的Si的含量为0.6wt％-3.0wt％；制备第二熔体，第二熔体包括Al和TiC粒子，第二熔体的温度为850℃-1000℃；将第二熔体倒入第一熔体中并反应5min-30min。
在制备第一熔体时，可向熔炼炉中加入铝源(例如，纯铝)，升温熔化至720℃-800℃时向熔体中加入硅源(例如，纯硅)，此时，保证第一熔体中Si的含量(基于100wt％的第一熔体)为0.6wt％-3.0wt％。
第一熔体中的Si可作为第二熔体中的TiC向Al4C3反应的催化剂。如果第一熔体中的Si的含量小于0.6wt％，则催化效率较小，导致反应较慢，可能很难发生反应。如果第一熔体中Si的含量大于3.0wt％，则对催化作用的提升不明显。因此，第一熔体中Si的含量(基于100wt％的第一熔体)优选为0.6wt％-3.0wt％。
另外，第一熔体的温度保持为710℃-730℃，第二熔体的温度保持为850℃-1000℃。当将第二熔体倒入第一熔体中之后，借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性，TiC粒子与Al熔体发生原位反应向Al4C3粒子演变。在此过程中，Si元素会作为反应催化剂加速演变进程，使之在短时间之内反应转变。
在开始反应时，TiC粒子与熔体铝反应(液固反应)，随着反应的进行，新形成的Al4C3将TiC包裹起来，此时TiC继续向Al4C3转变(固固反应)的反应速率显著降低，反应处于停滞状态，原位生成的Al4C3粒子会与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
根据本发明，复合粒子Al4C3&TiC为原位生成，这保证了复合材料中嵌合粒子间的界面、嵌合粒子与铝基体间的界面间能够实现良好结合，有利于充分发挥复合材料中载荷传递，有助于实现复合材料优异的功能与结构性能。
根据本发明的实施例，可同时制备第一熔体和第二熔体。例如，可在两个熔炼炉中分别制造第一熔体和第二熔体。
根据本发明的实施例，可通过熔化Al-Ti-C合金来制备第二熔体。Al-Ti-C合金可包括Al基体和TiC粒子。作为示例，Al-Ti-C合金可以为Al-4Ti-1C，其中，基于100wt％的Al-Ti-C合金，Ti的含量为4wt％，C的含量为1wt％。
根据本发明的实施例，可在第一熔体与第二熔体的反应过程中施加搅拌(例如，机械搅拌)，以促进反应的进行。
根据本发明的实施例的铝基复合材料的制造方法还可包括在第二熔体与第一熔体反应完成后，加入硅或铝，以使基于100wt％的铝基复合材料，铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。也就是说，可根据铝基复合材料的目标成分，在反应完成后，另外再加入铝或硅，以使其满足目标成分要求。然而，应理解的是，如果不额外添加铝或硅，即可满足成分要求，则可省略该步骤。
根据本发明的实施例，在第二熔体与第一熔体反应完成后，可加入铁源、锰源、锆源、铜源、镍源、镁源、铬源、锌源和钒源中的至少一种。
作为示例，在第二熔体与第一熔体反应完成后，可首先调整熔体温度至780℃-950℃，加入铁源(例如，纯铁)、锰源(例如，纯锰)、锆源(例如，纯锆)中的至少一种。可施加机械搅拌以使上述原料快速溶解。
然后，待铁源、锰源或锆源溶解后，调整熔体温度至720℃-780℃，加入铜源(例如，纯铜)、锌源(例如，纯锌)、镍源(例如，纯镍)、镁源(例如，纯镁)、铬源(例如，铬剂)、钒源(例如，钒剂)中的至少一种。可施加机械搅拌以使上述原料快速溶解。
作为示例，可在加入铜源、锌源、镍源、镁源、铬源或钒源的同时，额外加入上述硅或铝。
根据本发明的实施例，待铜源、锌源、镍源、镁源、铬源、钒源、硅或铝溶解后，可对合金成分进行检验，合格后将熔体温度保持在700℃-750℃，对熔体进行精炼处理15min-30min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到铝基复合材料。
根据本发明的实施例，通过调整原料添加量、反应温度和反应时间等，可实现嵌合式复合粒子Al4C3&TiC的含量、结构、尺寸、形貌、分布等的灵活设计和有效调控，与余量弥散分布的TiC粒子相互配合，协同提升复合材料的力学性能。同时，可通过调整Si、Cu、Zn、Mg、Ni、Fe、Mn、Cr、V、Zr等合金元素的添加种类和添加量，实现基体合金种类及成分配比的活性调控，以适应不同性能要求及服役需求。
此外，本发明的制备方法简洁高效，绿色环保，可操作性强，产品质量稳定，材料利用率高，极具产业化潜力。原料价格低，工艺简便，装备简单，制备成本低，绿色环保，具有良好的工业化生产前景。
以下，描述根据本公开的铝基复合材料的五个具体实施例。
实施例1
(1)按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)：锌5.5wt％，镁2.1wt％，铜2.3wt％，锆0.1wt％，硅0.8wt％，钛1.2wt％，碳0.3wt％，准备铝基复合材料所需的原料：纯铝、Al-4Ti-1C、纯锌、纯镁、纯铜、纯锆、纯硅。
(2)向熔炼炉中加入一部分纯铝，升温熔化至730℃时向熔体中加入全部纯硅，此时，保证熔体中的Si质量百分比为2.5wt％，待纯硅完全溶解后，调整此熔体温度至710℃，制备第一熔体。
(3)向另一台熔炼炉中投入Al-4Ti-1C，升温熔化至880℃，制备第二熔体。
(4)将上述高温Al-4Ti-1C合金熔体(第二熔体)倾倒至上述低温Al-Si合金熔体(第一熔体)中，并连续搅拌6min。借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性以及Si元素的催化作用，发生原位反应向Al4C3粒子转变，原位生成的Al4C3粒子会与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
(5)待反应完成后，调整熔体温度至800℃，加入纯锆并搅拌至溶解，待纯锆溶解后，调整熔体温度至750℃，加入另一部分纯铝、纯锌、纯镁、纯铜，并施加搅拌操作至完全溶解，以上合金熔体进行取样检验，成分合格后，熔体温度保持在710℃，对熔体进行精炼处理15min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到铝基复合材料。
实施例2
(1)按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)：铜4.5wt％，镍1.2wt％，硅0.6wt％，钛2.4wt％，碳0.6wt％，准备铝基复合材料所需的原料：纯铝、Al-4Ti-1C、纯铜、纯硅、纯镍。
(2)向熔炼炉中加入一部分纯铝，升温熔化至750℃时向熔体中加入全部纯硅，此时，保证熔体中的Si质量百分比为1.5wt％，待纯硅完全溶解后，调整此熔体温度至710℃，制备第一熔体。
(3)向另一台熔炼炉中投入Al-4Ti-1C，升温熔化至920℃，制备第二熔体。
(4)将上述高温Al-4Ti-1C合金熔体(第二熔体)倾倒至上述低温Al-Si合金熔体(第一熔体)中，并连续搅拌25min。借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性以及Si元素的催化作用，发生原位反应向Al4C3粒子转变，原位生成的Al4C3粒子会与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
(5)待反应完成后，调整熔体温度至760℃，加入另一部分纯铝、纯铜、纯镍，并施加搅拌操作至完全溶解，以上合金熔体进行取样检验，成分合格后，熔体温度保持在730℃，对熔体进行精炼处理15min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到铝基复合材料。
实施例3
(1)按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)：镁5.0wt％，硅0.6wt％，锰0.2wt％，钛2.0wt％，碳0.5wt％，准备铝基复合材料所需的原料：纯铝、Al-4Ti-1C、纯硅、纯锰、纯镁。
(2)向熔炼炉中加入一部分纯铝，升温熔化至740℃时向熔体中加入全部纯硅，此时，保证熔体中的Si质量百分比为1.2wt％，待纯硅完全溶解后，调整此熔体温度至715℃，制备第一熔体。。
(3)向另一台熔炼炉中投入Al-4Ti-1C，升温熔化至900℃，制备第二熔体。
(4)将上述高温Al-4Ti-1C合金熔体(第二熔体)倾倒至上述低温Al-Si合金熔体(第一熔体)中，并连续搅拌20min。借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性以及Si元素的催化作用，发生原位反应向Al4C3粒子转变，并与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
(5)待反应完成后，调整熔体温度至820℃，加入纯锰并搅拌至溶解，待纯锰溶解后，调整熔体温度至760℃，加入另一部分纯铝、纯镁，并施加搅拌操作至完全溶解，以上合金熔体进行取样检验，成分合格后，熔体温度保持在720℃，对熔体进行精炼处理20min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到合金材料。
实施例4
(1)按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)：硅7.0wt％，铁0.4wt％，锰0.2wt％，钛1.6wt％，碳0.4wt％，准备铝基复合材料所需的原料：纯铝、Al-4Ti-1C、纯硅、纯铁、纯锰。
(2)向熔炼炉中加入全部纯铝，升温熔化至760℃时向熔体中加入一部分纯硅，此时，保证熔体中的Si质量百分比为1.0wt％，待纯硅完全溶解后，调整此熔体温度至720℃，制备第一熔体。
(3)向另一台熔炼炉中投入Al-4Ti-1C，升温熔化至900℃，制备第二熔体。
(4)将上述高温Al-4Ti-1C合金熔体(第二熔体)倾倒至上述低温Al-Si合金熔体(第一熔体)中，并连续搅拌8min。借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性以及Si元素的催化作用，发生原位反应向Al4C3粒子演变，原位生成的Al4C3粒子会与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
(5)待反应完成后，调整熔体温度至820℃，加入纯铁和纯锰并搅拌至溶解，调整熔体温度至760℃，加入另一部分纯硅，并施加搅拌操作至完全溶解，以上合金熔体进行取样检验，成分合格后，熔体温度保持在730℃，对熔体进行精炼处理20min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到合金材料。
实施例5
(1)按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)：硅10.0wt％，铜3.0wt％，铁0.6wt％，锰0.3wt％，钛0.8wt％，碳0.2wt％，准备铝基复合材料所需的原料：纯铝、Al-4Ti-1C、纯硅、纯铜、纯铁、纯锰。
(2)向熔炼炉中加入全部纯铝，升温熔化至760℃时向熔体中加入一部分纯硅，此时，保证熔体中的Si质量百分比为0.7wt％，待纯硅完全溶解后，调整此熔体温度至715℃，制备第一熔体。
(3)向另一台熔炼炉中投入Al-4Ti-1C，升温熔化至920℃，制备第二熔体。
(4)将上述高温Al-4Ti-1C合金熔体(第二熔体)倾倒至上述低温Al-Si合金熔体(第一熔体)中，并连续搅拌7min。借助TiC粒子因碳空位在铝熔体中的低温不稳定性以及Si元素的催化作用，发生原位反应向Al4C3粒子演变，原位生成的Al4C3粒子会与TiC粒子原位嵌合成为相对稳定的一体式复合粒子。
(5)待反应完成后，调整熔体温度至820℃，加入纯铁和纯锰并搅拌至溶解，调整熔体温度至760℃，加入另一部分纯硅和纯铜，并施加搅拌操作至完全溶解，以上合金熔体进行取样检验，成分合格后，熔体温度保持在730℃，对熔体进行精炼处理18min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到合金材料。
根据本发明，通过使Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，与只加入Al4C3粒子或TiC粒子，或者Al4C3粒子和TiC粒子单独存在没有互相嵌合的结构相比，可进一步提高Al4C3粒子和TiC粒子对铝基复合材料的增强作用。
根据本发明，复合粒子Al4C3&TiC为原位生成，这保证了复合材料中嵌合粒子间的界面、嵌合粒子与铝基体间的界面间能够实现良好结合，有利于充分发挥复合材料中载荷传递，有助于实现复合材料优异的功能与结构性能。
根据本发明的实施例，通过调整原料添加量、反应温度和反应时间等，可实现嵌合式复合粒子Al4C3&TiC的含量、结构、尺寸、形貌、分布等的灵活设计和有效调控，与余量弥散分布的TiC粒子相互配合，协同提升复合材料的力学性能。同时，可通过调整Si、Cu、Zn、Mg、Ni、Fe、Mn、Cr、V、Zr等合金元素的添加种类和添加量，实现基体合金种类及成分配比的活性调控，以适应不同性能要求及服役需求。
此外，本发明的制备方法简洁高效，绿色环保，可操作性强，产品质量稳定，材料利用率高，极具产业化潜力。原料价格低，工艺简便，装备简单，制备成本低，绿色环保，具有良好的工业化生产前景。
尽管已经参照其示例性实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料包括Al基体、Si以及原位生成的复合粒子Al4C3&TiC，所述复合粒子Al4C3&TiC具有Al4C3粒子和TiC粒子相互嵌合而形成一体的嵌合式结构，
其中，所述复合粒子Al4C3&TiC的嵌合式结构包括以下嵌合结构中的至少一种：TiC粒子嵌合在Al4C3粒子内部；TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘的至少一部分；Al4C3粒子嵌合在TiC粒子的边缘的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，在所述复合粒子Al4C3&TiC的嵌合式结构中，多个TiC粒子嵌合在Al4C3粒子内部，和/或多个TiC粒子嵌合在Al4C3粒子的边缘的至少一部分。
3.根据权利要求1或2所述的铝基复合材料，其特征在于，所述复合粒子Al4C3&TiC的尺寸为1μm-10μm，其中，TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料还包括弥散分布在Al基体中的TiC粒子，其中，TiC粒子的尺寸为30nm-2μm。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，基于100wt％的所述铝基复合材料，所述铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。
6.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，基于100wt％的所述铝基复合材料，C元素的质量百分比为0.1wt％-0.85wt％，Ti元素的质量百分比为0.4wt％-3.4wt％。
7.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料还包括Cu、Zn、Mg、Ni、Fe、Mn、Cr、V、Zr中的至少一种。
8.一种根据权利要求1所述的铝基复合材料的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
制备第一熔体，所述第一熔体包括Al和Si，所述第一熔体的温度为710℃-730℃，所述第一熔体中的Si的含量为0.6wt％-3.0wt％；
制备第二熔体，所述第二熔体包括Al和TiC粒子，所述第二熔体的温度为850℃-1000℃；
将所述第二熔体倒入所述第一熔体中并反应5min-30min。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述第二熔体与所述第一熔体反应完成后，加入硅或铝，以使基于100wt％的所述铝基复合材料，所述铝基复合材料中的Si元素的质量百分比为0.6wt％-12.0wt％。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，通过熔化Al-Ti-C合金来制备所述第二熔体。
11.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述第二熔体与所述第一熔体反应完成后，加入铁源、锰源、锆源、铜源、镍源、镁源、铬源、锌源和钒源中的至少一种。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，加入铁源、锰源、锆源、铜源、镍源、镁源、铬源、锌源和钒源中的至少一种的步骤包括：
调整熔体温度至780℃-950℃，加入铁源、锰源和锆源中的至少一种；
待铁源、锰源和锆源中的所述至少一种溶解后，调整熔体温度至720℃-780℃，加入铜源、锌源、镍源、镁源、铬源和钒源中的至少一种，
所述制造方法还包括：待铜源、锌源、镍源、镁源、铬源和钒源中的至少一种溶解后，将熔体温度保持在700℃-750℃，对熔体进行精炼处理15min-30min；浇注得到所述铝基复合材料。
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