CN1195030A - 原位自生金属基复合材料的制备技术 - Google Patents
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Abstract
一种原位自生金属基复合材料制备技术,其特征在于:首先将能够反应生成合适增强相的元素均匀混合,要求粒度尺寸< 0.1mm,在50MPa～150MPa压力下成型,再按下述步骤制备复合材料:(a)母料的熔炼:将选择的基体合金(如:Al,Zn)熔化,对Al合金过热度要求在120～450℃;对Zn合金过热度要求200～450℃;(b)反应物料的加入:在熔体达到温度时,把反应物料压制块用钟罩压入到熔体中,保持2～20分钟;(c)搅拌:搅拌2～3min;(d)保温:10～30min;(e)浇注成型。本发明简单实用,价格相对低廉。
Description
本发明涉及复合材料技术领域，普适于普通重力铸造，金属型铸造及挤压铸造和压力铸造等成型方式的颗粒和晶须非连续增强金属基复合材料。
非连续增强金属基复合材料与其基体金属相比，具有强度高、刚度高、耐热、耐磨、抗蠕变、尺寸稳定及备向同性等优异力学性能，而且其价格较低，易加工和回收再利用，因此在航空航天及民用工业中有着广阔的应用前景。目前制取非连续增强金属基复合材料的工艺方法主要有以下几种：
1.粉末冶金法：将基体金属粉末和增强体(颗粒或晶须)经过混合后，采用热压、热挤压或热等静压等方法成型，其工艺较复杂，成本相对较高。
2.XD法：是把两种能够反应的元素经混合、压实、烧结等过程后加入到基体金属中，陶瓷增强相在烧结过程中形成，该工艺较为复杂，成本高。
3.挤压铸造法：首先把增强体做成一定形状的预制件，利用压力把液态金属浸渗到预制件中并凝固成型制取复合材料，该工艺要求颗粒与液态金属具有良好的润湿性，否则很难得到均匀无孔隙的复合材料。
4.通气原位自生法：在含有与C或N能够发生化学反应生成稳定陶瓷相的基体合金熔体中通入能够分解出碳的气体或N2气，使两者反应生成硬质增强体，该工艺虽然使用了原位反应的概念，但由于通入气体分解后产生较多的有害气体(尤其是H2)，使复合材料性能得不到保证，而且要求反应温度较高，为得到足够多的颗粒增强相耗时较多，因此生产成本较高。
本发明的目的在于提供一种简单实用，而且价格相对低廉，可以利用现有铸造成型工艺制备颗粒及晶须增强金属基复合材料的工艺方法。
本发明提供了一种原位自生金属基复合材料制备技术，主要适用于铝合金和Zn合金，所形成的增强体主要包括氧化物、碳化物、硅化物、硼化物，其特征在于：首先将能够反应生成合适增强相的元素匀均混合，要求粒度尺寸＜0.1mm，在50MPa～150MPa压力下成型，再按下述步骤制备复合材料：
(a)基体合金的熔炼：将选择的基体合金(如：Al，Zn等)合金以适当的加热方式熔化，对Al合金过热度要求在120～450℃；对Zn合金过热度要求在200～450℃。
(b)反应物料的加入：在熔体达到一定温度时，把一定量的反应物料压制块用钟罩压入到熔体中，保持2～10分钟；
(c)搅拌：为了使生成相快而均匀地分布到基体中，进行强力搅拌大约2～3min；
(d)保温：10～30min；
(e)浇注成型：按普通铸造方法进行浇注成型。
总之，本发明的制备工艺部分主要包括两个方面：(1)反应物料的选择和成型；(2)复合材料的制备及成型。
其中反应物料的选择首先要根据所选择的复合体系对增强体种类的要求，通过热力学计算在Al、Zn中可形成稳定增强相的反应物种类，它们可能是：
第一类：反应在外加的两种元素之间进行，生成增强相：
式中：M代表基体金属如：Al、Zn等；
A代表金属元素如：Ti、Ta、W、Zr、Hf、Mo、B、Si等；
B代表非金属元素如：C、B、Si等；
A和B是能够相互反应生成在M中稳定化合物的元素。
第二类：这类反应主要发生在一些化合物与基体反应后能形成更稳定的化合物当中；
式中：DE是一类化合物，如氧化物TiO2、CuO、ZnO、Cr2O3等和一些非稳定的碳化物等如Al4C3等。
ME是热力学上比DE更为稳定的化合物。
这类反应中，被置换出来的元素D作为合金元素进入基体或与基体反应生成新的金属间化合物作为增强相。
第三类：这类反应是加入某种化合物和元素，使二者反应生成稳定的增强相，菜些组元还能与基体发生反应形成新的增强相；
FG为一类化合物，如TiO2、Al4C3等
H为一类元素如：C、B等。这类反应能够形成两种或两种以上的稳定的增强相，得到较好的结果。
本发明方法虽热具有工艺简单等一系列优点，但是人为控制反应物之间的反应极为不易，为了使反应平衡地进行，有必要在反应物料成型中，依据所用体系的反应难易程度加入催化剂或阻化剂，这些催化剂能够降低原料反应物之间的反应活化能，促进它们之间的反应，它们包括Al、Zn、Ni、Cu、Fe、Mn等。
那些阻化剂有两类：第一类是不参加化学反应，仅起到降低反应物浓度的作用如Si、SiO2、Al2O3、ZrO2等；第二类是在起到第一类作用的同时，本身还参与反应，如一些氯化物，氟化物等。
另外，在反应物料成型过程中，为了便于成型可向原料中加入少量(＜2wt％)粘合剂，这些粘合剂必须在一定温度下能够完全挥发或分解。
经过以上步骤得到的复合材料熔体，可象基体合金一样进行各种精炼，变质等处理，以进一步提高材料的性能。
本发明与目前已有技术相比有如下显著的优点：
1.自生增强相与基体结合良好，避免了界面反应等问题，并使其在基体分布均匀，避免了外加颗粒存在偏析的现象，从而命名材料的强度和模量有较大幅度的改善。
2.可采用现有工艺与设备。本发明中提到的其它制备复合材料技术都要在目前合金熔炼基础上做较大的改变，而本发明的制备方法可利用现有的设备和手段，极易推广。
3.工艺简单，易于扩大生产。
由于本发明把增强相的生成与熔炼过程有机地结合在一起，简化了制备工艺，从而为金属基复合材料大规模生产奠定了基础。
4.所用原料成本低廉，有利于在民用工业中推广应用。
本发明可选择价格较为低廉的材料作为反应物，即非合成的天然矿石如TiO2、C等形成高质量的增强体如TiC和Al2O3等，从而使其价格大幅度下降，为金属基复合材料步入民品应用市场奠定了基础。
5.本发明所制备的复合材料容易回收利用。
由于本发明生成的颗粒较小(3.0μm以下)，因此在反复熔炼过程中，颗粒并不偏析，不长大。因此对熔炼过程没有影响，再利用时，仅根据工件的性能要求，调整其增强体的含量。
下面详述本发明：
实施例1：制取ZL102-5Wt％TiB复合材料，称取TiB的原子比1∶1.1的工业纯Ti和B粉和占重重比25％的工业铝粉在混合罐中混合2小时，然后取出，在压机上压Φ15×30奉料备用。在称取准备好的ZL102母料0.4Kg加入坩埚中，加热至800℃，用钟罩把25g反应物料压入铝合金液中大约三分钟，可观察到反应物料发生反应，快速搅拌，保温5分钟，而后加入变质剂和除气剂(六氯乙烷)搅拌，除去灰渣，浇铸到金属型中就可得到所要求的复合材料。
实施例2：制取ZL401-10％(TiC+Al2O3)复合材料，按照TiO2∶C的原子比为1∶1的工业纯超细粉末TiO2和C粉，与占重量比为35％的铝粉和占重量比1％镍粉混合，2小时后取出压制成型Φ20×30mm棒料备用。把准备好的ZL401料0.5g放入坩埚中熔化，加热至850℃，保温10min，用钟罩把50g的反应物料压入溶液中，片刻观察到反应后快速搅拌，使生成的增强相分散均匀，并保温10min，加入常规变质剂和精炼剂后搅拌除去灰渣并再保温，浇铸到金属型中，就可得到相应的复合材料。
实施例3：制取ZI201-12％TiC复合材料，按照Al4C3∶Ti原子比为：1∶1.1的比例分别称取Al4C3粉末和工业Ti粉，再称取占重量比2％的工业铝，均匀混合后，室温压制成型，把准备好的ZI201铝0.5Kg加热熔化并加热到880℃，用钟罩70g把反应物料压入到熔融铝中，反应后快速搅拌，最后加入精炼剂精炼，浇入模中，就可得到所要求的复合材料。
Claims (6)
1.一种原位自生金属基复合材料制备技术，主要适用于铝合金，和Zn合金，所形成的增强体主要包括氧化物、碳化物、硅化物，硼化物，其特征在于：首先将能够反应生成合适增强相的元素均匀混合，要求粒度尺寸＜0.1mm，在50MPa～150MPa压力下成型，再按下述步骤制备复合材料：
(a)母料的熔炼：将选择的基体合金(如：Al，Zn)熔化，对Al合金过热度要求在120～450℃；对Zn合金过热度要求200～450℃；
(b)反应物料的加入：在熔体达到温度时，把反应物料压制块用钟罩压入到熔体中，保持2～20分钟；
(c)搅拌：搅拌2～3min；
(d)保温：10～30min；
(e)浇注成型。
2.按权利要求1所述原位自生金属基复合材料制备技术，其特征在于：反应物料选择为A和B；其反应在外加的两种元素之间进行，生成增强相
式中：M代表基体金属如：Al、Zn；
A代表金属元素如：Ti、Ta、W、Zr、Hf、Mo；
B代表非金属元素如：C、B、Si；
3.按权利要求1所述原位自生金属基复合材料制备技术，其特征在于：反应物材料选择为DE，其反应主要发生在一些化合物与基体反应后能形成更稳定的化合物当中；
式中：DE是一类化合物，如氧化物，TiO2、CuO、ZnO、Cr2O3和一些非稳定的碳化物如Al4C3；。
ME是热力学上比DE更为稳定的化合物。
4.按权利要求1所述的原位自生金属基复合材料制备技术，其特征在于：反应物料选择为FG和H，其反应是加入某种化合物和元素，使二者反应生成稳定的增强相，某些组元还能与基体发生反应形成新的增强相；
FG为一类化合物，如TiO2，Al4C3；
5.按权利要求2，3，4所述的原位自生金属基复合材料制备技术，其特征在于：反应物中添加Al，Zn，Ni，Ca，Fe，Mn作催化剂。
6.按权利要求2，3，4所述原位自生金属基复合材料制备技术，其特征在于：反应物中添加Si、SiO2、Al2O3、ZrO2、氯化物、氟化物作阻化剂。
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