本發(fā)明涉及一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高導(dǎo)熱率、低密度、低膨脹系數(shù)、良好的高溫性能和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被用于航空、陸上運(yùn)輸、汽車電子和體育器材等很多方面，并且需求量也在逐步增加。
TiO2具有無毒、很好的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)，TiO2主要分為銳鈦礦型(Anatase，簡稱A型)和金紅石(Rutile，簡稱R型)兩種晶型。
Al和金屬氧化物其之間的反應(yīng)可以得到其他金屬、金屬間化合物或者鋁的氧化物作為增強(qiáng)相，α-Al2O3是鋁基復(fù)合材料很好的增強(qiáng)相，Al-TiO2體系中形成的Al3Ti具有低密度(3.4g cm3)，高的楊氏模量(220GPa)和良好的高溫性能，使其在高溫結(jié)構(gòu)材料方面有很好的應(yīng)用前景。
專利號為JP03260026，以銳鈦礦的TiO2晶須和Al粉為原料，利用壓力浸滲制備了Al3Ti和Al2O3增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。但此方法以制備的TiO2晶須為原料，制備較為繁瑣，且TiO2含量只有1～5wt.％。
專利號為JP04063235，以Al3Ti或者Al、Ti合金粉體和Cu合金粉為原料，利用熱壓燒結(jié)得到Al3Ti基高強(qiáng)度材料。但其制備需要混合Al、Ti和Cu三種粉體，制備方法繁瑣，并且只能得到單一增強(qiáng)體Al3Ti增強(qiáng)體的復(fù)合材料，另外，以Cu為基體，密度較大。
專利號為US2014/0219861，發(fā)明了一種新的原位生成方法，并以Al和Ti粉成功制備了Al3Ti顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。其發(fā)明只能得到單一增強(qiáng)體Al3Ti增強(qiáng)體的復(fù)合材料，無納米或亞微米尺寸的Al2O3顆粒增強(qiáng)作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法存在的制備方法繁瑣，增強(qiáng)體單一的問題，而提供一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料制成；所述TiO2的晶型為金紅石型和銳鈦礦型中的一種或兩種的混合，所述TiO2是粒徑為0.1～10μm的粉體；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金。
本發(fā)明一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法是按以下步驟進(jìn)行：
一、按體積分?jǐn)?shù)稱取5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料；所述TiO2的晶型為金紅石型和銳鈦礦型中的一種或兩種的混合，所述TiO2是粒徑為0.1～10μm的粉體；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金；
二、將步驟一稱取的5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料分別在溫度為50℃～60℃的干燥箱中干燥10h～14h，得到干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料；
三、將步驟二得到的干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料混合，得到混合粉體；
四、將步驟三得到的混合粉體裝入模具中，冷壓制成預(yù)制體，然后連同模具一起放入高壓燒結(jié)爐中，在真空或保護(hù)氣的條件下，在溫度為650℃～670℃下燒結(jié)1h～4h，隨爐冷卻后，脫模得到Al3Ti和Al2O3顆粒共增強(qiáng)Al基復(fù)合材料。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明制備工藝簡單，成本低，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)較高，所得的材料在較高溫環(huán)境(100～600℃)中可作為結(jié)構(gòu)材料和耐磨材料等。材料中Al3Ti呈現(xiàn)短棒狀，尺寸在1～30μm之間，可以有效承載，Al2O3顆粒以納米或亞微米尺度形式存在，尺寸在20～400nm之間。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料制成；所述TiO2的晶型為金紅石型和銳鈦礦型中的一種或兩種的混合，所述TiO2是粒徑為0.1～10μm的粉體；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金。
具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由10％TiO2和90％含鋁材料制成。其他與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由15％TiO2和85％含鋁材料制成。其他與具體實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述鋁合金為1xxx系鋁合金、2xxx系鋁合金、3xxx系鋁合金、4xxx系鋁合金、5xxx系鋁合金或6xxx系鋁合金。其他與具體實(shí)施方式一至三之一相同。
具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟進(jìn)行：
一、按體積分?jǐn)?shù)稱取5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料；所述TiO2的晶型為金紅石型和銳鈦礦型中的一種或兩種的混合，所述TiO2是粒徑為0.1～10μm的粉體；所述的含鋁材料為鋁或鋁合金；
二、將步驟一稱取的5％～25％TiO2和75％～95％含鋁材料分別在溫度為50℃～60℃的干燥箱中干燥10h～14h，得到干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料；
三、將步驟二得到的干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料混合，得到混合粉體；
四、將步驟三得到的混合粉體裝入模具中，冷壓制成預(yù)制體，然后連同模具一起放入高壓燒結(jié)爐中，在真空或保護(hù)氣的條件下，在溫度為650℃～670℃下燒結(jié)1h～4h，隨爐冷卻后，脫模得到Al3Ti和Al2O3顆粒共增強(qiáng)Al基復(fù)合材料。
具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五不同的是：步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取10％TiO2和90％含鋁材料。其他與具體實(shí)施方式五相同。
具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五或六不同的是：步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取15％TiO2和85％含鋁材料。其他與具體實(shí)施方式五或六相同。
具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至七之一不同的是：步驟一中所述鋁合金為1xxx系鋁合金、2xxx系鋁合金、3xxx系鋁合金、4xxx系鋁合金、5xxx系鋁合金或6xxx系鋁合金。其他與具體實(shí)施方式五至七之一相同。
具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至八之一不同的是：步驟三中所述混合是在轉(zhuǎn)速為300rpm/min～450rpm/min的條件下球磨混合或者是通過非球磨方式進(jìn)行混合。其他與具體實(shí)施方式五至八之一相同。
具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至九之一不同的是：步驟四中所述保護(hù)氣為氬氣。其他與具體實(shí)施方式五至九之一相同。
具體實(shí)施方式十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至十之一不同的是：步驟四中按在溫度為650℃～670℃下燒結(jié)3h。其他與具體實(shí)施方式五至十之一相同。
具體實(shí)施方式十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至十一之一不同的是：步驟四中得到的Al3Ti和Al2O3顆粒共增強(qiáng)Al基復(fù)合材料中Al3Ti和Al2O3的摩爾比為3:2，Al3Ti以短棒狀或針狀形式存在，Al2O3以納米或亞微米形式存在。其他與具體實(shí)施方式五至十一之一相同。
采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
實(shí)施例一：一種三鋁化鈦和三氧化二鋁顆粒共增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟進(jìn)行：
一、按體積分?jǐn)?shù)稱取25％TiO2和75％含鋁材料；所述TiO2的晶型為金紅石型和銳鈦礦型中的一種或兩種的混合，所述TiO2是粒徑為5μm的粉體；所述的含鋁材料為粒徑為5μm的2024鋁合金粉體；
二、將步驟一稱取的25％TiO2和75％含鋁材料分別在溫度為60℃的干燥箱中干燥12h，得到干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料；
三、將步驟二得到的干燥后的TiO2和干燥后的含鋁材料在轉(zhuǎn)速為300rpm/min的條件下球磨2h，得到混合粉體；
四、將步驟三得到的混合粉體裝入模具中，冷壓制成預(yù)制體，然后連同模具一起放入高壓燒結(jié)爐中，在真空條件下，在溫度為660℃下燒結(jié)2.5h，隨爐冷卻后，脫模得到Al3Ti和Al2O3顆粒共增強(qiáng)Al基復(fù)合材料；所述Al3Ti和Al2O3顆粒共增強(qiáng)Al基復(fù)合材料中Al3Ti和Al2O3的摩爾比為3:2，Al3Ti以短棒狀或針狀形式存在，Al2O3以納米或亞微米形式存在。
本發(fā)明制備工藝簡單，成本低，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)較高，所得的材料在較高溫環(huán)境中也有應(yīng)用前景。材料中Al3Ti呈現(xiàn)短棒狀，尺寸在1～30μm之間，可以有效承載，Al2O3顆粒以納米或亞微米尺度形式存在，尺寸在20～400nm之間。