一种Al‑Si9Cu1颗粒增强复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种复合材料技术领域的制备方法，具体地是，利用机械搅拌与电磁搅拌相结合的熔体反应法制备出原位(tib2+zrb2)颗粒增强al-si-cu基复合材料。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度，高弹性模量等优点，在航空航天，高级制造业以及国防等领域有广阔的前景。相比传统的加颗粒的铝基复合材料，原位颗粒增强铝基复合材料的颗粒与基体润湿性好，界面结合牢固，反应过程中不宜引入杂质，制备出的材料更为纯净，性能较为优异。al-si-cu合金是重要的al-si系合金，cu元素的加入能提高合金的性能。首先，尺寸较大的cu原子溶入al-si合金中，使al固溶体产生严重的晶格畸变，阻碍位错的运动，加大滑移运动的切应力，形成固溶强化，提高了合金的强度。再次，cu在al-si合金中，形成θ(cual2)相，在固溶处理时，cual2溶入α固溶体中，在时效过程中析出θ′、θ″(cual2)亚稳相或cual2稳定相，这些强化相可以阻碍位错的运动，提高拉伸强度、硬度、疲劳强度和高温强度。将性能优异的al-si-cu合金作为基体制备出(tib2+zrb2)颗粒增强的铝基复合材料，是一种性能优异基体与性能优异的陶瓷颗粒的结合，是一种优优结合，而制备出的复合材料性能较al-si-cu合金更为优异。

熔体直接反应法是直接把铝合金基体融化，在其中加入反应物，进行充分反应后进行浇铸，该方法可以直接得到浇铸的复合材料，该工艺操作简单，生产成本低，周期短，易于工业生产化。但是，熔体直接反应法也存在不足，该工艺下的制备的复合材料颗粒团聚，影响材料性能。利用机械搅拌和电磁搅拌的结合施加在熔体反应过程中，在搅拌的过程中不断打碎团聚的颗粒，使颗粒分布更为均匀，由于颗粒tib2具有细化晶粒作用，所以此法制备的复合材料基体晶粒更加细小，从而大幅度提高材料的性能。

经对现有的技术文献探索发现，中国专利号为：2015107658685，名称为：一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用的是先将复合颗粒包覆热轧成预制块，然后在将预制块放入浇注道用铝液浇注，该方法中需用球磨机球磨复合颗粒，花费时间长，由于颗粒之前已经制成预制块，所以颗粒分散度并不好，颗粒包覆和轧制增加了制备工艺步骤，并未像本专利制备方法简单且节省成本，同时该专利中颗粒是外加进入，颗粒与基体材料结合度不如本专利原位制备的复合材料。中国专利号为：2015100957741，名称为：一种原位al3ti颗粒增强al-si-cu复合材料半固态浆料制备方法，采用的是在al-si-cu熔化合金中加入k2tif6粉末，在进行电磁搅拌进行搅拌，搅拌过程中逐渐降温。该方法制备过程中降温过程不好控制，降温速率也会影响材料性能，且该专利制备的是al3ti颗粒增强，该颗粒不如tib2颗粒细小，也没有tib2颗粒细化晶粒的作用，所以该专利制备方法制备出的材料没有本专利制备出材料可控性高，也没有本专利制备出的复合材料基体组织晶粒细小。

技术实现要素：

本发明是利用机械搅拌与电磁搅拌结合的熔体反应制备方法制备出原位的(tib2+zrb2)颗粒增强的al-si-cu基复合材料。

本发明所述制备工艺为:

(1)先将氟钛酸钾(分子式为k2tif6)，氟锆酸钾(分子式为k2zrf6)，硼砂粉末放入烘干箱烘干(温度175℃，时间5h)。烘干后，按一定的质量比例称量并混合均匀，以备用。

(2)计算并称量好配制一定量的al-si-cu合金所需纯al，al18si以及al50cu的质量，之后将称量好的纯al，al18si放入预热的400-450℃的坩埚中融化，融化后待温度升温至720℃加入al50cu并用石墨棒搅拌。(3)待al50cu完全融化后，升温810℃～860℃，分3批加入混合好的氟钛酸钾，氟锆酸钾及硼砂混合粉末，在加入过程中并用石墨棒进行搅拌。(4)待完全加入粉末后，同时打开外加电磁搅拌器和机械搅拌器进行搅拌，机械搅拌与电磁搅拌方向相反，搅拌时间为15min。搅拌方法为：共同搅拌5min，静置5min，分3次搅拌完成，整个搅拌过程为25min。在搅拌过程中，温度保持在810℃～860℃之间。(5)待搅拌完毕，将熔体冷却至705℃～745℃，加入扒渣剂进行扒渣。(6)扒完渣后立即浇铸，浇铸模具选用铜模。(7)将得到的复合材料进行热处理。

所述al-si-cu合金基体中si质量百分比为9％，cu质量百分比为1％，余量为al。

所述电磁搅拌器进行搅拌的电压为250v～380v，搅拌频率为10.1hz。

所述机械搅拌的转速为200rpm。

增强颗粒反应原料的混合粉末加入的量占合金原料质量的10％～30％，优选20％；生成的增强颗粒为tib2和zrb2，质量比为1:1。

本发明利用电磁搅拌和机械搅拌的方法制备的原位(tib2+zrb2)颗粒增强al-si-cu基复合材料组织中的基体晶粒细小，组织较为纯净，得到的tib2和zrb2颗粒分散较为均匀。制备出的材料力学性能相比al-si-cu合金来说，大幅度提高，拉伸强度也提高。

附图说明

图1未热处理的颗粒质量为1.5％的(tib2+zrb2)颗粒增强alsi9cu1复合材料的金相图

图2.未热处理的颗粒质量为3％的(tib2+zrb2)颗粒增强alsi9cu1复合材料的金相图

图3.未热处理的颗粒质量为6％的(tib2+zrb2)颗粒增强alsi9cu1复合材料的金相图

图4.热处理后和未热处理的(tib2+zrb2)颗粒增强alsi9cu1复合材料的金相图

具体实施方式

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案例。

实施案例1颗粒质量分数为1.5％的alsi9cu1复合材料制备

本发明的材料组分及质量比为：si9％，cu1％，(tib2+zrb2)颗粒1.5％，余量为纯al。

制备过程如下：

(1)将al18si，纯al和al50cu按照0.48：0.50：0.02的质量比例配置好500g合金，将配置好的材料放入电磁搅拌炉中的坩埚中融化，待完全融化后，升温在810℃～860℃之间，然后加入干燥的氟锆酸钾、氟钛酸钾及硼砂的混合粉末，粉末质量占熔体质量的10％，混合均匀的反应粉末分3批加入，并在加入过程中利用石墨棒搅拌。

(2)待粉末完全加入后，打开电磁搅拌装置，搅拌电压为250v～380v，搅拌频率为10.1hz。在打开电磁搅拌装置同时，打开坩埚上方的机械搅拌器进行搅拌，搅拌方向与电磁搅拌方向相反，机械搅拌转速为200rpm，电磁搅拌和接卸搅拌共同搅拌5min，然后停止，静置5min，该步骤重复3次。

(3)待搅拌结束，调低炉温，将温度降至705℃～745℃，加入打渣剂，石墨棒搅拌，并扒渣。

(4)扒渣完毕后立即浇铸，浇铸温度为705℃～745℃，浇铸的模具为铜模。

(5)得到的复合材料先后进行500℃·5h的固溶和150℃·10h的时效的热处理，通过该热处理后得到的材料力学性能为:σb＝230mpa，e＝4.21gpa，伸长率为：5.1％

(6)未经过热处理的复合材料力学性能为：σb＝210mpa，e＝3.71gpa，伸长率为：4.2％

由图1可知，颗粒质量分数为1.5％的复合材料基体中含有大量的针状组织，且枝晶间距距离大，晶粒较为粗大。图4可知未热处理与热处理后的复合材料对比，热处理后的复合材料中si相从针状变为短棒状或棒状，尖角消失，且较为均匀的分散在晶粒的晶界上。

实施案例2颗粒质量分数为3％的alsi9cu1复合材料制备

本发明的材料组分及质量比为：si9％，cu1％,(tib2+zrb2)颗粒3％，余量为纯al。

制备过程如下：

(1)将al18si，纯al和al50cu按照0.48:0.50：0.02的质量比例配置好500g合金，将配置好的材料放入电磁搅拌炉中的坩埚中融化，待完全融化后，升温在810℃～860℃之间，然后加入干燥的氟锆酸钾、氟钛酸钾及硼砂的混合粉末，粉末质量占熔体质量的20％，混合均匀的反应粉末分3批加入，并在加入过程中利用石墨棒搅拌2min。

(2)待粉末完全加入后，打开电磁搅拌装置，搅拌电压为250v～380v，搅拌频率为10.1hz。在打开电磁搅拌装置同时，打开坩埚上方的机械搅拌器进行搅拌，搅拌方向与电磁搅拌方向相反，机械搅拌转速为200rpm，电磁搅拌和接卸搅拌共同搅拌5min，然后停止，静置5min，该步骤重复3次。

(3)待搅拌结束，调低炉温，将温度降至705℃～745℃，加入打渣剂，石墨棒搅拌，并扒渣。

(4)扒渣完毕后立即浇铸，浇铸温度为705℃～745℃，浇铸的模具为铜模。

(5)得到的复合材料先后进行500℃·5h的固溶和150℃·10h的时效的热处理，通过该热处理后得到的材料力学性能为:σb＝290mpa，e＝11.2gpa，伸长率为：7.8％

(6)未经过热处理的复合材料力学性能为：σb＝250mpa，e＝10.98gpa，伸长率为：6.0％。

由图2可知，颗粒质量分数为3％的复合材料基体中针状组织减少，且枝晶间距距离大幅度缩小，晶粒也变得较小且圆润。图4可知未热处理与热处理后的复合材料对比，热处理后的复合材料中si相从针状变为短棒状或棒状，尖角消失，且较为均匀的分散在晶粒的晶界上。

实施案例3颗粒质量分数为6％的alsi9cu1复合材料制备

本发明的材料组分及质量比为：si9％，cu1％,(tib2+zrb2)颗粒6％，余量为纯al。

制备过程如下：

(1)将al18si，纯al和al50cu按照0.48:0.50：0.02的质量比例配置好500g合金，将配置好的材料放入电磁搅拌炉中的坩埚中融化，待完全融化后，升温在810℃～860℃之间，然后加入干燥的氟锆酸钾、氟钛酸钾及硼砂的混合粉末，粉末质量占熔体质量的30％，混合均匀的反应粉末分3批加入，并在加入过程中利用石墨棒搅拌2min。

(2)待粉末完全加入后，打开电磁搅拌装置，搅拌电压为250v～380v，搅拌频率为10.1hz。在打开电磁搅拌装置同时，打开坩埚上方的机械搅拌器进行搅拌，搅拌方向与电磁搅拌方向相反，机械搅拌转速为200rpm，电磁搅拌和接卸搅拌共同搅拌5min，然后停止，静置5min，该步骤重复3次。

(3)待搅拌结束，调低炉温，将温度降至705℃～745℃，加入打渣剂，石墨棒搅拌，并扒渣。

(4)扒渣完毕后立即浇铸，浇铸温度为705℃～745℃，浇铸的模具为铜模。

(5)得到的复合材料先后进行500℃·5h的固溶和150℃·10h的时效的热处理，通过该热处理后得到的材料力学性能为:σb＝275mpa，e＝9.16gpa，伸长率为：6.8％

(6)未经过热处理的复合材料力学性能为：σb＝235mpa，e＝6.06gpa，伸长率为4.1％

由图3可知，颗粒质量分数为6％的复合材料基体中含有大量的针状组织，且枝晶间距距离更小，晶粒也变得更加小，但是晶粒之间夹杂的颗粒更加多，颗粒团聚的也更加厉害。图4可知未热处理与热处理后的复合材料对比，热处理后的复合材料中si相从针状变为短棒状或棒状，尖角消失，且较为均匀的分散在晶粒的晶界上。下表为复合材料及基体材料的性能表。

表1.复合材料及其基体性能表

由表可知，(tib2+zrb2)颗粒增强alsi9cu1复合材料比其对应的基体材料性能较为优异，热处理后的复合材料性能较未热处理的材料性能有巨大的提升。