CN116716508A - 一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞及其制备方法 - Google Patents
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞及其制备方法,属于金属基复合材料技术领域。所述制备方法包括:将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合球磨压制成预制体;将中间合金A熔炼后加入预制体,电磁搅拌下加入覆盖剂,温度降至850℃加入中间合金B,依次机械搅拌、超声搅拌得到混合熔体;将混合熔体精炼、打渣、铸造得到TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞。本发明将陶瓷原料压制为预制体,直接与铝合金液原位反应生成微米TiC颗粒和纳米TiB2颗粒,通过电磁搅拌、机械搅拌和超声搅拌相结合的方式将陶瓷颗粒均匀分散在铝合金基体中,有效解决了陶瓷颗粒团聚的问题。所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞具有高强度和耐磨性、低热膨胀系数。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域,具体涉及一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞及其制备方法。
背景技术
随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格,而活塞作为汽车发动机的重要零部件,因其在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触,瞬时温度可达2500K以上,因此,受热严重,而散热条件又很差,所以活塞工作时温度很高,顶部高达600~700K,且温度分布很不均匀;活塞顶部承受气体压力很大,所以活塞的性能的好坏直接决定了车辆性能的高低,但传统材料已经无法满足现如今汽车活塞性能的需要,研发高性能又兼具经济性的活塞用新材料已经迫在眉睫。
颗粒增强金属基复合材料是21世纪最具有发展前途的先进材料之一,该种复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、以及良好的高温性能,并且颗粒增强金属基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好。颗粒增强铝基复合材料因生产流程简单、成本低、材料各向同性,能通过改变增强颗粒尺寸、体积分数和热处理工艺等进而调整复合材料的性能受到极大重视,在汽车制造领域内有广阔应用前景。
近些年来制备陶瓷-金属基复合材料的方法越来越多,根据加入颗粒方式的不同,将陶瓷增强铝基复合材料的制备方法大体分为外加法和内生法两大类。外加法存在易污染表面、基体与增强体的界面结合不好等问题,比如:中国发明专利CN115921798A通过外加碳化钛陶瓷颗粒与机械搅拌相结合的方式来制备复合材料活塞,该法使用的是外加法,会导致所加颗粒表面受到污染,造成基体与颗粒结合的界面强度变差,不利于材料性能的提高且单纯的机械搅拌无法解决小尺寸的团聚。内生法可细分为多种,其中接触反应法存在陶瓷颗粒大量团聚的问题。比如:中国发明专利CN1422971A采用原位自生的方法制备了Al2O3/TiC增强铝基复合材料活塞,该法采用吹入的气体与合金元素反应的方式来制备复合材料,在制备过程中还需要一直通入氩气做保护气,实验过程不易控制且成本较高,且颗粒易发生团聚。中国发明专利CN108796316A采用原位自生法制备了TiB2增强铝基复合材料活塞,该法采用了混合盐法制备复合材料活塞,对环境不友好,该法只生成了单一的增强体颗粒。
发明内容
针对上述现有技术的缺点,本发明提供一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,球磨后压制成预制体;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为950-1050℃,然后加入预制体,在电磁搅拌下使预制体完全溶解,加入覆盖剂保温10-40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌、超声搅拌得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至铸造设备中制备得到TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成。
本发明通过电磁搅拌抑制初晶硅的各向异性生长,促使初晶硅球化以及柱状晶向等轴晶形态转变,从而抑制了初晶硅的有害作用,提高复合材料性能。
本发明中在陶瓷预制体中引入了硼粉和碳粉,可以使反应进行的更充分,解决反应物残留的问题,同时可以减少有害中间产物Al3Ti的生成,利用最终生成的微米颗粒TiC能显著提高铝基复合材料强度、硬度和耐磨性的特点和纳米颗粒TiB2在提高强度的同时能够保持较好的塑韧性的优点,制备出了高性能的TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料。本发明同时通过改变碳粉和硼粉的比例,进而改变生成的二硼化钛和碳化钛的比例,最终实现高性能微纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高耐磨性、低热膨胀系数和铸造性能。
本发明所述预制体的加入量是根据所需制备的陶瓷相在TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料中的体积分数所决定的。
本发明通过在铝合金基体中加入Cu、Ni与Al生成金属间化合物Al3CuNi、Al7Cu4Ni;加入Mg与硅形成Mg2Si,有助于提高材料的高温强度;加入的Ce能够促进颗粒的进一步分散。
作为本发明的优选实施方式,所述机械搅拌的转速400rpm~800rpm,时间为10~30分钟。
作为本发明的优选实施方式,所述超声搅拌的功率1000w~3000w,时间为3~10min。
作为本发明的优选实施方式,所述碳化硼粉、钛粉、铝粉的摩尔比为3:1-2:6-8,所述硼粉和碳粉为预制体质量的1%-2%。
作为本发明的优选实施方式,所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
作为本发明的优选实施方式,所述碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径为5-500微米。
作为本发明的优选实施方式,所述球磨的转速为200-400r/min。
作为本发明的优选实施方式,所述铸造设备的参数为:充型压力为0.1MPa~0.3MPa、冲型速度为10~20cm/s、保压时间为20~60s。
本发明所述覆盖剂为本领域常用覆盖剂,本发明使用覆盖剂保温以确保预制体与合金熔液充分反应。
本发明还要求保护所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法制备的TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞。
作为本发明的优选实施方式,所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的TiB2/TiC陶瓷相包括微米尺寸TiC颗粒和纳米尺寸TiB2颗粒。
所述TiC颗粒的尺寸为1.5微米以下,TiB2陶瓷颗粒的尺寸为300纳米以下。
本发明所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞中TiB2/TiC陶瓷的体积分数为10%。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明将陶瓷相原料压制为预制体,直接与共晶铝硅合金液原位反应生成微米相TiC颗粒和纳米相TiB2颗粒,通过电磁搅拌、机械搅拌和超声搅拌相结合的方式将原位反应的陶瓷颗粒均匀的分散在铝合金基体中,有效的解决了陶瓷颗粒团聚、不易分散的问题,同时降低了制备成本。
(2)通过本发明所述制备方法制备得到的TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞,相比于单相陶瓷增强铝合金复合材料,双相陶瓷颗粒由于不同增强体颗粒之间的混合效应和尺寸效应,具有高强度、高耐磨性、低热膨胀系数和铸造性能。
附图说明
图1为本发明所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的立体模型图。
图2为本发明所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞在350℃下的应力应变曲线图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,转速为200r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体预制体;碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径均为5~500微米,钛粉、碳化硼粉和铝粉的摩尔比为3:1:6,硼粉的加入量为预制体质量的1%,碳粉的加入量为预制体质量的2%;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入520g预制体,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为700rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.3MPa、冲型速度为10cm/s、保压时间为60s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
实施例2
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,转速为400r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体预制体;碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径均为5~500微米,钛粉、碳化硼粉和铝粉的摩尔比为3:1:6,硼粉的加入量为预制体质量的2%,碳粉的加入量为预制体质量的1%;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入520g预制体,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温30min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为800rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.1MPa、冲型速度为20cm/s、保压时间为20s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
实施例3
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,转速为400r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体预制体;碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径均为5~500微米,钛粉、碳化硼粉和铝粉的摩尔比为3:1:6,硼粉的加入量为预制体质量的1.5%,碳粉的加入量为预制体质量的1.5%;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入520g预制体,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温35min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为800rpm,超声搅拌10min、功率为2400W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.1MPa、冲型速度为20cm/s、保压时间为20s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
实施例4
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,转速为350r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体预制体;碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径均为5~500微米,钛粉、碳化硼粉和铝粉的摩尔比为3:2:8,硼粉的加入量为预制体质量的1%,碳粉的加入量为预制体质量的2%;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1050℃,然后加入520g预制体,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温10min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌30min、转速为400rpm,超声搅拌3min、功率为1000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.1MPa、冲型速度为20cm/s、保压时间为20s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
对比例1
一种铝合金材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,使用电磁搅拌,加入覆盖剂保温40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为700rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(2)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到铝合金材料;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.3MPa、冲型速度为10cm/s、保压时间为60s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
对比例2
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法与实施例1唯一不同的是:所述步骤(1)中,不添加硼粉和碳粉。
对比例3
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法与实施例1唯一不同的是:所述步骤(1)中,不添加硼粉,碳粉添加量为预制体质量的2%。
对比例4
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法与实施例1唯一不同的是:所述步骤(1)中,不添加碳粉,硼粉添加量为预制体质量的1%。
对比例5
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将90g粒径为3~5微米的碳化钛粉和208g粒径为300~500纳米的二硼化钛混合均匀,转速为200r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体陶瓷颗粒坯;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入制备好的圆柱体陶瓷颗粒坯,在电磁搅拌下使陶瓷颗粒与铝合金熔体充分混合,加入覆盖剂保温40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为700rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.3MPa、冲型速度为10cm/s、保压时间为60s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
对比例6
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将90g粒径为3~5微米的碳化钛粉和208g粒径为3~5微米的二硼化钛混合均匀,转速为200r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体陶瓷颗粒坯;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入圆柱体陶瓷颗粒坯,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为700rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.3MPa、冲型速度为10cm/s、保压时间为60s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
对比例7
一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,包括如下步骤:
(1)将90g粒径为300~500纳米的碳化钛粉和208g粒径为300~500纳米的二硼化钛混合均匀,转速为200r/min下正反转交替球磨1小时后,将混合均匀的粉料放入自动压片机中,进行预制体的压制成型,制得直径为28mm,高度为15mm的圆柱体陶瓷颗粒坯;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为1000℃,然后加入圆柱体陶瓷颗粒坯,在电磁搅拌下使预制体充分反应,加入覆盖剂保温40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌10min、转速为700rpm,超声搅拌6min、功率为2000W得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至低压铸造设备中制备得到体积分数为10%TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;所述铸造设备的参数为:充型压力为0.3MPa、冲型速度为10cm/s、保压时间为60s。
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成;所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
效果例
对实施例1-4和对比例1-7所制备的TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的抗拉强度、弹性模量、热膨胀系数进行检测,结果见表1。
表1
抗拉强度MPa) | 弹性模量(GPa) | 热膨胀系数(10-6/K) | |
实施例1 | 116.2 | 126 | 16.3 |
实施例2 | 127.6 | 133 | 17.6 |
实施例3 | 135.8 | 129 | 16.5 |
实施例4 | 109.2 | 117 | 18.1 |
对比例1 | 52.5 | 40 | 26.1 |
对比例2 | 63.1 | 98 | 20.1 |
对比例3 | 75.3 | 92 | 19.3 |
对比例4 | 68.4 | 106 | 18.5 |
对比例5 | 94.9 | 121 | 16.8 |
对比例6 | 70.6 | 109 | 17.2 |
对比例7 | 60.3 | 100 | 16.5 |
根据表1可知,实施例和对比例所制备的样品相比,实施例所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的机械效果较佳。根据实施例1和对比例2-4可知,陶瓷相原料缺少硼粉、碳粉其一或全部,对材料性能影响较大,是因为加入碳粉和硼粉可以消耗未反应完的钛粉和组织中对性能不利的Ai3Ti,生成对材料性能有益的陶瓷颗粒,并且生成的二硼化钛和碳化钛能够全方位增强材料的性能。根据实施例1和对比例5可知,实施例1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的性能较好,是因为与外加颗粒法相比,原位自生法制备的颗粒尺寸小、表面干净且与基体界面结合强度高,从而使得通过原位自生法所制的复合材料性能更加优越。根据实施例1和对比例6-7可知,双相陶瓷颗粒的尺寸对材料影响较大,是因为微米颗粒能显著提高铝基复合材料强度、硬度,但塑韧性却大幅下降;而纳米颗粒在提高强度的同时能够保持较好的塑韧性,但由于纳米颗粒的比表面能大,易团聚,制备高体积分数的颗粒增强铝基复合材料比较困难,因此传统铝基复合材料在高科技领域的应用受到一定的限制。采用微纳米混杂颗粒增强的设计思路,充分发挥各自增强相的优势和耦合效应,制备出高性能的混杂颗粒增强铝基复合材料。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉混合均匀,球磨后压制成预制体;
(2)将中间合金A熔炼为熔液至温度为950-1050℃,然后加入预制体,在电磁搅拌下使预制体完全溶解,加入覆盖剂保温10-40min,将温度降至850℃,加入中间合金B保温10min,然后依次使用机械搅拌、超声搅拌得到混合熔体;
(3)将混合熔体精炼、打渣,然后转移至铸造设备中制备得到TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞;
中间合金A和中间合金B为铝合金基体的原料;中间合金A由铝硅合金、铝镍合金和铝铁合金组成;中间合金B由铝铜合金、铝钛合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锆合金、铝铈合金和纯铝组成。
2.如权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述机械搅拌的转速400rpm~800rpm,时间为10~30min。
3.权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述超声搅拌的功率1000w~3000w,时间为3~10min。
4.如权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述碳化硼粉、钛粉、铝粉的摩尔比为3:1-2:6-8,所述硼粉和碳粉的加入量分别为预制体质量的1%-2%。
5.如权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述铝合金基体包括如下质量百分比的成分:Si:12%~18%、Cu:1.5%~5.0%、Mg:0.3%~1.0%、Ni:0.5%~4%、Ti:0.1%~3.5%、Zn:1%~3%、Zr:0.5%~2.0%、Fe:0.5%~1.5%、Ce:0.1%~1.0%、单个杂质:≤0.05%、合计杂质:≤0.15%和余量的Al。
6.如权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述碳化硼粉、钛粉、硼粉、碳粉、铝粉的粒径为5-500微米。
7.如权利要求1所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法,其特征在于,所述铸造设备的参数为:充型压力为0.1MPa~0.3MPa、冲型速度为10~20cm/s、保压时间为20~60s。
8.权利要求1-7任一项所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞的制备方法制备的TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞。
9.如权利要求8所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞,其特征在于,所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞包括微米尺寸TiC颗粒和纳米尺寸TiB2颗粒;所述TiC颗粒的尺寸为1.5微米以下,TiB2陶瓷颗粒的尺寸为300纳米以下。
10.如权利要求9所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞,其特征在于,所述TiB2/TiC陶瓷增强铝合金基体复合材料活塞中TiB2/TiC陶瓷相的体积分数为10%。
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