一種顆粒混合增強鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鋁基復合材料的制備領域，特別涉及一種顆粒混合增強鋁基復合材料 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 顆粒增強錯基復合材料PAMCs(Particle reinforced aluminum matrix composites，簡稱PAMCs)具有比強度高、比剛度高、良好的耐磨性和減震性等優點，并且可 通過改變增強顆粒的種類、含量、尺寸等實現不同的力學性能和使用性能，近年來得到了較 快的發展。SiC和B 4C顆粒是顆粒增強鋁基復合材料較為常用的兩種增強顆粒，SiC和B4C顆粒 均具有高硬度、高強度和耐磨的優點;此外，B 4C顆粒還因具有良好的中子吸收能力，使得B4C 顆粒增強鋁基復合材料在核工業具有很好的應用。
[0003] 攪拌鑄造法具有所需設備簡單、操作方便、成本低、生產效率高的特點，同時適合 于大規模大批量的工業生產，是最具發展潛力的PAMCs制備方法，受到研究者的高度關注。 但是，在利用攪拌鑄造法制備顆粒增強鋁基復合材料的過程中，由于鋁合金熔體表面極易 氧化形成氧化膜，且顆粒與鋁合金熔體的潤濕性較差，導致顆粒加入到鋁合金熔體后容易 出現分布不均勻的現象；同時，由于SiC和B 4C顆粒還會與熔體發生化學反應，生成大量有害 的界面反應物如A14C3、A1 3BC和A1B2。研究表明，增強顆粒分布不均勻及大量的界面反應物 都將嚴重降低PAMCs熔體質量及材料的力學性能。
[0004] 文南犬Oxidation treatments for SiC particles used as reinforcement in aluminum matrix composites(Composites Science and Technology 2004,64,1843-54) 指出SiC顆粒與鋁合金熔體潤濕后，SiC顆粒與液態鋁發生了化學反應，且生成的界面反應 物A14C 3的含量隨熔體保溫時間的延長而顯著增加，導致結合界面發生脆變;文獻Effect of titanium on microstructure and fluidity of AI-B4C composites(Journal of Materials Science 2011,46,3176-85)表明750°C高溫條件下B4C顆粒易于鋁液反應并產 生大量有害的界面反應物如AhBC和A1B 2,嚴重降低了復合材料恪體的質量。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于針對現有顆粒增強鋁基復合材料攪拌鑄造制備過程中SiC或 B4C顆粒潤濕性差、分布不均勻、易生成有害界面反應物的問題，提供一種顆粒混合增強鋁 基復合材料的制備方法，原材料成本低、來源方便、制備工藝簡單;得到的顆粒混合增強鋁 基復合材料增強顆粒分布均勻、有害界面反應物少、力學性能優良。
[0006] 本發明的另一目的在于提供上述制備方法得到的顆粒混合增強鋁基復合材料。
[0007] 本發明的目的通過以下技術方案實現：
[0008] -種顆粒混合增強鋁基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] (1)稱取鋁合金原料、碳化物顆粒、K2TiF6顆粒、Ti顆粒，將碳化物顆粒和K2TiF 6顆 粒置于干燥箱中干燥;所述碳化物顆粒為SiC顆粒或B4C顆粒；
[0010] 其中，碳化物顆粒的質量為鋁合金原料的5~15% ;Ti顆粒的質量為鋁合金原料的 0.4~2% ;碳化物顆粒與K2TiF6顆粒的質量比為1:0.3~0.7;
[0011] (2)將碳化物顆粒與1(21^化顆粒混合均勻后，加入Ti顆粒混合至均勻，得到增強顆 粒混合物；
[0012] (3)對鋁合金原料進行熔煉，得到鋁合金熔體；
[0013] (4)在攪拌條件下將步驟(2)得到的增強顆粒混合物添加到鋁合金熔體中，均勻化 攪拌、除去表面夾渣，得到顆粒混合增強鋁基復合材料。
[0014] 步驟(4)所述在攪拌條件下將步驟(2)得到的增強顆粒混合物添加到鋁合金熔體 中，均勻化攪拌、除去表面浮渣，得到顆粒混合增強鋁基復合材料，具體為：
[0015] (4-1)將鋁合金熔體溫度控制在780~850°C，并將攪拌速度控制在350~450rpm， 將步驟(2)得到的增強顆粒混合物勻速加入攪拌形成的漩渦中，完成增強顆粒的添加；
[0016] (4-2)將鋁合金熔體溫度降至700~730°C，調整攪拌速度為200~350rpm，均勻化 攪拌20~40min，除去表面浮渣，得到顆粒混合增強鋁基復合材料。
[0017] 所述碳化物顆粒的平均粒徑為5~50μηι;所述Ti顆粒平均粒徑為20~50μηι。
[0018] 所述步驟(1)所述干燥，具體為：
[0019] 在180~220 °C下干燥1~2h，脫除顆粒表面吸附的水分。
[0020] 步驟(3)所述對鋁合金原料進行熔煉，具體為：
[0021] 對鋁合金原料的表面進行清潔，采用電阻爐進行熔煉，然后在720~740°C進行常 規精煉。
[0022] 所述鋁合金原料包括純鋁塊和普通鋁合金塊。
[0023] 所述的顆粒混合增強鋁基復合材料的制備方法得到的顆粒混合增強鋁基復合材 料，碳化物顆粒的含量為鋁合金的5~12vol. % ;Al3Ti顆粒的含量為鋁合金的1~5vol. %。 [0024] 本發明的原理為:通過添加 K2TiF6及Ti顆粒促進SiC或B4C顆粒與鋁合金熔體潤濕 及均勻分布，減少制備過程中顆粒的分解及界面反應物的生成，同時利用原位反應法生成 TiAl3顆粒與SiC或B4C顆粒進行混合增強，從而提高PAMCs熔體質量及材料的力學性能；
[0025] 本發明的制備方法，制備過程中涉及化學反應如下：
[0026] Ti+3Al^Al3Ti (1)
[0027] 4Al+3SiC^Al4C3+3Si (2)
[0028] Al4C3+3Ti^3TiC+4Al (3)
[0029] 9A1+2B4C^2A13BC+3A1B2 (4)
[0030] AlB2+Ti^TiB2+Al (5)
[0031] 3Al3Ti+B4C^2TiB2+TiC+9Al (6)
[0032] 與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：
[0033] 1、本發明采用液態攪拌鑄造法，將SiC或B4C顆粒、K2TiF6和Ti顆粒的混合物一次性 攪拌加入，設備簡單操作方便，實現了顆粒混合增強復合材料的高效制備。
[0034] 2、本發明利用原位反應法涉及上述化學反應（1)制得Al3Ti顆粒，顆粒尺寸小、分 布均勻、增強效果良好，既提高了鋁合金基體的抗拉強度，又保持了基體材料較好的塑性。
[0035] 3、本發明利用K2TiF6去除了鋁合金熔體表面的氧化膜和熔體中卷入的氣體，有效 地提高了 SiC或B4C顆粒與鋁合金熔體的潤濕性，防止了顆粒-氣孔團的產生，使得顆粒分布 均勻，制備的復合材料孔隙率保持在較低的水平。
[0036] 4、本發明Ti顆粒與界面反應物發生上述化學反應(3)和(5)，有效減少了上述化學 反應(2)和(4)產生的有害界面反應物Al4C3和A1B2的含量，同時反應生成的TiC和TiB 2具有 細化鋁合金基體材料晶粒的作用。
[0037] 5、對于B4C增強顆粒，上述化學反應(6)生成的TiB2以層狀包覆在B4C顆粒表面，阻 止了 B4C顆粒與鋁液發生上述化學反應(4)，有效防止了 B4C顆粒的分解和有害界面反應物的 產生；同時TiB2層還增強了B4C顆粒與鋁合金基體的界面結合強度。
[0038] 6、本發明原材料成本低、來源方便、制備工藝簡單，制備的復合材料具有顆粒分布 均勻、力學性能良好，可以進行液態鑄乳、壓鑄、連鑄、熔模鑄造等后續成型加工。
【附圖說明】
[0039] 圖1(a)為本發明的實施例1的顆粒混合增強鋁基復合材料組織放大150倍數的掃 描電鏡照片。
[0040] 圖1(b)為本發明的實施例1的顆粒混合增強鋁基復合材料組織放大300倍數的掃 描電鏡照片。
[0041] 圖2(a)為本發明的實施例1的顆粒混合增強鋁基復合材料組織的透射電鏡照片。 [0042]圖2(b)為本發明的實施例1的顆粒混合增強鋁基復合材料的連續的TiB2層的多晶 電子衍射花樣。
[0043] 圖3(a)為本發明的實施例2的對照組的掃描電鏡照片。
[0044] 圖3(b)為本發明的實施例2的顆粒混合增強鋁基復合材料組織的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0046] 實施例1
[0047] 本實施例制備的（B4C，Al3Ti)/Al顆粒混合增強鋁基復合材料，其中B4C顆粒為 8vol. % (相對于錯基體，下同），AhTi顆粒為3vol. %。
[0048]所用原料如表1所示。
[0049] 表 1
[0052]本實施例的顆粒混合增強鋁基復合材料的制備過程如下：[0053] (1)顆粒預處理
[0050]
[0051]
[0054] 分別將B4C和K2TiF6顆粒在200°C條件下保溫2h脫除水分，然后將10wt.%的B4C顆 粒與K2TiF6顆粒按質量比為1:0.5進行均勾混合，再與稱取1.2wt