CN1644722A - 合成高性能铝基原位复合材料的AI－Zr－B－O反应体系及其合成的新材料 - Google Patents

合成高性能铝基原位复合材料的AI－Zr－B－O反应体系及其合成的新材料 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种合成高性能铝基原位复合材料的Al－Zr－B－O反应体系，并用该新体系合成高性能铝基原位复合材料。在850℃～900℃之间的铝或铝合金的熔体中，加入质量百分数占铝液或铝合金熔体的5～25％的含Zr和含B的氧化物或盐的混合粉剂，进行反应，从而构成Al－Zr－B－O反应体系。该Al－Zr－B－O反应体系凝固成型获得多相颗粒复合增强的高性能铝基复合材料，上述材料由Al3Zr、ZrB2、和Al2O3多元增强颗粒与Al或Al合金基体组成，其中多元增强颗粒占该复合材料的体积分数为3％～15％。Al－Zr－B－O体系反应起始温度显著低于常规的Al－Ti－X体系，且反应平稳，对工业化应用十分有利。合成的(Al3Zr+Al2O3+ZrB2)/Al和(Al3Zr+Al2O3+ZrB2)/A356新型原位铝基复合材料具有优越的力学性能、物理性能及耐磨性，成本低廉。

Description

合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系及其合成的新 材料
技术领域
本发明涉及一种新型合成复合材料的反应体系，特指合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系及其合成的新材料。
背景技术
近年来，反应合成技术(Reactive synthesis)被广泛用于制备金属基原位复合材料(In-situ composites)。这种方法由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，所以增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高，因而被誉为具有突破性的新技术而倍受重视，近年来已成为金属基(特别是铝基)复合材料研究中的一个新热点。
由于原位复合材料是通过适当的反应剂(气相、液相或粉末态固相)，在适当的温度下，借助于基体金属和它们之间的化学反应而制备的。因此，反应体系是决定原位复合材料性能、制备难易程度及成本的重要因素。其开发原则包括以下几方面：(1)生成增强体的性能；(2)增强体的形态控制难易程度；(3)增强体与基体的界面情况；(4)反应的剧烈程度及起始反应温度；(5)反应物来源及价格等。但是，目前反应体系仅集中在Al-Ti-X(Al-Ti-O、Al-Ti-B、Al-Ti-C)系，该体系起始反应温度高，常常高于1100℃，甚至超过1200℃，严重恶化铝液。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系，并用该新体系合成高性能铝基原位复合材料。根据不同的需要取不同比例的反应物进行混匀，将反应混合物加入熔融的铝液中，形成Al-Zr-B-O反应体系，最终合成高性能铝基原位复合材料。
一种合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系，其特征在于：在850℃～900℃之间的铝或铝合金的熔体中，加入质量百分数占铝液或铝合金熔体的5～25％的含Zr和含B的氧化物或盐的混合粉剂，进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。
利用高温下的化学合成原位生成陶瓷或金属间化合物颗粒，并弥散分布于基体的熔体中形成Al-Zr-B-O反应体系，该Al-Zr-B-O反应体系凝固成型获得多相颗粒复合增强的高性能铝基复合材料，其特征在于：上述材料由Al3Zr、ZrB2、和Al2O3多元增强颗粒与Al或Al合金基体组成，其中多元增强颗粒占该复合材料的体积分数为3％～15％。
本发明的新型原位反应合成体系Al-Zr-B-O及其合成的新材料具有下列优点：
(1)合成反应的起始反应温度适中。Al-Zr-B-O系通常在850℃～900℃下即可反应，反应起始温度显著低于常规的Al-Ti-X体系，且反应平稳，对工业化应用十分有利。
(2)合成的颗粒不仅具有高的强度、硬度和弹性模量，而且颗粒尺寸小于1um，Al3Zr、ZrB2和Al2O3颗粒增强体的形态易控制，均成近球形，并在基体中均匀分布。
(3)颗粒与基体之间的界面洁净，结合强度高。
(4)合成的(Al3Zr+Al2O3+ZrB2)/Al和(Al3Zr+Al2O3+ZrB2)/A356新型原位铝基复合材料具有优越的力学性能、物理性能及耐磨性。
(5)反应物来源广泛，且其价格成本仅是金属粉末的1/10～1/20。
附图说明
图1.Al-Zr-B-O原位反应新体系合成复合材料的相分析图
图2.Al-Zr-B-O原位反应新体系合成复合材料的微观组织图
图3.Al-Zr-B-O原位反应新体系合成复合材料的颗粒/基体界面图
具体实施方式
实施例1：利用电阻炉加热至850℃，使坩埚中的金属铝熔化。将熔融铝精炼、静置后，将占铝液5wt.％的氧化锆(ZrO2)和氧化硼(B2O3)粉(粉末的纯度为99％，平均粒度80μm)混合搅拌均匀，其中ZrO2、B2O3按Zr、B摩尔量比1∶1混合。然后在200℃下预热2h，并采用气力输送方法用导管加入到熔融铝液中进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。输送过程中采用氩气作为保护气体，同时采用石墨搅拌棒进行搅拌。Al-Zr-B-O反应体系经30min充分反应后，采用氮气精炼8min，随后浇入金属模中，制备出(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)颗粒增强铝基复合材料，其中增强颗粒的总体积分数为3.0％。
实施例2：利用电阻炉加热至870℃，使坩埚中的金属铝熔化。将熔融铝精炼、静置后，将占铝液10wt.％的氧化锆(ZrO2)和氟硼酸钾(KBF4)粉(粉末的纯度为99％，平均粒度80μm)混合搅拌均匀，其中ZrO2、KBF4按Zr、B摩尔量比1∶2混合。然后在200℃下预热2h，并采用气力输送方法用导管加入到熔融铝液中进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。输送过程中采用氩气作为保护气体，同时采用石墨搅拌棒进行搅拌。Al-Zr-B-O反应体系经30min充分反应后，采用氮气精炼8min，随后浇入金属模中，制备出(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)颗粒增强铝基复合材料，其中增强颗粒的总体积分数为6.0％。
实施例3：利用电阻炉加热至890℃，使坩埚中的A356合金熔化。将熔融A356合金精炼、静置后，将占A356合金熔体15wt.％的硅酸锆(ZrSiO4)和氧化硼(KBF4)粉(纯度99％，平均粒度80μm)混合搅拌均匀，ZrSiO4、KBF4按Zr、B摩尔量比1∶2混合。然后在200℃下预热2h，并采用气力输送方法用导管加入到A356合金熔液中进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。输送过程中采用氩气作为保护气体，同时采用石墨搅拌棒进行搅拌。Al-Zr-B-O反应体系经30min充分反应后，采用氮气精炼8min，随后浇入金属模中，制备出(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)颗粒增强A356合金基复合材料，增强颗粒的总体积分数为8.9％。
实施例4：利用电阻炉加热至900℃，使坩埚中的A356合金熔化。将熔融A356合金精炼、静置后，将占A356铝合金熔体25wt.％的碳酸锆(Zr(CO3)2)和氟硼酸钠(NaBF4)粉(粉末的纯度为99％，平均粒度80μm)混合搅拌均匀，其中Zr(CO3)2、NaBF4按Zr、B摩尔量比1∶2混合。然后在200℃下预热2h，并采用气力输送方法用导管加入到熔融铝液中进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。输送过程中采用氩气作为保护气体，同时采用石墨搅拌棒进行搅拌。Al-Zr-B-O反应体系经30min充分反应后，采用氮气精炼8min，随后浇入金属模中，制备出(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)颗粒增强A356合金基复合材料，其中增强颗粒的总体积分数为14.8％。
上述四个实施例形成的复合材料及其基体的性能指标如表1。
表1(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)颗粒增强铝基复合材料及基体的性能指标(T6态)
材料   抗拉强度(MPa)   屈服强度(MPa)   弹性模量(GPa) 伸长率(％)
    纯铝A00     76.8     41.5     71.4     30.2
    3vol.％(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)/Al     178.8     152.4     85.3     11.8
    6vol.％(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)/Al     246.8     180.9     92.6     9.4
    A356     245.3     165.8     81.3     11.6
    9vol.％(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)/A356     378.6     315.3     96.9     7.8
    15vol.％(ZrAl3+ZrB2+Al2O3)/A356     402.3     345.4     104.3     5.9

Claims (2)

1.一种合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系，其特征在于：在850℃～900℃之间的铝或铝合金的熔体中，加入质量百分数占铝液的5～25％的含Zr和含B的氧化物或盐的混合粉剂，进行反应，从而构成Al-Zr-B-O反应体系。
2.一种利用Al-Zr-B-O反应体系合成的多相颗粒复合增强的高性能铝基复合材料，其特征在于：上述材料由Al3Zr、ZrB2、和Al2O3多元增强颗粒与Al或Al合金基体组成，其中多元增强颗粒占该复合材料的体积分数为5～15％。
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