专利名称：一种弥散强化铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于铝基复合材料制备技术领域，特别是提供了一种纳米颗粒弥散强化铝基复合材料的制备方法。
背景技术：
铝基复合材料具有重量轻、比强度高、比模量高、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、尺寸稳定等优异的物理性能和力学性能，广泛应用于航空航天、军事国防以及交通运输、电子封装等领域。其中，弥散强化铝基复合材料具有成本低、制备工艺简单、性能更加突出等特点，已逐渐成为国内外铝基复合材料领域的研究热点。常用的弥散强化铝基复合材料制备技术有粉末冶金法和铸造法两种工艺。粉末冶金法的工艺设备复杂、成本偏高，不易制备大体积和形状复杂的零件，而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险。而铸造法工艺简单，操作方便，可以制备大体积的复合材料，设备投入少，生产成本低，生产率高，适宜工业化规模生产。传统的铝基复合材料是将增强颗粒外加到铝基体中，由于在铝基体中外加颗粒存在着增强颗粒与基体间润湿性差，界面反应难以控制，增强颗粒分布不均匀等缺陷，影响了铝基复合材料的性能。如何改善增强颗粒与基体间的润湿性，提高材料的界面性能，成为当前一个亟待解决的问题。高能超声法是一种将纳米颗粒分散到铝合金熔体中的有效方法。高能超声法的原理是利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等作用来促进纳米颗粒混入铝合金熔体，改善纳米颗粒与铝合金熔体间的润湿性，迫使纳米颗粒在铝合金熔体中均匀分散。高能超声法是一种工艺简便、成本低廉的弥散强化铝基复合材料的制备方法。但是，按照传统铸造工艺将单一增强颗粒外加到铝合金熔体中，在高能超声分散过程中大部分增强颗粒会浮在熔体表面或粘附于熔炼坩埚内壁，不易均匀分散进入整个铝合金熔体中。因此，最终获得的铝基复合材料中增强颗粒宏观上分散不均匀，性能一致性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的铝基复合材料中增强颗粒宏观上分散不均匀，性能一致性差的问题，提供一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，使其解决以往弥散强化铝基复合材料存在脆性相和材料分布不均匀的缺陷，纳米级Al2O3颗粒在基体中均匀分布，起到了弥散强化作用，使基体的强度和模量得到明显提高。一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，首先采用溶胶-凝胶法制备CuCVAl2O3纳米复合粉，使纳米Al2O3与CuO颗粒均勻混合，以保证纳米Al2O3颗粒后续充分分散进入招合金熔体内部，再采用高能超声法制备弥散强化铝基复合材料。具体方法包括以下内容:
1、溶胶-凝胶法制备CuCVAl2O3纳米复合粉
(1)以可溶性铜盐和硫酸铝铵(NH4Al (SO4)2)为原料，配制成0.1 25 mol/L的水溶液作为反应母液，配制一定浓度的碳酸氢铵(NH4HCO3)溶液作为沉淀剂，根据CuCVAl2O3中Al2O3含量确定铜盐和硫酸铝铵(NH4Al (SO4) 2)的量，依照NH4Al (SO4) 2与NH4HCO3的摩尔比为1:4及Cu2+与NH4HCO3的摩尔比为1:2确定NH4HCO3的量。
(2)将沉淀剂溶液加入反应母液中，同时向反应体系中加入0.5 1.0 mol/LNH3.H2O调节体系pH值始终保持中性，持续搅拌10 60 min后超声分散5 30 min得到水溶胶，搅拌速度为100 500 r/min，超声功率为100 1000 W。
(3)将上述所得水溶胶陈化10 24 h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶。在80 °C下将凝胶烘干后研磨成粉，在500 800 °C空气中煅烧60 120 min即得Cu0/A1203纳米复合粉。
2、闻能超声法制备弥散强化招基复合材料 (I)将工业纯铝或铝合金置于坩埚电阻炉中，升温至高于工业纯铝或铝合金熔点50 80 1:使其熔化，经过除气除渣处理后，获得干净的纯铝或铝合金熔体。
(2)继续升温至750 850 °C，将铝箔包裹的Cu0/A1203纳米复合粉用石墨套筒推入熔体内部，同时开启搅拌器，搅拌速度为500 1000 r/min，搅拌时间为10 30 min，获得复合熔体。
(4)高能超声处理复合熔体，频率为17 20 KHz，最大输出功率为I 2 KW，处理时间为5 30 min。
(5)将上述复合熔体降温至680 720 °C，浇注至250 300 1:预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化铝基复合材料。
步骤a (I)中所述Cu0/A1203纳米复合粉中Al2O3含量为IOwt.% 90 wt.%。
步骤a (I)中所述可溶性铜盐包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜中的任意一种或几种。
步骤b (I)中所述招合金可以是Al-S1、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn系中的任意一种或几种。
步骤b (2)中所述Cu0/A1203纳米复合粉的加入量为弥散强化铝基复合材料的0.2wt.% 2.0 wt.%。
步骤b (2)中所述Cu0/A1203纳米复合粉的加入方式为分批加入，均分成2 5等份。
与现有技术相比，本发明的优越性在于: (I)采用溶胶-凝胶法制备Cu0/A1203纳米复合粉,使纳米Al2O3与CuO颗粒均勻混合，一方面保证纳米Al2O3颗粒后续充分分散进入铝合金熔体内部，另一方面在纳米CuO与铝熔体发生铝热反应时，由于Al2O3颗粒的存在，对纳米CuO粉末起到一定的“固体稀释作用”，防止反应过程发生爆炸，铝热反应生成的Cu起到固溶强化作用，同时改善了 Al2O3颗粒与铝基体的界面润湿性，从而改善了复合材料的界面性能。
(2)利用石墨套筒将Cu0/A1203纳米复合粉推入熔体内部，解决了传统增强颗粒加入方式产生的增强颗粒浮在熔体表面或粘附于熔炼坩埚内壁的问题。
(3)在高能超声作用下，同时利用剧烈界面反应形成的翻滚扰动，实现界面反应生成的纳米Al2O3颗粒及Cu0/A1203纳米复合粉直接引入的纳米Al2O3颗粒在整个铝合金熔体中的弥散分布，强化效果进一步增强。
(4)采用本发明方法制备的铝基复合材料，具有高耐磨、高韧性的性能，应用前景广阔。
具体实施例方式实施实例I
(I)溶胶-凝胶法制备Cu0/A1203纳米复合粉:配制0.1 mol/L CuS04>l.4 mol/LNH4Al(SO4)2)的水溶液作为反应母液，配制5.8 mol/L NH4HCO3溶液作为沉淀剂，将500 ml沉淀剂溶液加入500 ml反应母液中，同时向反应体系中加入0.5 mol/L NH3 -H2O调节体系pH值始终保持中性，以100 r/min搅拌速度持续搅拌10 min后超声分散5 min，超声功率为100 W。将上述所得水溶胶陈化10 h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶。在80 °C下将凝胶烘干后研磨成粉，在500 °C空气中煅烧60 min即得CuCVAI2O3纳米复合粉，其中Al2O3含量为90wt.%。(2)高能超声法制备弥散强化铝基复合材料:将500 g工业纯铝置于坩埚电阻炉中，升温至710 1:使其熔化，经过除气除渣处理后，获得干净的纯铝熔体。继续升温至750°C，将10 g CuCVAl2O3纳米复合粉均分5份，铝箔包裹后用石墨套筒推入铝熔体内部，以1000 r/min搅拌速度搅拌10 min，获得复合铝熔体。之后对复合铝熔体施加频率20 KHz、最大输出功率I KW的超声处理30 min。将上述熔体降温至680 °C，浇注至250 °C预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化`铝基复合材料。实施实例2
(1)溶胶-凝胶法制备(:110/^1203纳米复合粉:配制5.8 mol/L Cu(NO3)2^lO mol/LNH4Al (SO4)2)的水溶液作为反应母液，配制51.6 mol/L NH4HCO3溶液作为沉淀剂，将500 ml沉淀剂溶液加入500 ml反应母液中，同时向反应体系中加入1.0 mol/L NH3.Η20调节体系pH值始终保持中性，以500 r/min搅拌速度持续搅拌60 min后超声分散30 min，超声功率为1000 W。将上述所得水溶胶陈化24 h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶。在80 V下将凝胶烘干后研磨成粉，在900 °C空气中煅烧120 min即得Cu0/A1203纳米复合粉，其中Al2O3 含量为 IOwt.%。(2)高能超声法制备弥散强化铝基复合材料:将800 g 2024铝合金置于坩埚电阻炉中，升温至750 1:使其熔化，经过除气除渣处理后，获得干净的纯铝熔体。继续升温至850 1:，将1.6 g Cu0/A1203纳米复合粉均分2份，铝箔包裹后用石墨套筒推入铝熔体内部，以500 r/min搅拌速度搅拌30 min，获得复合铝熔体。之后对复合铝熔体施加频率17 KHz、最大输出功率2 KW的超声处理5 min。将上述熔体降温至700 °C，浇注至300 1:预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化铝基复合材料。实施实例3
(I)溶胶-凝胶法制备Cu0/A1203纳米复合粉:配制3.2 mol/L CuCl2,5 mol/LNH4Al (SO4)2)的水溶液作为反应母液，配制26.4 mol/L NH4HCO3溶液作为沉淀剂，将500 ml沉淀剂溶液加入500 ml反应母液中，同时向反应体系中加入0.8 mol/L NH3.H2O调节体系pH值始终保持中性，以300 r/min搅拌速度持续搅拌30 min后超声分散20 min，超声功率为600 W。将上述所得水溶胶陈化18 h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶。在80 V下将凝胶烘干后研磨成粉，在750 °C空气中煅烧90 min即得CuCVAI2O3纳米复合粉，其中Al2O3 含量为 50wt.%。
(2)高能超声法制备弥散强化铝基复合材料:将400 g 6063铝合金置于坩埚电阻炉中，升温至730 1:使其熔化，经过除气除渣处理后，获得干净的纯铝熔体。继续升温至800 °C，将4 g CuCVAl2O3纳米复合粉均分4份，铝箔包裹后用石墨套筒推入铝熔体内部，以800 r/min搅拌速度搅拌20 min，获得复合铝熔体。之后对复合铝熔体施加频率19 KHz、最大输出功率1.5 KW的超声处理15 min。将上述熔体降温至720 °C，浇注至300 °C预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化铝基复合材料。
权利要求
1.一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤包括: a、溶胶-凝胶法制备CuCVAl2O3纳米复合粉 (O以可溶性铜盐和NH4Al(SO4)2为原料，配制成0.1 25 mol/L的水溶液作为反应母液，配制一定浓度的NH4HCO3溶液作为沉淀剂，根据CuCVAl2O3中Al2O3含量确定铜盐和NH4Al (SO4) 2的量，依照NH4Al (SO4) 2与NH4HCO3的摩尔比为1:4及Cu2+与NH4HCO3的摩尔比为1:2确定NH4HCO3的量； (2)将沉淀剂溶液加入反应母液中，同时向反应体系中加入0.5 1.0 mol/L NH3 -H2O调节体系PH值始终保持中性，持续搅拌10 60 min后超声分散5 30 min得到水溶胶，搅拌速度为100 500 r/min，超声功率为100 1000 W ； (3)将步骤(2)所得水溶胶陈化10 24h后，去除上层清液，离心脱水后得凝胶，在80°C下将凝胶烘干后研磨成粉，在500 800 °C空气中煅烧60 120 min即得Cu0/A1203纳米复合粉； b、闻能超声法制备弥散强化招基复合材料 (1)将工业纯铝或铝合金置于坩埚电阻炉中，升温至高于工业纯铝或铝合金熔点50 80 1:使其熔化，经过除气除渣处理后，获得干净的纯铝或铝合金熔体； (2)继续升温至750 850°C，将铝箔包裹的Cu0/A1203纳米复合粉用石墨套筒推入熔体内部，同时开启搅拌器，搅拌速度为500 1000 r/min，搅拌时间为10 30 min，获得复合熔体； (4)高能超声处理复合熔体，频率为17 20KHz，最大输出功率为I 2 KW，处理时间为 5 30 min ； (5)将步骤(5)所得复合熔体降温至680 720°C，浇注至250 300 °C预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤a(I)中所述Cu0/A1203纳米复合粉中Al2O3含量为IOwt.% 90 wt.%。
3.根据权利要求1所述弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤a(I)中所述可溶性铜盐包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b(I)中所述招合金可以是Al-S1、Al-Cu、Al-Mg> Al-Zn系中的任意一种或几种。
5.根据权利要求 1所述弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b(2)中所述Cu0/A1203纳米复合粉的加入量为弥散强化铝基复合材料的0.2wt.% 2.0 wt.%。
6.根据权利要求1所述弥散强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b(2)中所述Cu0/A1203纳米复合粉的加入方式为分批加入，均分成2 5等份。
全文摘要
一种弥散强化铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料制备领域。增强颗粒源自溶胶-凝胶法制备的CuO/Al2O3纳米复合粉。将工业纯铝或铝合金熔化，经过除气除渣处理，获得干净的纯铝或铝合金熔体；750～850℃时在搅拌作用下将CuO/Al2O3纳米复合粉分批加入到纯铝或铝合金熔体中，获得复合熔体，之后施加高能超声处理；CuO/Al2O3纳米复合粉的用量为复合熔体的0.2wt.%～2.0wt.%；将复合熔体降温至680～720℃，浇注至250～300℃预热过的金属型模具中，冷却后脱模即得弥散强化铝基复合材料。本发明工艺简单，操作方便，工艺稳定，生产成本低，增强颗粒与合金基体界面结合良好，增强颗粒在基体中均匀弥散分布，复合材料性能优异。
文档编号C22C1/10GK103173645SQ20131009666
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者郭志猛, 陈存广, 罗骥, 陈骏, 王雯雯, 郝俊杰 申请人:北京科技大学