專利名稱：反應(yīng)合成Ti₅Si₃顆粒梯度增強(qiáng)鑄造鋁基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料的制備方法，特別是涉及金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)的鋁基 復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景近年來，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究多集中在整體強(qiáng)化之上。但是在很多工況下， 并不要求材料整體都要進(jìn)行顆粒增強(qiáng)。此外，整體強(qiáng)化時增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)易受限制，因?yàn)?金屬液的流動性隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高而下降，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)超過10%時，難以澆 注成型形狀復(fù)雜的鑄件；而且，整體強(qiáng)化成本較高，因?yàn)椴恍枰w粒增強(qiáng)的部分也進(jìn)行了顆 粒增強(qiáng)，浪費(fèi)了增強(qiáng)體。因此，梯度增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的開發(fā)受到越來越多的重視。梯度增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究主要集中在鋼基體之上，增強(qiáng)顆粒多為陶瓷顆粒，原因 是由于鋼液熔煉溫度高，較易引發(fā)反應(yīng)物壓坯的化學(xué)反應(yīng)，從而形成所需的增強(qiáng)體。如專利 02109101.3中采用Al、 Ti和C粉制成預(yù)制塊，在鑄型內(nèi)反應(yīng)形成原位陶瓷顆粒TiC，制備 局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料。由于鋁液的熔煉溫度相對較低，因此，反應(yīng)物體系的選擇受到較多 限制，目前的研究工作相對較少。發(fā)表在"Materials Science and Engineering A, 2008; 473: 166-171"上的文章將卯(TC純鋁液澆注到鑄型內(nèi)引發(fā)Al、 Ti和C粉體系壓坯的反應(yīng)，制備 了局部陶瓷顆粒TiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，為梯度增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備奠定了一定的基 礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應(yīng)用的金屬間化合物顆粒梯度增 強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用Cu、 Ti和Si粉，通過鑄型內(nèi)澆鑄高溫鋁液引燃反應(yīng)物壓坯的燃燒合成反應(yīng)，形成原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒，制備Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。具體工藝過程包括反應(yīng)物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)原位形成金屬間化合物增強(qiáng)顆粒兩個階段 1.反應(yīng)物壓坯的制備a. 壓坯組成壓坯由粉料粒度小于50微米的Cu、 Ti和Si粉組成，其中Cu粉的含量 為摩爾百分比10%《Cu《40%， Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti:Si=5:3;b. 混料將上述配制好的Cu、 Ti和Si粉裝入球磨混料機(jī)中，混料6士1小時，使之混合均勻；C.壓制成型把混合均勻的粉體放入模具中，在室溫下壓制成坯，壓坯密度為壓坯理 論密度的66±3 %;2.原位金屬間化合物增強(qiáng)顆粒的形成a. 預(yù)處理將反應(yīng)物壓坯放入真空或有氬氣保護(hù)的烘干爐內(nèi)，加熱至350士100 °C，烘干除氣4士1小時；b. 原位金屬間化合物增強(qiáng)顆粒的形成將預(yù)處理后的壓坯置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強(qiáng)的特定區(qū)域或位置，隨后將820±30 'C高溫鑄造鋁合金溶液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)，形成Ti5Si3金屬間化合物增強(qiáng)顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鑄造鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)-本發(fā)明提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應(yīng)用的金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，即采用Cu、 Ti和Si粉反應(yīng)形成原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒，用以提 高鑄件服役區(qū)域或位置的硬度和耐磨性，而基體材料本身則保持其原有的韌性。基體材料可 以選用純鋁，也可以選用鑄造鋁合金。1) 采用Cu、 Ti和Si粉作為反應(yīng)物體系，引燃溫度低，鋁液的熔煉溫度完全能夠引發(fā) 該體系的燃燒合成反應(yīng)；2) 金屬間化合物TisSi3顆粒反應(yīng)形成，表面潔凈，與基體結(jié)合好，增強(qiáng)效果顯著；3) 添加的Cu粉在反應(yīng)后既可以作為合金元素固溶于基體進(jìn)行合金強(qiáng)化，也可以和基體 Al反應(yīng)形成Al2Cu起到強(qiáng)化作用。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例取粒度小于50微米的Cu、 Ti和Si粉作為反應(yīng)物，其中Cu粉的含量為摩爾百分比分別 為10%、 20%、 30%、 40%， Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti:Si二5:3;將上述配制好的粉料 分別裝入球磨混料機(jī)中混合均勻，然后壓制成坯，其密度為壓坯理論密度的66±3%;將壓 坯放入真空爐內(nèi)，加熱至40(TC，除氣4小時，然后置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強(qiáng)的特定區(qū)域， 并將約850'C的鑄造鋁合金Al-7.5Zn-1.6Cu-0.8Mg熔液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)，原位形成Ti5Si3金屬間化合物增強(qiáng)顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鑄造鋁基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1、一種反應(yīng)合成Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于工藝過程包括反應(yīng)物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)原位形成金屬間化合物增強(qiáng)顆粒兩個階段(1)反應(yīng)物壓坯的制備a.壓坯組成壓坯由粉料粒度小于50微米的Cu、Ti和Si粉組成，其中Cu粉的含量為摩爾百分比10％≤Cu≤40％，Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti∶Si＝5∶3；b.混料將上述配制好的Cu、Ti和Si粉裝入球磨混料機(jī)中，混料6±1小時，使之混合均勻；c.壓制成型把混合均勻的粉體放入模具中，在室溫下壓制成坯，壓坯密度為壓坯理論密度的66±3％；(2)原位金屬間化合物增強(qiáng)顆粒的形成a.預(yù)處理將反應(yīng)物壓坯放入真空或有氬氣保護(hù)的烘干爐內(nèi)，加熱至350±100℃，烘干除氣4±1小時，b.原位金屬間化合物增強(qiáng)顆粒的形成將預(yù)處理后的壓坯置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強(qiáng)的特定區(qū)域或位置，隨后將820±30℃高溫鑄造鋁合金溶液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)，形成Ti5Si3金屬間化合物增強(qiáng)顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鑄造鋁基復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，特別是涉及金屬間化合物顆粒梯度增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。具體工藝包括反應(yīng)物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應(yīng)兩個階段1)采用Cu、Ti和Si粉作為反應(yīng)物，按照一定比例混合均勻，壓制成坯；2)將經(jīng)過預(yù)處理后的反應(yīng)物壓坯放置于鑄型內(nèi)鑄件需要強(qiáng)化的特定位置或區(qū)域，澆鑄高溫鋁液誘發(fā)壓坯的燃燒合成反應(yīng)，原位形成Ti₅Si₃金屬間化合物增強(qiáng)顆粒。由于金屬間化合物顆粒反應(yīng)形成，其表面潔凈，與基體結(jié)合良好；此外，壓坯中添加的Cu既可以作為合金元素固溶于基體進(jìn)行合金強(qiáng)化，也可以和基體Al反應(yīng)形成Al₂Cu起到強(qiáng)化作用。本發(fā)明工藝簡單可靠，易于推廣應(yīng)用。
文檔編號B22D19/02GK101219470SQ200810050260
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者關(guān)慶玲, 暢 劉, 姜啟川, 孫拴利, 張偉娜, 李世龍, 梁云虹, 王慧遠(yuǎn), 王鵬建 申請人:吉林大學(xué)