CN116463528B - 包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116463528B CN116463528B CN202310350023.4A CN202310350023A CN116463528B CN 116463528 B CN116463528 B CN 116463528B CN 202310350023 A CN202310350023 A CN 202310350023A CN 116463528 B CN116463528 B CN 116463528B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- particles
- aluminum
- coated
- modulus
- composite material
- 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.)
- Active
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 100
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 100
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 87
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 75
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 74
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 18
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 18
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- 229910000521 B alloy Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 7
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 48
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 12
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 4
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004100 electronic packaging Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
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
-
- 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
- C22C1/10—Alloys containing non-metals
- C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
-
- 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
- C22C32/0052—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 carbides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明提供一种包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及其制备方法。所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料包括Al基体以及分散在所述Al基体中的包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC是指Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子。根据本发明，通过以轻质高模量的Al3BC相包覆低模量的Al4C3相的至少一部分，形成硬包软结构的复合粒子，能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的Al3BC相包覆易水解的Al4C3相提高服役过程中的稳定性，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
Description
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法。
背景技术
铝基复合材料因高强度、高刚度、优异的耐磨性能及耐热性能等优势得到广泛研究和应用。
其中，颗粒增强高强高模量铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件。此外，还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。
因此，发展新型的颗粒增强高强高模量铝基复合材料以实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料具有重要意义。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新型的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其中，包覆式复合粒子为Al3BC粒子包覆Al4C3粒子。
本发明的另一目的在于提供一种新型的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制备方法，其中，通过原位合成来形成包覆式复合粒子，包覆式复合粒子为Al3BC粒子包覆Al4C3粒子。
根据本发明的一方面，提供一种包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料包括Al基体以及分散在所述Al基体中的包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC是指Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子。
可选地，所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC为原位生成。
可选地，在所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC中，Al3BC粒子内部包含有单个Al4C3粒子或多个Al4C3粒子。
可选地，所述复合粒子Al4C3@Al3BC的尺寸为500nm-15μm，其中，Al4C3粒子的尺寸为100nm-2μm。
可选地，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还包括不包覆Al4C3的Al3BC粒子。
可选地，基于100wt％的所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，C元素的含量大于等于0.2wt％，B元素的含量大于等于0.1wt％。
可选地，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。
根据本发明的另一方面，提供一种包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制造方法，所述制造方法包括：将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料；将所述混合物料在真空环境下加入到熔化的铝熔体中，形成第一反应体；使所述第一反应体在580℃-650℃保温60min-120min，再升温至700℃-760℃保温30min-60min，形成第二反应体；将所述第二反应体升温至720℃-780℃，添加Al-B合金并反应20min-60min。
可选地，所述制造方法还包括：在将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料之前，将石墨粉与活性炭在真空环境下加热至250℃-350℃进行干燥。
可选地，形成所述第一反应体的步骤包括：将纯铝升温熔化至690℃-720℃形成所述铝熔体后，利用旋转喷吹设备通过氩气向所述铝熔体中输入所述混合物料。
可选地，形成所述第一反应体的步骤还包括：在输入所述混合物料之后，将熔体迅速降温至650℃以下。
可选地，所述制造方法还包括：在添加Al-B合金并反应20min-60min之后，向熔体中添加合金化元素，所述合金化元素包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。
可选地，所述制造方法还包括：在添加所述合金化元素之后，在720℃-750℃温度范围内对熔体进行精炼处理20min-30min。
根据本发明，通过以轻质高模量的Al3BC相包覆低模量的Al4C3相的至少一部分，形成硬包软结构的复合粒子，能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的Al3BC相包覆易水解的Al4C3相提高服役过程中的稳定性，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
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的微观组织；
图2和图3是图1中的铝基复合材料的电子探针成分分析；
图4是根据本发明的实施例的铝基复合材料的微观组织；
图5和图6是图4中的铝基复合材料的电子探针成分分析。
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。
包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料
根据本发明的实施例的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料可包括Al基体以及分散在Al基体中的包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC。包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC是指Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子。
图1是根据本发明的实施例的铝基复合材料的微观组织， 图2和图3是图1中的铝基复合材料的电子探针成分分析。
结合图1的铝基复合材料的微观组织以及图2和图3的电子探针成分分析可知， 图1中的复合粒子中的亮白色物相为Al4C3，灰黑色物相为Al3BC。在图1中，Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子。
图4是根据本发明的实施例的铝基复合材料的微观组织， 图5和图6是图4中的铝基复合材料的电子探针成分分析。
结合图4的铝基复合材料的微观组织以及图5和图6的电子探针成分分析可知， 图4中的复合粒子中的亮白色物相为Al4C3，灰黑色物相为Al3BC。在图4中，Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子。
根据本发明的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料可形成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC。Al3BC粒子具有高强度、高模量和低密度等特点，在制备高强、高硬、轻质复合材料中具有广阔前景。与Al3BC相比，Al4C3具有低密度、低模量和高硬度等特点，但其易水解，服役过程中不稳定。
根据本发明，通过以轻质高模量的Al3BC相包覆低模量的Al4C3相的至少一部分，形成硬包软结构的复合粒子，能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的Al3BC相包覆易水解的Al4C3相提高服役过程中的稳定性，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
以下，将对本发明中的包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC进行详细描述。
根据本发明的实施例，包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC可以通过原位反应生成。在现有技术中，Al3BC通常利用高温自蔓延、高能球磨烧结、激光烧结等方法来形成，设备和工艺流程复杂。另外，在现有技术中，Al4C3增强高强高模量铝基复合材料通常利用粉末冶金法形成，工艺复杂、原料昂贵，合成形貌不规则、尺寸偏大，且Al4C3易水解，服役过程中不稳定。
根据本发明，通过原位反应形成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，该包覆式复合粒子与Al基体的界面结合强度高，且粒度大小、分布构型等可控性更高，从而有利于实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
根据本发明的实施例，如图1和图4所示，Al3BC粒子的尺寸大于Al4C3粒子的尺寸且Al4C3粒子形成在Al3BC粒子的内部使得Al3BC粒子可完全包覆Al4C3粒子。然而，本发明不限于此，Al4C3粒子也可能形成在Al3BC粒子的边缘处或者Al4C3粒子的至少一部分可延伸到Al3BC粒子的边缘，使得Al3BC粒子仅包覆Al4C3粒子的一部分。
如图1所示，在包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC中，Al3BC粒子内部可包含多个Al4C3粒子。如图4所示，在包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC中，Al3BC粒子内部可包含单个Al4C3粒子。
另外，根据本发明的实施例，如图4所示，包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还包括不包覆Al4C3的Al3BC粒子。这些不包覆Al4C3的Al3BC粒子可与包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC协同作用，增强高强高模量铝基复合材料的综合力学性能。
根据本发明的实施例，如图1和图4所示，包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC的尺寸为500nm-15μm，其中，Al4C3粒子的尺寸为30nm-2μm。
作为示例，基于100wt％的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，C元素的含量大于等于0.2wt％，B元素的含量大于等于0.1wt％。作为示例，基于100wt％的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，C元素的含量为0.2wt％-1wt％，B元素的含量为0.1wt％-0.8wt％。作为另一示例，基于100wt％的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，C元素的含量为0.4wt％-0.8wt％，B元素的含量为0.4wt％-0.6wt％。
应理解的是，虽然作为示例描述了包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料中C元素和B元素的含量，然而，本发明不限于此，只要能够在铝基复合材料中形成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC即可。
根据本发明的实施例，包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还可包括合金化元素，合金化元素可包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。然而，本发明不限于此，合金化元素还可根据具体需要包括其它种类的元素。另外，本发明对合金化元素的含量不做具体限制，而是可根据应用领域或性能要求进行具体调整。
如上所述，根据本发明的实施例的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料通过以轻质高模量的Al3BC相包覆低模量的Al4C3相的至少一部分，形成硬包软结构的复合粒子，能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的Al3BC相包覆易水解的Al4C3相提高服役过程中的稳定性，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
包覆式复合粒子增强高强高模量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包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制备方法。然而，应理解的是，根据本发明的实施例的包覆式复合粒子增强高强高模量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包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料也在本公开的保护范围内。
本发明的发明人提出通过原位反应合成的方式，在铝或铝合金中以Al4C3为前驱反应体，打通了Al3BC的熔体反应合成路径，原位合成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，形成硬包软结构的复合粒子，解决了Al4C3易水解的难题，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。另外，通过原位反应合成的方式，还容易调控包覆式粒子的形貌、尺寸及结构。
具体地，根据本发明的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制造方法可包括：将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料；将混合物料在真空环境下加入到熔化的铝熔体中，形成第一反应体；使所述第一反应体在580℃-650℃保温60min-120min，再升温至700℃-760℃保温30min-60min，形成第二反应体；将所述第二反应体升温至720℃-780℃，添加Al-B合金并反应20min-60min。
根据本发明的实施例的制造方法还可包括：在将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料之前，将石墨粉与活性炭在真空环境下加热至250℃-350℃进行干燥。例如，可将石墨粉与活性炭在真空炉中加热至250℃-350℃干燥，去除水分以及易挥发的杂质。石墨粉是后续反应过程中与铝反应形成Al4C3的原料。活性炭是促进石墨粉与铝反应的催化剂。石墨粉与活性炭的比例不受具体限制。
将石墨粉与活性炭进行干燥后，可将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料。在将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料的步骤中，可将石墨粉与活性炭一起放入球磨机中进行高能混料处理，为其后续反应提供能量。本发明对球磨的具体工艺不做具体限制，可利用本领域已知的球磨设备对石墨粉和活性炭进行球磨处理。
然后，将球磨后的混合物料在真空环境下加入到熔化的铝熔体中，形成第一反应体。作为示例，可在熔炼炉中将纯铝升温熔化至690℃-720℃形成铝熔体，并且利用旋转喷吹设备通过氩气向铝熔体中输入混合物料。作为示例，也可用铝合金替换纯铝。另外，在本发明中，使用通常作为精炼设备的旋转喷吹设备向铝熔体中引入混合物料。然而，本发明不限于此，也可使用其它设备在真空环境下将混合物料加入到熔化的铝熔体中。在真空环境下加入混合物料的目的在于防止混合物料的氧化。另外，在本发明中，将铝熔体的温度控制在720℃以下的目的是便于后续降温。作为示例，可将纯铝升温熔化至700℃。
根据本发明的实施例，在输入所述混合物料之后，将熔体迅速降温至650℃以下，使得第一反应体处于凝固状态(或基本凝固状态，例如，合金化元素含量较高的铝合金可能处于未完全凝固状态)，保证混合粉末被包裹在固态铝中。
接下来，使第一反应体在580℃-650℃保温60min-120min，再升温至700℃-760℃保温30min-60min，形成第二反应体。由于石墨较难润湿，因此使第一反应体在580℃-650℃保温60min-120min可保证在固-固反应阶段使铝与石墨润湿、扩散并进行初步的界面反应。然后，升温至700℃-760℃保温30min-60min的目的是使反应充分进行，原位生成Al4C3粒子。上述反应可在电阻炉中进行，然而本发明不限于此，也可使用本领域已知的其它加热设备。
作为示例，可使第一反应体在600℃-620℃保温80min-100min，再升温至720℃-740℃保温40min-50min。
接下来，将第二反应体升温至720℃-780℃，添加Al-B合金并反应20min-60min。Al-B合金中的B可以以Al2B粒子的形式存在，然而本发明不限于此。本发明通过以Al-B合金的形式引入B元素，可提高B元素的溶解度。上述反应可在熔炼炉中进行，然而本发明不限于此，也可在本领域已知的其它设备中执行上述保温反应过程。
在反应过程中，溶解的B原子向Al4C3粒子扩散并与之反应，使Al4C3向Al3BC转变。反应进行到特定阶段，液-固反应变为固-固反应，反应速率显著降低，反应处于停滞状态，原位生成的Al3BC粒子会包覆Al4C3粒子合成为相对稳定的一体式复合粒子。受到反应条件的限制，包覆式结构可以是Al3BC粒子内部包含有单个或多个Al4C3粒子，若反应充分，Al3BC粒子也可不包覆Al4C3粒子。根据本发明，包覆式复合粒子为原位生成，这保证了复合材料中包覆式粒子间的界面、包覆式粒子与铝基体间的界面能够实现良好结合，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。
接下来，还可在上述反应之后向熔体中添加合金化元素，合金化元素可包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。然而，本发明不限于此，也可在熔化铝熔体时直接熔化含有合金化元素的铝合金。后加入合金化元素的好处在于可防止合金化元素可能对上述反应造成影响。
在加入上述合金化元素期间可施加阶段性搅拌操作以促进合金化元素的溶解。
在添加合金化元素之后，在720℃-750℃温度范围内对熔体进行精炼处理20min-30min。在精炼处理前和精炼处理后，均可对熔体进行取样检验成分，最后，待成分合格后进行浇注。
根据本发明的实施例描述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制造方法采用原位合成工艺，通过合成温度和反应时间等工艺调整，可在铝基体中形成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，该包覆式复合粒子可与Al3BC粒子相互配合，协同提升复合材料的综合力学性能。本发明的制备方法简洁高效，绿色环保，可操作性强，材料利用率高，制备成本低，极具产业化前景。
示例1
首先，按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)准备纯铝、Al-B合金、石墨粉、活性炭、纯硅、纯镁、纯镍、纯铁、纯锰、铬剂、钒剂、纯锆：B元素的含量为0.4wt％，C元素的含量为0.4wt％，活性炭的含量为0.1wt％，Si元素的含量为4.0wt％，Mg元素的含量为0.8wt％，Ni元素的含量为2.0wt％，Fe元素的含量为0.2wt％，Mn元素的含量为0.15wt％，Cr元素的含量为0.2wt％，V元素的含量为0.15wt％，Zr元素的含量为0.1wt％。
然后，将准备好的石墨粉与活性炭在真空炉中加热至250℃干燥，去除水分以及易挥发的杂质，然后进行高能混料处理，为其后续反应提供能量。
接下来，向熔炼炉中加入纯铝，升温熔化至690℃，利用旋转喷吹设备通过氩气向熔体中输入石墨粉与活性碳的混合粉末，防止氧化。然后将熔体迅速降温至650℃以下，使其凝固，保证混合粉末被包裹在固态铝中。
接下来，将上述凝固后的材料转移至电阻炉中，于580℃保温120min，该过程可保证在固-固反应阶段使铝与石墨润湿、扩散并进行初步的界面反应，再升温至700℃保温60min，使反应充分进行，原位生成Al4C3粒子。
接下来，将上述合金熔体转移至熔炼炉中，调整温度至720℃后，添加Al-B合金，反应60min，溶解的B原子向Al4C3粒子扩散并与之反应，使Al4C3向Al3BC转变。反应进行到特定阶段，液-固反应变为固-固反应，反应速率显著降低，反应处于停滞状态，原位生成的Al3BC粒子会包覆Al4C3粒子合成为相对稳定的一体式复合粒子。受到反应条件的限制，包覆式结构可以是Al3BC粒子内部包含有单个或多个Al4C3粒子，若反应充分，Al3BC粒子也可不包覆Al4C3粒子。
最后，向上述合金熔体中添加其余原料(纯硅、纯镁、纯镍、纯铁、纯锰、铬剂、钒剂、纯锆)，期间施加阶段性搅拌操作至完全溶解，进行取样检验，成分合格后，在720℃温度范围内对熔体进行精炼处理30min，再次检验合金成分，合格后进行浇注得到合金材料。
示例2
首先，按以下质量百分比(基于100wt％的铝基复合材料)准备纯铝、Al-B合金、石墨粉、活性炭、纯硅、纯锌、纯铜、纯镁、纯镍、纯铁、纯锰、铬剂、钒剂、纯锆：B元素的含量为0.115wt％，C元素的含量为0.2wt％，活性炭的含量为0.1wt％，Si元素的含量为6.0wt％，Zn元素的含量为2.0wt％，Cu元素的含量为3.0wt％，Mg元素的含量为0.7wt％，Ni元素的含量为1.5wt％，Fe元素的含量为0.3wt％，Mn元素的含量为0.2wt％，Cr元素的含量为0.15wt％，V元素的含量为0.1wt％，Zr元素的含量为0.15wt％。
然后，将准备好的石墨粉与活性炭在真空炉中加热至350℃干燥，去除水分以及易挥发的杂质，然后进行高能混料处理，为其后续反应提供能量。
然后，向熔炼炉中加入纯铝，升温熔化至720℃，利用旋转喷吹设备通过氩气向熔体中输入石墨粉与活性碳的混合粉末，防止氧化。然后将熔体迅速降温至650℃以下，使其凝固，保证混合粉末被包裹在固态铝中。
接下来，将上述凝固后的材料转移至电阻炉中，于650℃保温60min，该过程可保证在固-固反应阶段使铝与石墨润湿、扩散并进行初步的界面反应，再升温至760℃保温30min，使反应充分进行，原位生成Al4C3粒子。
接下来，将上述合金熔体转移至熔炼炉中，调整温度至780℃后，添加Al-B合金，反应20min，溶解的B原子向Al4C3粒子扩散并与之反应，使Al4C3向Al3BC转变。反应进行到特定阶段，液-固反应变为固-固反应，反应速率显著降低，反应处于停滞状态，原位生成的Al3BC粒子会包覆Al4C3粒子合成为相对稳定的一体式复合粒子。受到反应条件的限制，包覆式结构可以是Al3BC粒子内部包含有单个或多个Al4C3粒子，若反应充分，Al3BC粒子也可不包覆Al4C3粒子。
最后，向上述合金熔体中添加其余原料(纯硅、纯锌、纯铜、纯镁、纯镍、纯铁、纯锰、铬剂、钒剂、纯锆)，期间施加阶段性搅拌操作至完全溶解，进行取样检验，成分合格后，在750℃温度范围内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。
根据本发明可取得不限于以下描述的有益技术效果。
根据本发明，通过以轻质高模量的Al3BC相包覆低模量的Al4C3相的至少一部分，形成硬包软结构的复合粒子，能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的Al3BC相包覆易水解的Al4C3相提高服役过程中的稳定性，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
根据本发明，通过原位反应形成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，该包覆式复合粒子与Al基体的界面结合强度高，且粒度大小、分布构型等可控性更高，从而有利于实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
根据本发明，通过原位反应合成的方式，在铝或铝合金中以Al4C3为前驱反应体，打通了Al3BC的熔体反应合成路径，原位合成包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，形成硬包软结构的复合粒子，解决了Al4C3易水解的难题，实现高强、高模量和轻量化的铝基复合材料。
根据本发明的铝基复合材料的制备方法，简洁高效，绿色环保，可操作性强，材料利用率高，制备成本低，极具产业化前景。
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)
1.一种包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料包括Al基体以及分散在所述Al基体中的包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC，所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC是指Al3BC粒子包覆Al4C3粒子的至少一部分，形成一体式复合粒子，所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC为原位生成。
2.根据权利要求1所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，在所述包覆式复合粒子Al4C3@Al3BC中，Al3BC粒子内部包含有单个Al4C3粒子或多个Al4C3粒子。
3.根据权利要求1所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，所述复合粒子Al4C3@Al3BC的尺寸为500nm-15μm，其中，Al4C3粒子的尺寸为100nm-2μm。
4.根据权利要求1所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还包括不包覆Al4C3的Al3BC粒子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，基于100wt％的所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，C元素的含量大于等于0.2wt％，B元素的含量大于等于0.1wt％。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料，其特征在于，所述包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料还包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。
7.一种根据权利要求1所述的包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料；
将所述混合物料在真空环境下加入到熔化的铝熔体中，形成第一反应体；
使所述第一反应体在580℃-650℃保温60min-120min，再升温至700℃-760℃保温30min-60min，形成第二反应体；
将所述第二反应体升温至720℃-780℃，添加Al-B合金并反应20min-60min。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：在将石墨粉与活性炭彼此混合形成混合物料之前，将石墨粉与活性炭在真空环境下加热至250℃-350℃进行干燥。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，形成所述第一反应体的步骤包括：将纯铝升温熔化至690℃-720℃形成所述铝熔体后，利用旋转喷吹设备通过氩气向所述铝熔体中输入所述混合物料。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，形成所述第一反应体的步骤还包括：在输入所述混合物料之后，将熔体迅速降温至650℃以下。
11.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：在添加Al-B合金并反应20min-60min之后，向熔体中添加合金化元素，所述合金化元素包括Cu、Zn、Mg、Si、Ni、Fe、Mn、Cr、V和Zr中的至少一种。
12.据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：在添加所述合金化元素之后，在720℃-750℃温度范围内对熔体进行精炼处理20min-30min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310350023.4A CN116463528B (zh) | 2023-03-30 | 2023-03-30 | 包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310350023.4A CN116463528B (zh) | 2023-03-30 | 2023-03-30 | 包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116463528A CN116463528A (zh) | 2023-07-21 |
| CN116463528B true CN116463528B (zh) | 2023-12-19 |
Family
ID=87176393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310350023.4A Active CN116463528B (zh) | 2023-03-30 | 2023-03-30 | 包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116463528B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000345254A (ja) * | 1999-06-03 | 2000-12-12 | Toyota Motor Corp | アルミニウム基複合材料およびその製造方法 |
| KR20010003819A (ko) * | 1999-06-25 | 2001-01-15 | 박호군 | 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법 |
| CN104120310A (zh) * | 2014-08-04 | 2014-10-29 | 山东大学 | 一种铝基复合材料及其制备方法 |
| CN104593657A (zh) * | 2014-12-24 | 2015-05-06 | 中南大学 | 一种碳化硼基复合材料及其制备方法 |
| CN111378861A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-07 | 北京科技大学 | 一种原位合成双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法 |
| CN113957280A (zh) * | 2021-09-17 | 2022-01-21 | 南京理工大学 | 一种高强塑高刚度铝基复合材料及制备方法 |
| CN114875276A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-09 | 山东迈奥晶新材料有限公司 | 铝基复合材料及其制备方法 |
| CN114935279A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-08-23 | 北京理工大学 | 一种金属浇铸预应力陶瓷复合防护装甲及其制备方法 |
-
2023
- 2023-03-30 CN CN202310350023.4A patent/CN116463528B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000345254A (ja) * | 1999-06-03 | 2000-12-12 | Toyota Motor Corp | アルミニウム基複合材料およびその製造方法 |
| KR20010003819A (ko) * | 1999-06-25 | 2001-01-15 | 박호군 | 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법 |
| CN104120310A (zh) * | 2014-08-04 | 2014-10-29 | 山东大学 | 一种铝基复合材料及其制备方法 |
| CN104593657A (zh) * | 2014-12-24 | 2015-05-06 | 中南大学 | 一种碳化硼基复合材料及其制备方法 |
| CN111378861A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-07 | 北京科技大学 | 一种原位合成双相颗粒增强铝基复合材料的制备方法 |
| CN113957280A (zh) * | 2021-09-17 | 2022-01-21 | 南京理工大学 | 一种高强塑高刚度铝基复合材料及制备方法 |
| CN114935279A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-08-23 | 北京理工大学 | 一种金属浇铸预应力陶瓷复合防护装甲及其制备方法 |
| CN114875276A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-09 | 山东迈奥晶新材料有限公司 | 铝基复合材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116463528A (zh) | 2023-07-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105624457B (zh) | 石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法 | |
| CN102168214B (zh) | 一种轻质高强高韧铝基复合材料的制备方法 | |
| JPS63307231A (ja) | 金属間物質含有母体から成る複合体 | |
| CN108998707A (zh) | 一种高强度铝合金复合材料及其制备方法 | |
| CN106893881B (zh) | 一种氧化锆改性石墨烯增强镁基复合材料的方法 | |
| CN101823141B (zh) | 一种晶粒细化的高温合金铸造工艺 | |
| CN111118323B (zh) | 一种用于激光3d打印金属陶瓷复合材料粉末的制备方法 | |
| CN114672686B (zh) | 一种外加纳米颗粒增强铸造铝锂合金的制备方法 | |
| CN110129624B (zh) | 一种SiC-Al3Ti增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN116463528B (zh) | 包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法 | |
| CN107974569A (zh) | 一种混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| Shao et al. | Preparation of TiAl alloy powder by high-energy ball milling and diffusion reaction at low temperature | |
| CN102268564A (zh) | 一种氧化物弥散强化镍基合金的制备方法 | |
| CN114875276B (zh) | 嵌合式复合粒子增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN102041424B (zh) | 一种原位颗粒增强镁基复合材料的制备方法 | |
| US20220033934A1 (en) | Method for preparation of aluminum matrix composite | |
| KR102324720B1 (ko) | 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법 | |
| CN112853175B (zh) | 一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法 | |
| CN108425028B (zh) | 一种无Al3Ti相Al-Ti-C中间合金的制备方法 | |
| CN112662918A (zh) | Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN113957288B (zh) | 一种低成本高性能的TiBw/Ti复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN116732402B (zh) | 一种纳米颗粒细化镁钇中间合金及其制备方法 | |
| CN110216275A (zh) | 一种粉末冶金铝基材料及其制备方法 | |
| CN115584420A (zh) | 颗粒增强镁基复合材料及其加工方法 | |
| CN111349834B (zh) | 微纳米级双相混杂颗粒增强镁锂基复合材料及其制备方法 |
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 |