本发明属金属材料领域，特别涉及一种铝基纳米碳氮化钛(TiNC)晶种合金及其制备方法。
背景技术：
TiNC是一种介于TiN和TiC之间的三元化合物，具有面心立方NaCl型点阵结构，兼具TiN和TiC的优点，在铝熔体中的结构稳定性均高于前两者，其密度为5.08g/cm3，是一种典型的非氧化物陶瓷材料，它具有高熔点、高硬度、耐腐蚀好、耐磨性好以及良好的抗氧化性等优点。与此同时，TiNC又是热、电的良导体，所以TiNC被广泛地应用于汽车制造、机械化工、航空航天等领域。TiNC具有非化学计量的特点，随N含量变化，会表现出不同的性质。例如：TiN的硬度比TiC的低，热导率比TiC的高，随着TiNC中N含量的增加，TiNC表现出硬度下降，热导率升高的趋势。针对TiNC，研究者们侧重于利用其耐磨性、耐蚀性等特点，因此应用最多的还是TiNC基金属陶瓷刀具。但对TiNC的高熔点及其高温稳定性的研究极少。
目前，制备TiNC中间合金主要是通过外加法。例如：
文献1(王昶明.Al–Ti–CN中间合金的研制[J].食品科学技术学报,2007,25(3):30–32)报道了在铝熔体中加入TiNC粒子细化铝合金晶粒的方法，但外加法不能很好地解决TiNC粒子与铝熔体之间的浸润性难题，导致TiNC粒子发生团聚或游离出铝熔体。本发明采用原位合成法，其基本原理是：控制反应条件，借助石墨烯使氮化钛在铝熔体中发生转变或演变，从而在铝基体内原位生成纳米TiNC粒子。通过这种方法制备的复合材料，增强体表面无污染，铝熔体与增强体的润湿性良好，界面结合强度较高。同时，不像其它复合材料，省去了繁琐的增强体预处理工序，简化了制备工艺。
文献2(张萍.N掺杂型TiCx形核剂的研制及其对铝合金相关性能的影响[D].山东大学,2014.)报道了采用不同的氮源制备掺杂微量N原子的TiCx粒子，实质是利用TiCx晶体结构中存在的C空位，让N原子在TiCx上进行痕量修饰，但其本质还是TiCx。这与本发明利用原位合成法合成的TiNC有着本质的区别。
公开号为CN101514493A的中国专利公开了一种原位生长碳氮化钛系晶须材料及制备方法，采用TiO2 36.4％～38.5％；C 11.5％～16.4％；NaCl 22.7％～24.0％；KCl 22.7％～24.0％；NiCl 1.8％～2.0％，将按比例的碳氮化钛晶须先驱体混料装入缸式球磨机中，用氧化铝球磨机12h和100目筛过后，装入石墨容器，升温速率50℃/min、N2流速0.1～0.4Nm3/h、温度1250℃～1500℃、保温60min～120min合成。虽然该专利也采用了原位合成的方法，但该反应体系涉及一种陶瓷材料，反应产物是碳氮化钛系晶须材料，与本申请专利铝基晶种合金有根本区别。
公开号为CN103787407A的中国专利公开了一种反应球磨法制备纳米TiCN/Al2O3复合粉末的方法，采用金红石粉、铝粉、石墨粉以及尿素(分析纯)按摩尔比3:4:2.7:0.15混合后与磨球一起装入球磨罐中，球料比为20～30:1，在高能球磨机中进行球磨，球磨时间为40～80h。虽然该专利也采用原位合成的方法，但该反应体系涉及一种复合粉末，反应产物也是TiCN/Al2O3复合粒子。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铝基纳米碳氮化钛晶种合金及其简便高效的原位合成制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种铝基纳米碳氮化钛晶种合金，其特征是：铝基体中含有弥散分布的原位自生纳米级TiNC；TiNC的质量百分比为5.0～10.0，尺寸为20nm～300nm；TiNC作为一种第二相强化及晶种粒子，起到强化铝基体和细化铝晶粒的双重作用。
一种铝基纳米碳氮化钛晶种合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)按以下质量百分比准备所需原料：尺寸≤50μm的铝粉90.00～95.00、尺寸≤1μm的氮化钛粉4.50～8.50、石墨烯0.50～1.50；
(2)将步骤(1)中的铝粉、氮化钛粉、石墨烯干燥后混料、除气包套，在真空加热炉(真空度1×10–3～5×10–3Pa)中加热至700～900℃，熔体反应1～3h，获得一种铝基纳米TiNC晶种合金。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
(1)TiNC增强颗粒是原位自生的，纯度高，表面洁净无污染，与铝熔体润湿性好，界面结合强度高。同时TiNC又是一种很好的第二相强化粒子，能有效阻碍位错的运动，运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过程要消耗额外的能量，需要提高外加应力。
(2)本发明利用了TiC与TiN晶格很相近的特点，通过C原子渐进式掺杂具有非化学计量比特性的TiN，使反应可在较低温度下进行，降低了反应能耗，具有良好的工业应用前景。
(3)通过调节TiN和C的比例、反应温度、保温时间可以调控C/N比和TiNC粒径。
(4)制备方法绿色、环保、安全、经济、便捷，原料利用率高。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例。
实施例1
(1)按以下质量百分比准备好所需原料：铝粉(尺寸≤50μm)90.50、氮化钛粉(尺寸≤1μm)8.00、石墨烯1.50。
(2)将上述铝粉、氮化钛粉、石墨烯干燥后混料6h再进行除气包套，在真空加热炉(真空度1×10–3～5×10–3Pa)中900℃熔体反应1h，获得原位自生纳米级TiNC晶种合金。其具体成分(质量百分比)为：Al–10TiN0.7C0.3，TiNC尺寸为20nm～300nm。
实施例2
(1)按以下质量百分比准备好所需原料：铝粉(尺寸≤50μm)92.45、氮化钛粉(尺寸≤1μm)6.50、石墨烯1.05。
(2)将上述铝粉、氮化钛粉、石墨烯干燥后混料6h再进行除气包套，在真空加热炉(真空度1×10–3～5×10–3Pa)中800℃熔体反应2h，获得原位自生纳米级TiNC晶种合金。其具体成分(质量百分比)为：Al–5TiN0.75C0.25，TiNC尺寸为20nm～200nm。
实施例3
(1)按以下质量百分比准备好所需原料：铝粉(尺寸≤50μm)95.00、氮化钛粉(尺寸≤1μm)4.50、石墨烯0.50。
(2)将上述铝粉、氮化钛粉、石墨烯干燥后混料6h再进行除气包套，在真空加热炉(真空度1×10–3～5×10–3Pa)中700℃熔体反应3h，获得原位自生纳米级TiNC晶种合金。其具体成分(质量百分比)为：Al–5TiN0.8C0.2，TiNC尺寸为20nm～150nm。