专利名称：一种熔铸－原位合成α－Al的制作方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料领域，特别是提供了一种熔铸-原位合成α-Al2O3颗粒增强铜基复合材料的制备方法，可使基体合金的熔炼与增强相的生成同步进行，明显缩短复合材料制备工艺流程、降低铜基复合材料的制造成本，可广泛用于要求高强高导电的电子和电工技术等领域。
背景技术：
自20世纪八十年代中期开始，在应用和市场需求的推动下，金属基复合材料的研究重点从连续纤维增强金属基复合材料方面转向了成本较低但具有广泛工业应用前景的非连续纤维增强金属基复合材料方面。近年来，原位反应合成金属基复合材料(原位金属基复合材料，in situ metal matrix composites，简称in situ MMCs)得到了迅速的发展。所谓原位合成金属基复合材料，指的是通过物质间的化学反应(化合反应、氧化还原反应等)在金属基体内(固态或液态)生成与基体不同的增强相，从而达到改善基体某些性能的目的。这种制备原位金属基复合材料的方法是与外加复合方法相对应的。外加复合方法中的外加相需单独合成，在随后的工艺过程中加入到基体中，比如用渗透法，粉末冶金法等。而原位复合法中的增强相是在制备过程中于基体内生成的。一般而言，原位复合工艺可以产生多种形态的增强体(从连续的到非连续的增强体)，而且增强体既可以是塑性相也可以是陶瓷相。对于金属基体而言，目前研究的重点主要是陶瓷增强相，包括氧化物、碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，目的是为了强化基体，提高模量。
最早的原位合成复合材料技术来源于高温自蔓延合成技术(self-propagationhigh-temperature synthesis，SHS)。在SHS技术的启发下，美国的Martin Marietta实验室随后开发了XDTM(Exothermic dispersion，XD)技术，Lanxide公司发明了DIMOXTM(Directed metal oxidation，DIMOX)技术。此后，各国纷纷开展了原位合成复合材料的研究。通过在复合材料制备的各个环节引入原位合成技术，并且大胆地将各种方法裁剪嫁接，导致各种新颖的方法相继出现。
根据增强相形成时反应物的状态不同，制备原位金属基复合材料的方法通常可分为液态法和固态法两大类。前者主要包括反应热压、反应烧结、SHS法和XDTM法等。后者主要包括DIMOXTM法、反应气体注入法、合金液混合反应法、反应喷射沉积法、混合盐反应法等。这些方法各有其优缺点。比如，SHS法具有如下优点(1)仅需一引燃热源，反应就能自发地维持下去。因此该法耗能少，生产效率高；(2)在某些高放热体系中，可以达到常规加热方法达不到的高温(3000～4000℃)，这对合成高温材料十分有利。XDTM法的优点体现在(1)增强相颗粒在基体内分布均匀，颗粒与基体界面干净，结合很好；(2)增强相颗粒的体积分数可以通过原位反应参数加以调整；(3)增强相颗粒由于是通过高温放热反应生成的，因而在随后的加工和高温使用环境中都保持高度的稳定性。DIMOXTM法的优点在于(1)采用价廉量广的铝，氧化气氛为空气，加热炉可选用普通电炉，因而成本低廉。(2)Al2O3是在压坯中生长的，而压坯的尺寸变化均在10％以下，因此几乎不必进行后续加工；(3)可制成形状复杂和较大型的复合材料部件；(4)调节工艺参数，使产品中保留一定量的Al，可以提高产品的韧性。然而，这些方法普遍存在的问题是反应生成所需增强相的同时会带来不必要的副产物，它们容易在凝固过程中发生偏析而分布在晶粒边界上，恶化材料的性能。
采用氧化物等廉价原材料获得原位增强颗粒，有利于降低复合材料的制备成本。利用金属氧化物被Al还原发生的放热反应(铝热反应)制备Al2O3颗粒增强金属基复合材料已经引起国内外研究者的重视。被研究的原位铝热反应中所用的氧化物包括Fe2O3、SiO2、ZnO、TiO2、Ni2O3、MnO2、CuO、SnO2等。
中国科学院固体物理所的陈刚、朱震刚等人(陈刚，朱震刚，孙国雄，金属学报，34(5)(1998)531)研究了CuO和Al之间的反应机理，他们分别在空气和纯Al介质的条件下将CuO和Al粉混合物压成坯，在不同温度加热10分钟和30分钟，结果发现反应存在着中间过渡产物Cu2O。
日本名古屋大学小桥真等人(小桥真，轻金属，42(1992)138)，利用自由能高于Al2O3的一些氧化物，如CuO，SnO2，ZnO，Cr2O3等，将其中一种氧化物(MeO)搅拌到铝合金熔液中，获得了Al2O3/Al复合材料。
印度铸锻研究所的P.C.Maity等人(M.C.Maity，P.N.Chakraborty，S.C.Panigrahi，J.Mater.Sci.Letts，16(1997)1224)向铝熔体中添加Fe2O3颗粒，生成的Al2O3颗粒尺寸在0.5-1μm。X射线衍射研究表明，Fe被置换出来以后形成了含Fe的金属间化合物。
往金属熔体中直接加入粉末虽然工艺简单，但不足之处是增强体数量难以控制，尤其当粉末与金属熔体润湿性不良时更为严重。为了解决这一难题，本发明人采用将元素粉末预先压制成块，然后压入金属熔体之中，也制备出了原位复合材料(B.Yang，F.Wang，J.S.Zhang，Acta Materialia，2003，51(17)4977-4989，Bin Yang，Guoxiang Chen，Jishan Zhang，Materials & Design 22(8)(2001)645)。这种利用粉末预制块压入金属熔体之中，原位合成所需增强相的技术称之为熔铸-原位反应合成技术。
图1示出的是发明人应用Al+CuO原位反应物获得的5％Al2O3/Al-10Cu(wt.％)复合材料的微观组织照片。可以看出，为了获得5wt.％Al2O3体中带来了约10wt.％的Cu。而且，为了进一步提高Al2O3颗粒的数量，将会有更多的Cu产出。它们以脆性网状化合物的形式聚集在晶粒的边界，这种组织极大地损害了复合材料的性能。为了减少、消除这种(些)不必要的过剩甚至是有害的元素，本发明将基体铝或铝合金换成铜，实现了预制块在铜熔体中原位反应产生Al2O3增强相的同时对基体进行强化的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种原位α-Al2O3颗粒强化铜基复合材料的制备方法，可使基体合金的熔炼与增强相的生成同步进行，明显缩短复合材料制备工艺流程、降低铜基复合材料的制造成本，可广泛用于要求高强高导电的电子和电工技术等领域。
本发明的工艺过程包括制备预制块和熔制铜基复合材料两个阶段。
1、预制块的制备按反应式配比原材料。式中Al、CuO均为粉末状，粒度范围为10～100μm，纯度大于96.0重量％。将Al、CuO原材料按化学计量比放入混料机中混合均匀，再将混合均匀的原料在10～30℃下压制成型，压力范围为25～40MPa；2、熔制铜基复合材料将适量的纯度大于99.0重量％的基体材料Cu放入中频感应炉中加热，加热温度为铜熔点以上50～150℃；再将占熔体1～10重量％的预制块压入该熔体中，保温1～30分钟。浇入金属型或砂型中成型，也可以利用挤压等方法成型，获得原位反应α-Al2O3颗粒增强铜基复合材料料。
本发明与目前普遍采用的原位合成金属基复合材料技术相比具有如下显著的优点1、增强颗粒利用率高，颗粒在合金基体中分布均匀。
2、工艺简便，成本相对低廉，易于实现工业化。本发明可使基体合金的熔炼和颗粒的生成以及金属基复合材料的制备同步进行，因而明显缩短了复合材料的制备工艺流程、降低了材料的制备成本，易于实现工业化。
3、可反复沿用铸造合金中的精炼和变质处理技术，提高复合材料的综合性能。我们已有的研究表明，熔铸-原位合成Al2O3颗粒强化金属基复合材料中的颗粒细小(平均直径小于0.5μm)，颗粒不易随基体合金中的气泡上浮而带至熔液表面，因而母合金熔体可反复沿用铸造合金中的精炼和变质处理技术，以提高复合材料的综合性能。
图1为本发明中的5(重量％)Al2O3/Al-10(重量％)Cu复合材料的组织扫描照片。
图2为本发明中的原位α-Al2O3颗粒增强铜基复合材料的组织扫描照片。
具体实施例方式
实施例1制备3重量％Al2O3/铜复合材料。按Al∶CuO＝9∶35(重量％)的比例称取纯度分别为96％和98％，粒度为75μm的Al粉和CuO粉，将其混合均匀。在压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块，压制压力为26MPa。将2公斤纯铜放入中频感应炉中熔化，并加热至1160℃。用石墨钟罩将0.16公斤的预制块压入铜液中，保温15分钟。熔体温度1150℃时，浇入金属型中，得到约3重量％Al2O3/铜复合材料。
实施例2制备6重量％Al2O3/铜复合材料。按Al∶CuO＝9∶39(重量％)的比例称取纯度分别为96％和98％，粒度为75μm的Al粉和CuO粉，将其混合均匀。在压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块，压制压力为33MPa。将2公斤纯铜放入中频感应炉中熔化，并加热至1170℃。用石墨钟罩将0.32公斤的预制块压入铜液中，保温20分钟。熔体温度1160℃时，浇入金属型中，得到约6重量％Al2O3/铜复合材料。
实施例3制备9重量％Al2O3/铜复合材料。按Al∶CuO＝9∶37(重量％)的比例称取纯度分别为96％和98％，粒度为75μm的Al粉和CuO粉，将其混合均匀。在压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块，压制压力为37MPa。将2公斤纯铜放入中频感应炉中熔化，并加热至1200℃。用石墨钟罩将0.48公斤的预制块压入铜液中，保温25分钟。熔体温度1170℃时，浇入砂型中，得到约9重量％Al2O3/铜复合材料。
权利要求
1.一种熔铸-原位合成α-Al2O3颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于工艺过程包括a、预制块的制备按反应式配比原材料，式中Al、CuO均为粉末状，粒度范围为10～100μm，纯度大于96.0重量％。将Al、CuO原材料按化学计量比放入混料机中混合均匀，再将混合均匀的原料在10～30℃下压制成型，压力范围为25～40MPa；b、熔制铜基复合材料将纯度大于99.0重量％的基体材料Cu放入中频感应炉中加热，加热温度为铜熔点以上50～150℃；再将占熔体1～10重量％的预制块压入该熔体中，保温1～30分钟；浇入金属型或砂型中，获得原位反应α-Al2O3颗粒增强铜基复合材料料。
全文摘要
本发明提供了一种熔铸－原位合成α－Al
文档编号B22D23/04GK1782111SQ20051008672
公开日2006年6月7日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者崔华, 杨滨, 张济山, 孙淼, 黄赞军 申请人:北京科技大学