一种制备局部增强铝基复合材料的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备局部增强铝基复合材料的方法，属于金属基复合材料制备【技术领域】。以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料；包括以下步骤：1Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-Ti-C混合粉末，将Al-Ti-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；2、将Al-Ti-C混合粉末压制成预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具中预热至500℃；3、将纯Al块通过坩埚电阻炉熔炼至940℃，然后，快速浇入石墨模具中，引燃预制坯块，发生合成反应，得到局部增强铝基复合材料。本发明具有反应迅速、工艺简单、节能高效、填充性好、基体与增强颗粒联接程度高等特点，且增强相TiC颗粒不受氧等杂质污染，可应用在仅需局部增强部位的复合材料领域，从而节省昂贵的增强相。
【专利说明】一种制备局部增强铝基复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备局部增强铝基复合材料的方法，属于金属基复合材料制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，铝基复合材料被广泛地应用在航空航天、汽车交通和电子元器件等【技术领域】，其增强相主要是以SiC、TiC、Al203等陶瓷颗粒为主的整体增强颗粒。一方面，这些整体增强颗粒在型腔内反应剧烈、难于控制；另一方面，这些整体增强颗粒虽有利于提高复合耐磨器件的整体耐磨性能，但却降低了复合耐磨件的整体韧性，而且，使得不需要增强体的部位也出现了增强颗粒，从而导致增强相的浪费，提高了铝基复合耐磨件的生产成本、降低了其整体性能、限制了其应用范围。
[0003]碳化钛(TiC)的化学和物理性质稳定，具有极高的熔点、硬度和强度，以及优异的耐磨、耐蚀性和导电性能，是一种极具潜力的以抗磨料磨损为应用的颗粒增强金属基复合材料的硬质相，主要用来制备金属陶瓷、耐热合金和硬质合金，并广泛用于耐磨材料、切削刀具、磨料模具、熔炼金属坩埚以及粉末冶金等领域。传统的TiC制备采用的是碳热还原法，该方法是将Ti或TiO2与C的混合物置于真空的石墨管式炉内加热，在2200°C以上的高温下进行碳化，存在装置复杂、反应时间长、能耗高、产品含碳量低及纯度低等不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种制备局部增强铝基复合材料的方法，其工艺简单、成体低廉，且制备的铝基复合材料的增强颗粒局部定位灵活方便。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种制备局部增强铝基复合材料的方法，以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料；其特征在于:包括以下步骤:
1、将Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-T1-C混合粉末；所述Al-T1-C混合粉末中，Al粉的重量百分比含量为20 wt.%-40 wt.%、Ti粉+石墨粉的重量百分比含量为60 wt.%-80wt.%，Ti粉与石墨粉的摩尔比为I ;
2、将Al-T1-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；然后，将混合均匀的Al-T1-C混合粉末压制成预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具中预热至500°C ；
3、将纯Al块通过坩埚电阻炉熔炼至940°C，然后，将高温纯Al液快速浇入石墨模具中，利用高温纯Al液的强大热量来引燃预制坯块，发生合成反应，得到具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料。
[0006]进一步地说:
所述的原料中，Ti粉的纯度为98%，平均粒度为40 μ m。
[0007]所述的原料中，石墨粉的纯度> 99.9%，平均粒度为30 μ m。
[0008]所述的原料中，Al粉的纯度〉99%，平均粒度为40 μ m ;所述Al-T1-C混合粉末中Al粉的重量百分比含量为20 wt.%、30 wt.%或者40 wt.%。
[0009]所述预制还块为圆柱体形状的压块,直径为20 mm,厚度为15 mm,相对密度为65 ±3%。
[0010]所述步骤3中，纯Al块在坩埚电阻炉中熔炼，并用Ar气除渣除气。
[0011]所述步骤2中，预制坯块放入石墨模具中，预制坯块与石墨模具共同预热至500。。。
[0012]有益效果:本发明利用预制坯块的方法，使TiC颗粒的原位形成与铸件成型一次完成，能有效提高Al基复合材料的局部耐磨性和整体韧性，避免了外加颗粒法和整体增强法制备颗粒增强复合材料的缺点，节省了能源。本发明具有反应迅速、工艺简单、节能高效、填充性好、基体与增强颗粒联接程度高等特点，且增强相TiC颗粒不受氧等杂质污染，可应用在仅需局部增强部位的复合材料领域，从而节省昂贵的增强相。
[0013]【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明中所述石墨模具的结构示意图。
[0014]图中:1_石墨模具体；2-高温纯Al液浇入口 ；3-高温纯Al液填充室；4_模具紧固铁框；5_预制配块；6_石英砂；7_透气孔；8_钨铼热电偶。
【具体实施方式】
[0015]以下参考具体实施例，对本发明做进一步的说明。
[0016]实施例1:
本实施例所述的制备局部增强铝基复合材料的方法，以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料，包括以下步骤:
1、将Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-T1-C混合粉末；所述Al-T1-C混合粉末中，Al粉的重量百分比含量为20 wt.%、Ti粉+石墨粉的重量百分比含量为80 wt.%，Ti粉与石墨粉的摩尔比为I ;其中:所述Ti粉的纯度为98%，平均粒度为40 μ m ;所述石墨粉的纯度>99.9%，平均粒度为30 μ m ;所述Al粉的纯度> 99%，平均粒度为40 μ m ;
2、将Al-T1-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；然后，将混合均匀的Al-T1-C混合粉末压制成直径为20 mm、厚度为15 mm、相对密度为65±3%的圆柱状预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具(如图1所示)中，预制坯块与石墨模具共同预热至500°C ；
3、将500g纯Al块放在坩埚电阻炉中熔炼，用Ar气除渣除气后，升温至940°C;然后，将高温纯Al液快速浇入石墨模具中，约19秒后，高温纯Al液的强大热量引燃预制坯块，发生剧烈的合成反应，并放出大量的热量；整个反应迅速而激烈，同时高温纯Al液在反应产物间快速浸渗、扩散和填充，并与反应生成的TiC颗粒紧密结合，得到具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料。
[0017]所述局部增强铝基复合材料经抛光腐蚀后用XRD衍射仪(型号D/Max 2500PC)进行物相鉴定，XRD鉴定结果表明该局部增强区合成产物的主晶相为TiC和Al。
[0018]所述局部增强铝基复合材料的组织形貌观察使用场发射扫描电镜FE-SEM (型号Sirion 200)，组织形貌观察结果表明局部增强区合成的TiC颗粒的平均粒度约为800 nm,形态完整，且与基体相结合紧密、与熔体区过渡自然。
[0019]实施例2: 本实施例所述的制备局部增强铝基复合材料的方法，以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料，包括以下步骤:
1、将Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-T1-C混合粉末；所述Al-T1-C混合粉末中，Al粉的重量百分比含量为30 wt.%、Ti粉+石墨粉的重量百分比含量为70 wt.%，Ti粉与石墨粉的摩尔比为I ;其中:所述Ti粉的纯度为98%，平均粒度为40 μ m ;所述石墨粉的纯度>99.9%，平均粒度为30 μ m ;所述Al粉的纯度> 99%，平均粒度为40 μ m ;
2、将Al-T1-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；然后，将混合均匀的Al-T1-C混合粉末压制成直径为20 mm、厚度为15 mm、相对密度为65±3%的圆柱状预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具(如图1所示)中，预制坯块与石墨模具共同预热至500°C ；
3、将500g纯Al块放在坩埚电阻炉中熔炼，用Ar气除渣除气后，升温至940°C;然后，将高温纯Al液快速浇入石墨模具中，约25秒后，高温纯Al液的强大热量引燃预制坯块，发生剧烈的合成反应，并放出大量的热量；整个反应迅速而激烈，同时高温纯Al液在反应产物间快速浸渗、扩散和填充，并与反应生成的TiC颗粒紧密结合，得到具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料。
[0020]所述局部增强铝基复合材料经抛光腐蚀后用XRD衍射仪(型号D/Max 2500PC)进行物相鉴定，XRD鉴定结果表明该局部增强区合成产物的主晶相为TiC和Al。
[0021]所述局部增强铝基复合材料的组织形貌观察使用场发射扫描电镜FE-SEM (型号Sirion 200)，组织形貌观察结果表明局部增强区合成的TiC颗粒的平均粒度约为600 nm,形态完整，且与基体相结合紧密、与熔体区过渡自然。
[0022]实施例3:
本实施例所述的制备局部增强铝基复合材料的方法，以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料，包括以下步骤:
1、将Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-T1-C混合粉末；所述Al-T1-C混合粉末中，Al粉的重量百分比含量为40 wt.%、Ti粉+石墨粉的重量百分比含量为60 wt.%，Ti粉与石墨粉的摩尔比为I ;其中:所述Ti粉的纯度为98%，平均粒度为40 μ m ;所述石墨粉的纯度>99.9%，平均粒度为30 μ m ;所述Al粉的纯度> 99%，平均粒度为40 μ m ;
2、将Al-T1-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；然后，将混合均匀的Al-T1-C混合粉末压制成直径为20 mm、厚度为15 mm、相对密度为65±3%的圆柱状预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具(如图1所示)中，预制坯块与石墨模具共同预热至500°C ；
3、将500g纯Al块放在坩埚电阻炉中熔炼，用Ar气除渣除气后，升温至940°C;然后，将高温纯Al液快速浇入石墨模具中，约28秒后，高温纯Al液的强大热量引燃预制坯块，发生剧烈的合成反应，并放出大量的热量；整个反应迅速而激烈，同时高温纯Al液在反应产物间快速浸渗、扩散和填充，并与反应生成的TiC颗粒紧密结合，得到具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料。
[0023]所述局部增强铝基复合材料经抛光腐蚀后用XRD衍射仪(型号D/Max 2500PC)进行物相鉴定，XRD鉴定结果表明该局部增强区合成产物的主晶相为TiC和Al，另外还有微量的Al3Ti相。
[0024]所述局部增强铝基复合材料的组织形貌观察使用场发射扫描电镜FE-SEM (型号Sirion 200)，组织形貌观察结果表明局部增强区合成的TiC颗粒的平均粒度约为200-300nm,形态完整，且与基体相结合紧密、与熔体区过渡自然。
[0025]本发明中，石墨模具、预热温度和高温纯Al液浇注温度对诱发Al-T1-C混合粉末压制成的预制坯块反应生成TiC颗粒极为重要，另外，添加剂Al粉对Al-T1-C混合粉末坯块的反应合成TiC颗粒也起着至关重要的作用。一方面，反应时预制坯块中较低温度液相Al (熔点约660°C)的较早较易出现，为粉末间的相互扩散提供了更便易的通道，大量T1、C粉能溶于Al液相中，并迅速而充分扩散与铺展，使得相互接触表面积提高，从而在瞬间诱发剧烈的化学放热反应，生成稳定的TiC颗粒。另一方面，预制坯块中的添加剂Al粉在反应过程中起到了稀释剂作用，降低了反应温度，从而极大地抑制了所生成TiC晶粒的生长与粗化。另外，浇注的高温纯Al液的温度较高，使其有充分的传热时间而引发预制坯块发生合成TiC增强颗粒的原位反应，并能在反应过程中充分地浸渗填充到反应产物中，从而最终生成过渡自然、结合紧密的具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料，从而避免了复合材料的整体增强，节省了较昂贵的增强相。
【权利要求】
1.一种制备局部增强招基复合材料的方法，以Al粉、Ti粉、石墨粉和纯Al块为原料；其特征在于:包括以下步骤: (1)将Al粉、Ti粉、石墨粉配制成Al-T1-C混合粉末；所述Al-T1-C混合粉末中，Al粉的重量百分比含量为20 wt.%-40 wt.%、Ti粉+石墨粉的重量百分比含量为60 wt.%-80wt.%，Ti粉与石墨粉的摩尔比为I ; (2)将Al-T1-C混合粉末进行球磨，使其混合均匀；然后，将混合均匀的Al-T1-C混合粉末压制成预制坯块，将该预制坯块放入石墨模具中预热至500°C ； (3)将纯Al块通过坩埚电阻炉熔炼至940°C，然后，将高温纯Al液快速浇入石墨模具中，利用高温纯Al液的强大热量来引燃预制坯块，发生合成反应，得到具有局部TiC增强颗粒的局部增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述的原料中，Ti粉的纯度为98%，平均粒度为40 μ m。
3.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述的原料中，石墨粉的纯度> 99.9%，平均粒度为30 μ m。
4.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述的原料中，Al粉的纯度> 99%，平均粒度为40 μ m ;所述Al-T1-C混合粉末中Al粉的重量百分比含量为 20 wt.%、30 wt.% 或者 40 wt.%。
5.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述预制坯块为圆柱体形状的压块，直径为20 mm，厚度为15 mm，相对密度为65±3%。
6.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述步骤(3)中，纯Al块在坩埚电阻炉中熔炼，并用Ar气除渣除气。
7.根据权利要求1所述制备局部增强铝基复合材料的方法，其特征在于:所述步骤(2)中，预制坯块放入石墨模具中，预制坯块与石墨模具共同预热至500°C。
【文档编号】B22D19/14GK103831421SQ201410115816
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】宋谋胜, 冷森林, 张 杰, 田昌海, 龙禹 申请人:铜仁学院