专利名称：原位制备TiB<sub>2</sub>颗粒增强镁基复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种复合材料技术领域的制备方法，特别是一种原位制备 TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法。
背景技术：
镁基复合材料由于具有高的比强度，比模量以及良好的耐磨性能，耐高温性 能和阻尼性能，在航空航天，汽车工业具有潜在的应用前景和广阔的市场。镁,基 复合材料的前期研究工作主要集中于外加法制备的镁基复合材料，但是由于增强 体与基体合金之间润湿性较差，增强相与基体界面热力学上不稳定，同时再加上 二者的比重差异而导致复合材料制备过程中颗粒容易偏聚和聚集，进一步导致镁 基复合材料的制备困难，工艺复杂，复合材料的性能与预期的性能无法相比。采 用原位制备颗粒增强镁基复合材料可解决外加法所产生的界面反应，润湿性差和 强化效果有限等问题。因此近年来原位镁基复合材料的研究倍受重视。许多研究 者已经开始了这方面的探索。但相对于外加镁基复合材料和原位铝基、钛基复合 材料的发展，原位自生镁基复合材料的研究和开发刚刚开始，相关的研究、报道 还不够，还要做大量的工作。原位镁基复合材料所面临的迫切解决的首要问题就 是制备工艺的进一步.完善。考虑到镁的易反应性，易燃烧，易腐蚀，镁基体与增 强体的浸润性的限制，镁基复合材料的本质特点限制了工艺手段的选择。原位制 备技术发展到现在，巳有十多种方法，但能在镁基复合材料中应用的却很有限。
经对现有技术的文献检索发现，围绕镁基复合材料的制备方法，有不少文献 报道，如中国专利申请号03116169.3，名称为"混合盐法制备原位增强镁基 复合材料工艺"。该专利的技术特点在于将混合盐直接加入镁熔体后，进行搅拌 浇注，得到原位镁基复合材料。但是镁在高温下容易燃烧，混合盐直接加入镁熔 体中，对反应气氛，反应温度有着严格的要求，在实际生产中不易控制，所以上 述原位增强镁基复合材料工艺存在一定的局限。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种原位制备TiB2颗粒增强镁基 复合材料的方法，使其采用传统铸造法制备原位生成颗粒增强镁基复合材料，省 去了增强相单独合成、处理和加入等程序，从而具有工艺简单、制备成本低等优 占。
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本发明是通过以下技术方案实现的，采用铸造法制备TiB2颗粒增强镁基复 合材料，通过把混合盐反应法原位生成的TiB2-Al中间合金，加入熔融镁液中并 使用搅拌浇注而成。工艺简单易行，生成的增强相稳定，不含中间相，工艺过程 包括中间合金的制备和增强颗粒在镁合金基体中的溶解扩散及弥散分布。
本发明包括以下步骤
(1) 将KJiFe， KBR和Na3AlFe粉末混合均匀，放入烘干炉中烘干，得到无
水粉末；
(2) 在电阻炉中将A1锭熔化，并保温均匀化；
(3) 将步骤(1)中经过烘干的无水粉末分批加入步骤(2)中得到熔融A1 熔体液面上，并用石墨圆盘搅拌，搅拌结束后静置，除去熔体表面的浮渣，得到 的TiB厂Al中间合金；
(4) 镁合金在SF6和C(V混合气体的保护下熔炼，并加入阻燃元素铍以防止 镁燃烧；
(5) 将步骤(3)中得到的TiB2-Al中间合金缓慢加入到步骤(4)中得到 的镁合金熔液中，搅拌，静置，浇注。
步骤(1)中，所述的K2TiFe禾卩KBF4按Ti: B化学计量配比1: 2混合，Na3AlF6 含量为添加K2TiF6、 KBF4和Na3AlFe粉末总重量的5%-20%，粉末的烘干温度和时 间为100°C-250°C， l小时-5小时。
步骤(2)中，所述的A1锭加热熔化温度为70(TC-85(TC，保温均匀化时间 为IO分钟-30分钟。
步骤(3)中，所述的用石墨圆盘搅拌，其搅拌速度范围在200 r/min -lOOOr/min,搅拌时间为10分钟-60分钟，待搅拌停止后，静置时间为10分钟 -30分钟。
步骤(4)中，所述的镁合金熔炼温度为70(TC-85(TC。
步骤(5)中，所述的搅拌转速为200 r/min -1000r/min，搅拌时间为10 分钟-60分钟，静置时间为5分钟-30分钟。
本发明先在铝中通过M合盐法原位生成TiB2-Al中间合金，再将熔融的 TiB2-Al中间合金加入熔融态的镁中，得到TiB2/Mg复合材料。TiB2颗粒在TiB2-Al 中间合金中是纯净的且表面覆盖有铝，所以使得TiB2颗粒能在镁合金中有良好 的润湿性。TiB2颗粒可以很容易的通过TiBHVl中间合金熔入镁合金并均匀的分 布在基体中。
与目前己有的技术相比，本发^采用铸造法制备原位生成颗粒增强TiB2/Mg 复合材料，克服了外加增强颗粒表面易氧化污染，与基体的润湿性差以及颗粒粗 大且分布不均匀，易偏聚在晶界等问题，从而具有工艺简单、制备成本低等优点。 由于TiB2增强颗粒是经混合盐反应在金属铝中反应生成的，与基体润湿性好， 充分搅拌后在基体中分布均匀，增强相颗粒细小，增强效果显著，界面结合良好， 工艺简单，易于控制，因此原位生成颗粒增强TiB2/Mg复合材料具有轻质高强的 特点。TiB2/Mg复合材料密度在1.8-2.0g/cm3之间，其抗拉强度比基体合金增加 了 60%以上。本发明为镁基复合材料的原位制备实现多体系、多工艺提供了一个 有效方法。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例1
制取4volXTiB2增强镁基复合材料
将粉末KJiF6和KBF4以及冰晶石Na3AlFe混合均匀。两种盐KJiF^tl KBF4 依Ti:B的化学计量比h 2混合，冰晶石Na3AlFe含量为粉末总量的5wt《，混合 后在25(TC预热1小时。金属铝锭加热至85(TC左右熔化，并保温均匀化10分钟。 混合粉末被加入熔融的铝中并以200r/min的速度搅拌，搅拌时间为60分钟。搅 拌停止以后，静置20分钟，除渣，得到TiB2-Al中间合金。镁合金在混合气体 SR和C02的保护下在80(TC熔炼。在镁合金融化以后，TiB2-Al中间合金被缓慢 加入的镁合金中。实施搅拌，搅拌转速为200r/min，搅拌时间30分钟。搅拌 以后，静置5分钟，浇注成型。得到4vol%TiB2/Mg复合材料，其抗拉强度为 300MPa。
实施例2，
制取2volXTiB2增强镁基复合材料
将K2TiF6fQ KBF4以及冰晶石Na3AlFe粉末混合均匀。两种盐K2TiF^n KBF4依 Ti:B的化学计量比l: 2混合，冰晶石Na3AlFe含量为粉末总量的20wty。，混合后 在IO(TC预热5小时。Al锭加热至80(TC左右熔化，并保温均匀化30分钟。混 合粉末被加入熔融的铝中并不断搅拌。搅拌时间为10min，搅拌速度为1000rpm。 搅拌停止后，静置10分钟，除渣，得到TiB2-Al中间合金。镁合金在混合气体 SR和C02的保护下在70(TC熔炼。在镁合金融化以后，TiB2-Al中间合金被缓慢 加入不断搅动的镁合金中。搅拌IO分钟，搅拌速度为1000rpm。搅拌停止后， 静置60分钟，浇注。得到2volXTiB2/Mg复合材料，其抗拉强度290MPa。
实施例3
制取lvol^TiB2增强镁基复合材料
将K2TiFdn KBF4以及冰晶石Na3AlFe粉末混合均匀。两种盐K2TiF^n KBF4依 Ti:B的化学计量比l: 2混合，冰晶石Na3AlFe含量为混合粉末总量的10wt%，混 合后在20(TC预热3小时。Al锭加热至70(TC左右熔化，并保温均匀化.20分钟。 混合粉末被加入熔融的铝中并实施搅拌。搅拌时间为30min，搅拌速度为400rpm。 反应以后停止搅拌，静置30分钟，除渣，得到TiB2-Al中间合金。镁合金在混 合气体SF6和C02的保护下在85(TC熔炼。在镁合金融化以后，TiB2-Al中间合金 被缓慢加入熔融的镁合金中。搅拌60分钟，搅拌速度为600rpm。搅拌结束后， 静置10分钟，浇注。得到lvol%TiB2/Mg复合材料，其抗拉强度270MPa。
权利要求
1、一种原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将K2TiF6，KBF4和Na3AlF6粉末混合均匀，放入烘干炉中烘干，得到无水粉末，其中K2TiF6和KBF4按Ti∶B化学计量配比1∶2混合，Na3AlF6含量为添加K2TiF6、KBF4和Na3AlF6粉末总重量的5％-20％；(2)在电阻炉中将Al锭熔化，并保温均匀化；(3)将步骤(1)中经过烘干的无水粉末分批加入步骤(2)中得到熔融Al熔体液面上，并用石墨圆盘搅拌，搅拌结束后静置，除去熔体表面的浮渣，得到的TiB2-Al中间合金；(4)镁合金在SF6和CO2混合气体的保护下熔炼，并加入阻燃元素铍以防止镁燃烧；(5)将步骤(3)中得到的TiB2-Al中间合金缓慢加入到步骤(4)中得到的镁合金熔液中，搅拌，静置，浇注。
2. 根据权利要求l所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其 特征是步骤(1)中，所述的烘干，其温度为100°C-250°C，时间为1小时-5 小时。
3. 根据权利要求l所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其 特征是步骤(2)中，所述的Al锭加热熔化温度为70(rC-85(TC。
4. 根据权利要求1或3所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法， 其特征是步骤(2)中，所述的保温均匀化，其时间为10分钟-30分钟。
5. 根据权利要求l所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其 特征是步骤(3)中，所述的用石墨圆盘搅拌，其搅拌速度范围在200 r/min -1000r/min。
6. 根据权利要求1或5所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法， 其特征是步骤(3)中，所述的搅拌，其时间为10分钟-60分钟。
7. 根据权利要求1或5所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其特征是步骤(3)中，所述的静置，其时间为10分钟-30分钟。
8. 根据权利要求l所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其 特征是步骤(4)中，所述的镁合金熔炼温度为70(TC-850°C。
9. 根据权利要求l所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，其 特征是步骤(5)中，所述的搅拌，其转速为200 r/min -1000r/rain，搅拌时 间为10分钟-60分钟。
10. 根据权利要求1或9所述的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方 法，其特征是步骤(5)中，所述的静置，其时间为5分钟-30分钟。
全文摘要
一种复合材料技术领域的原位制备TiB<sub>2</sub>颗粒增强镁基复合材料的方法，步骤为将K<sub>2</sub>TiF<sub>6</sub>，KBF<sub>4</sub>和Na<sub>3</sub>AlF<sub>6</sub>粉末混合均匀，放入烘干炉中烘干，得到无水粉末，在电阻炉中将Al锭熔化，并保温均匀化；将经过烘干的无水粉末分批加入得到熔融Al熔体液面上，并用石墨圆盘搅拌，搅拌结束后静置，除去熔体表面的浮渣，得到TiB<sub>2</sub>-Al中间合金；镁合金在SF<sub>6</sub>和CO<sub>2</sub>混合气体的保护下熔炼，并加入阻燃元素铍；将TiB<sub>2</sub>-Al中间合金缓慢加入到得到的镁合金熔液中，搅拌，静置，浇注。本发明工艺相对简单，成本低，TiB<sub>2</sub>/Mg复合材料密度在1.8-2.0g/cm<sup>3</sup>之间，其抗拉强度比基体合金增加了60％以上。
文档编号C22C1/02GK101177742SQ20071004794
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者荻 张, 张从发, 玮 曹, 范同祥 申请人:上海交通大学