本發(fā)明涉及原位鋁基復(fù)合材料，具體而言為涉及一種改善鋁基復(fù)合材料中原位納米顆粒分布的方法。

技術(shù)背景

與外加顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料相比，原位顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中顆粒增強(qiáng)體熱力學(xué)穩(wěn)定高、與鋁或鋁合金基體界面結(jié)合好、表面潔凈無脆性產(chǎn)物，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，原位顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法包括氣-液熔體反應(yīng)法、固-液熔體反應(yīng)法、自蔓延高溫合成法等。其中，熔體反應(yīng)法制備過程可控、反應(yīng)獲得的復(fù)合材料易于采用傳統(tǒng)工藝成型、制備成本低，受到材料工作者的重視。研究人員通過在熔體原位反應(yīng)過程中引入電磁場、超聲場等，調(diào)控熔體的化學(xué)反應(yīng)，以控制反應(yīng)產(chǎn)物形態(tài)、尺寸和在基體中的分布均勻性等，取得了一定的效果。但是，無論是電磁場還是超聲場均存在作用強(qiáng)度和作用范圍方面的限制；同時(shí)，熔體原位反應(yīng)的溫度太高，設(shè)備維護(hù)難度大、成本高，而且鋁及鋁合金熔體吸氣嚴(yán)重，使鋁基復(fù)合材料基體品質(zhì)下降。同時(shí)，原位增強(qiáng)顆粒的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，其增強(qiáng)作用可進(jìn)一步提高，因此原位納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度高、塑韌性好、抗疲勞能力強(qiáng)。國內(nèi)外研究均表明，由于原位納米顆粒的表面能大，容易團(tuán)聚，目前在鋁熔體中可有效分散的原位納米顆粒體積分?jǐn)?shù)均在3％以下，這一限制已成為原位納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料應(yīng)用的最大障礙。

因此，迫切需要提出一種原位鋁基復(fù)合材料的制備方法，在保證熔體中化學(xué)反應(yīng)完全的基礎(chǔ)上，還能保證生成的納米增強(qiáng)顆粒尺寸、形態(tài)和在基體中的分布可控，同時(shí)制備成本較低、操作容易。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種改善鋁基復(fù)合材料中原位納米顆粒分布的方法，其原理是：通過錐形混合器將固體反應(yīng)物與處于近液相線的鋁合金進(jìn)行混合，錐形混合器由耐高溫增韌陶瓷制作，通過旋轉(zhuǎn)研磨可以實(shí)現(xiàn)固體反應(yīng)物在鋁合金中的均勻分散；然后在高溫區(qū)域進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，獲得的鋁基復(fù)合材料漿料中添加適量的稀土元素，利用稀土元素的表面活性，使其通過富集在鋁與原位納米顆粒之間的界面上，達(dá)到阻止納米顆粒重新團(tuán)聚的目的；鋁基復(fù)合材料漿料通過超聲作用分散，在此過程中通過電磁攪拌保持漿料的流動(dòng)，以促使超聲作用覆蓋整個(gè)鋁基復(fù)合材料漿料。

一種改善鋁基復(fù)合材料中原位納米顆粒分布的方法，其特征在于：將經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物加入到處于近液相線溫度的鋁合金中，固體反應(yīng)物與鋁合金在錐形混合器的驅(qū)動(dòng)下從錐形混合器的外壁進(jìn)入內(nèi)腔，通過錐形混合器的旋轉(zhuǎn)研磨進(jìn)行混合，由錐形混合器頂部流出，混合均勻的固體反應(yīng)物與鋁合金混合料在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)得到的鋁基復(fù)合材料漿料進(jìn)入收集熔池，加入適量的稀土元素，并通過超聲分散保證復(fù)合材料漿料中原位納米顆粒均勻分布。

所述的經(jīng)過預(yù)熱的固體反應(yīng)物，是指經(jīng)過250～300℃、30～50min加熱處理的能在鋁合金熔體中生成氧化物、碳化物、硼化物的反應(yīng)物粉末，加入量按生成體積分?jǐn)?shù)2～5％的原位增強(qiáng)顆粒計(jì)算。

所述的處于近液相線溫度的鋁合金，是指溫度處于液相線溫度附近正負(fù)10℃范圍內(nèi)的鋁合金。

所述的錐形混合器，是指采用氧化釔增韌氧化鋁陶瓷制作的混合器，由內(nèi)腔為漏斗形的底座和放置在底座內(nèi)的錐形旋轉(zhuǎn)部分組成，整個(gè)混合器除驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸外均埋入鋁熔體中，工作時(shí)由驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)錐形旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與底座上通孔切入底座的方向一致，在將固體反應(yīng)物與鋁合金的混合物通過底座上的通孔吸入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨混合。

所述的內(nèi)腔為漏斗形的底座，是指內(nèi)壁為漏斗形，側(cè)壁上開有一組直徑8～12mm通孔的底座，這些通孔均勻分布在同一高度的圓周上，通孔中心離底座底部30～50mm，通孔平行于底座底部且以20～30°的切入角切入內(nèi)壁，在內(nèi)壁圓周上相鄰孔之間的間距為20～30mm。

所述的錐形旋轉(zhuǎn)部分，是指主體為外形與內(nèi)腔為漏斗形的底座配合的錐形體，其上端連有用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸。

所述的在高溫區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，是指在溫度為850～900℃的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為5～10min。

所述的高溫加熱管，是指采用耐高溫韌性陶瓷材料制作的內(nèi)腔有效長度為800～1000mm、寬50～100mm、高10～15mm的矩形管。

所述的進(jìn)入收集熔池，是指反應(yīng)獲得的復(fù)合材料漿料通過封閉溜槽進(jìn)入到復(fù)合材料熔池。

所述的加入適量的稀土元素，是指加入占鋁基復(fù)合材料漿料質(zhì)量0.03～0.06％的ce、y、la或混合稀土。

所述的超聲分散，是指采用500～2000w、頻率為10～20khz的功率超聲對復(fù)合材料漿料進(jìn)行分散，同時(shí)通過電磁攪拌方式保持漿料流動(dòng)。

所述的通過電磁攪拌方式，是指通過交變電磁場實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料漿料的流動(dòng)，交變電流強(qiáng)度為10～30a，連續(xù)工作。

本發(fā)明將原位納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過程中的反應(yīng)物混合、高溫熔體化學(xué)反應(yīng)和原位納米顆粒的分散等關(guān)鍵步驟分開處理，充分利用現(xiàn)有技術(shù)在不同制備步驟中的優(yōu)勢，將這些技術(shù)有機(jī)組合在一起，實(shí)現(xiàn)了原位鋁基復(fù)合材料中納米增強(qiáng)顆粒尺寸、形態(tài)和在基體中分布均勻性的可控，核心技術(shù)成熟，便于工業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1錐形混合器示意圖。

圖2為通孔分布示意圖。

1、驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸；2、錐形旋轉(zhuǎn)部分；3、內(nèi)腔為漏斗形的底座；4、通孔

圖3由本發(fā)明方法制備的原位α-al2o3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的sem照片。

具體實(shí)施例

本發(fā)明可以根據(jù)以下實(shí)例實(shí)施，但不限于以下實(shí)例。在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非另有說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義。應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。

實(shí)施例1

本實(shí)施例具體實(shí)施一種改善鋁基復(fù)合材料中α-al2o3原位納米顆粒分布的方法，具體過程為：

將經(jīng)過預(yù)熱的平均尺寸為30nm的sio2粉體加入到溫度為635℃的al-4.5si合金中，sio2粉體與鋁合金在如圖1所示的錐形混合器的驅(qū)動(dòng)下從錐形混合器的外壁進(jìn)入內(nèi)腔，通過錐形混合器的旋轉(zhuǎn)研磨進(jìn)行混合，由錐形混合器頂部流出；sio2粉體的加入量占鋁合金質(zhì)量的4.2％，粉體預(yù)先經(jīng)過250℃、50min的加熱處理；錐形混合器是采用氧化釔增韌氧化鋁陶瓷制作的混合器，由內(nèi)腔為漏斗形的底座和其內(nèi)的錐形旋轉(zhuǎn)部分組成，整個(gè)混合器除驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸外均埋入鋁熔體中，由驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)錐形旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與底座上通孔切入底座的方向一致，在將sio2粉體與鋁合金的混合物通過底座上的通孔吸入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨混合；底座內(nèi)壁為漏斗形，側(cè)壁上開有一組6個(gè)直徑8mm的通孔，這些通孔均勻分布在同一高度的圓周上，通孔中心離底座底部30mm，通孔平行于底座底部且以20°的切入角切入內(nèi)壁，在內(nèi)壁圓周上相鄰孔之間的間距為20mm；錐形旋轉(zhuǎn)部分主體為外形與內(nèi)腔為漏斗形的底座配合的錐形體，其上端與驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸相連。

sio2粉體與al-4.5si合金熔體經(jīng)20min混合均勻后，在溫度為900℃的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為5min；高溫加熱管采用耐高溫韌性陶瓷材料制作，內(nèi)腔有效長度為800mm、寬50mm、高10mm。

反應(yīng)得到的鋁基復(fù)合材料漿料通過封閉溜槽進(jìn)入收集熔池，加入占鋁基復(fù)合材料漿料質(zhì)量0.03％的ce，并采用500w、頻率10khz的功率超聲對復(fù)合材料漿料進(jìn)行分散，同時(shí)通過交變電磁場的電磁攪拌作用實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料漿料的流動(dòng)，交變電流強(qiáng)度為10a，連續(xù)工作。

調(diào)整基體合金成分至zl101a成分，獲得α-al2o3p/zl101a復(fù)合材料。α-al2o3顆粒約為40nm，且均勻地分布在鋁合金基體上，其sem照片見圖2。

實(shí)施例2

本實(shí)施例具體實(shí)施一種改善鋁基復(fù)合材料中tic原位納米顆粒分布的方法，具體過程為：

將經(jīng)過預(yù)熱的平均尺寸約為10μm的石墨粉加入到溫度為715℃的al-4.0ti合金中，石墨粉與鋁合金在如圖1所示的錐形混合器的驅(qū)動(dòng)下從錐形混合器的外壁進(jìn)入內(nèi)腔，通過錐形混合器的旋轉(zhuǎn)研磨進(jìn)行混合，由錐形混合器頂部流出；石墨粉的加入量占鋁合金熔體質(zhì)量的1.0％，石墨粉預(yù)先經(jīng)過300℃、30min的加熱處理；錐形混合器采用氧化釔增韌氧化鋁陶瓷制作，由內(nèi)腔為漏斗形的底座和其內(nèi)的錐形旋轉(zhuǎn)部分組成，整個(gè)混合器除驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸外均埋入鋁熔體中，由驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)錐形旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與底座上通孔切入底座的方向一致，在將石墨粉與鋁合金的混合物通過底座上的通孔吸入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨混合；底座內(nèi)壁為漏斗形，側(cè)壁上開有一組8個(gè)直徑12mm的通孔，這些通孔均勻分布在同一高度的圓周上，通孔中心離底座底部30mm，通孔平行于底座底部且以30°的切入角切入內(nèi)壁，在內(nèi)壁圓周上相鄰孔之間的間距為30mm；錐形旋轉(zhuǎn)部分主體為外形與內(nèi)腔為漏斗形的底座配合的錐形體，其上端與驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸相連。

石墨粉與al-4.0ti合金熔體經(jīng)15min混合均勻后，在溫度為850℃的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為5min；高溫加熱管采用耐高溫韌性陶瓷材料制作，內(nèi)腔有效長度為1000mm、寬100mm、高15mm。

反應(yīng)得到的鋁基復(fù)合材料漿料通過封閉溜槽進(jìn)入收集熔池，加入占鋁基復(fù)合材料漿料質(zhì)量0.06％的y，并采用1500w、頻率20khz的功率超聲對復(fù)合材料漿料進(jìn)行分散，同時(shí)通過交變電磁場的電磁攪拌作用實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料漿料的流動(dòng)，交變電流強(qiáng)度為30a，連續(xù)工作。

調(diào)整基體合金成分至zl102成分，獲得ticp/zl102復(fù)合材料，其中原位tic納米顆粒均勻地分布在鋁合金基體上。

實(shí)施例3

本實(shí)施例具體實(shí)施一種改善鋁基復(fù)合材料中tib2及α-al2o3原位納米顆粒分布的方法，具體過程為：

將經(jīng)過預(yù)熱的平均尺寸為5μm的b2o3粉體加入到溫度為700℃的al-3.5ti合金中，b2o3粉體與鋁合金在如圖1所示的錐形混合器的驅(qū)動(dòng)下從錐形混合器的外壁進(jìn)入內(nèi)腔，通過錐形混合器的旋轉(zhuǎn)研磨進(jìn)行混合，由錐形混合器頂部流出；b2o3粉體的加入量占鋁合金熔體質(zhì)量的5.2％，粉體預(yù)先經(jīng)過280℃、40min的加熱處理；錐形混合器采用氧化釔增韌氧化鋁陶瓷制作，由內(nèi)腔為漏斗形的底座和其內(nèi)的錐形旋轉(zhuǎn)部分組成，整個(gè)混合器除驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸外均埋入鋁熔體中，由驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)錐形旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與底座上通孔切入底座的方向一致，在將石墨粉與鋁合金的混合物通過底座上的通孔吸入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨混合；底座內(nèi)壁為漏斗形，側(cè)壁上開有一組6個(gè)直徑10mm的通孔，這些通孔均勻分布在同一高度的圓周上，通孔中心離底座底部30mm，通孔平行于底座底部且以25°的切入角切入內(nèi)壁，在內(nèi)壁圓周上相鄰孔之間的間距為25mm；錐形旋轉(zhuǎn)部分主體為外形與內(nèi)腔為漏斗形的底座配合的錐形體，其上端與驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸相連。

b2o3粉體與al-3.5ti合金熔體經(jīng)20min混合均勻后，在溫度為890℃的高溫加熱管內(nèi)進(jìn)行固體反應(yīng)物與鋁合金之間的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為8min；高溫加熱管采用耐高溫韌性陶瓷材料制作，內(nèi)腔有效長度為900mm、寬60mm、高12mm。

反應(yīng)得到的鋁基復(fù)合材料漿料通過封閉溜槽進(jìn)入收集熔池，加入占鋁基復(fù)合材料漿料質(zhì)量0.04％的混合稀土，并采用2000w、頻率15khz的功率超聲對復(fù)合材料漿料進(jìn)行分散，同時(shí)通過交變電磁場的電磁攪拌作用實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料漿料的流動(dòng)，交變電流強(qiáng)度為20a，連續(xù)工作。

調(diào)整基體合金成分至zl101a合金成分，獲得(tib2+α-al2o3)p/zl101a復(fù)合材料，其中tib2、α-al2o3納米顆粒都均勻地分布在zl101a鋁合金基體上。