一种原位反应生成的Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及到一种原位反应生成的al2o3颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

氧化铝颗粒增强铝基复合材料(al—mmcs)具有质量轻、比强度与比刚度高、耐高温性能好、抗磨性卓越，以及可用常规工艺和设备进行成型与处理等很多优良性能，除可用于航空航天工业和军事工业外，还可用于制造汽车的汽缸体、活塞、刹车摩擦件上。

现有技术中广泛使用氧化物直接加入al熔体中，经过搅拌使其混合均匀。强化相氧化物可选用氧化铝或能与铝熔体反应的sio2,cuo,tio2或盐类nh4al(so4)2。由于是液相反应或强化相分散，存在着反应温度高，强化相粗大和分散不均等问题。而固相粉末冶金法用于制备颗粒增强铝基复合材料，存在以下优势，可以任意调整强化相的比例，强化相分布均匀等优点。

目前，已近有关于al2o3颗粒增强铝基复合材料现有的专利。例如专利cn200710124776.4是把纳米氧化铝颗粒直接加入铝金属熔液，采用超声搅拌的方法使纳米氧化铝颗粒分散在铝熔液中，然后注入模具，得到轻金属基纳米复合材料。此发明专利的技术工艺具有简单，可控等优点，但是纳米颗粒是通过外加的方式进入基体，存在界面有污染，结合强度低等缺点。中国专利cn201010505574.6是采用硼砂类硼化物和k2zrf6类氟化物粉剂为反应混合盐，采用熔体直接反应法在铝熔体内直接合成制备纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料。由于该反应的反应物和生成物都很复杂，反应过程中伴随着熔渣的产生，还有kf气体的释放，虽说此发明专利能得到单一的纳米氧化铝增强铝基复合材料，但是该工艺存在反应过程复杂，生产过程环境负荷大，有熔渣产生和气体释放等缺点。朱和国等研究了al-tio2系xd合成铝基复合材料的反应基理（中国有色金属学报，15(2),2005,205-209）。朱和国等是采用纯al和tio2粉末，以一定化学计量比进行配粉，球磨，冷挤压成直径为30mm，高度为10mm左右的压坯，将压坯在1000k左右的真空反应炉中保温一段时间，冷却到室温，得到al3ti和al2o3同时强化的铝基复合材料。其中强化相al3ti是为粗大的棒状，细小的al2o3颗粒在小范围偏聚，未呈弥散分布。因此，采用此制备工艺，未能得到理想的铝基复合材料组织。

技术实现要素：

本发明的目的是采用粉末冶金的方法，制备出均匀分布的al2o3强化相，并且强化相是通过烧结过程中的化学反应原位生成。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：

本发明的采用的是商业级别的微米al粉和纳米tio2粉，粒径分别为50-100μm，小于100nm。原料粉按化学计量比称量后，球磨混粉，冷压成型后，置于保护气氛炉中烧结，在烧结过程中发生以下化学反应：

在高于al熔点的温度，进行第二步烧结的过程中，al粉首先熔化，由于经过第一步的初步致密化过程，熔化的al粉与固态tio2接触，并开始反应，反应生成的是高熔点的al2o3和ti，因此在这个反应过程中al液不会流出来，改变第一步所得形状。随后，生成的ti与al生成tial3相。

本发明与现有技术不同之处在于，一种原位反应生成的al2o3颗粒增强铝基复合材料的制备方法是分两步的。第一步，复合材料初始致密化，原料粉tio2在与al粉反应之前，通过球磨机使之均匀混合，在反应之前是均匀分布在al粉中间，然后通过真空热压技术或真空烧结技术或sps技术在al熔点温度以下20^oc烧结，使之致密化，这时原料粉之间还没有发生化学反应。由于经过初步烧结后，已经形成了三维的高熔点网络支架，这些支架把铝粉很好的隔开。第二步，液相反应，在高于铝熔点50^oc-100^oc左右,进行化学反应，原位生成强化相。该技术的关键之处在于，在较低的温度发生化学反应，使高熔点三维支架起支撑作用。现有技术的熔体反应法，由于生成的强化相密度比铝液重，强化相不易于悬浮于铝液中，以至于强化相在铝液中比例分布不均，下部的强化相比例大于上部。而本技术具有的特点：

4）能使强化相的体积分数改变很大，从0-50%之间任意改变；

5）能使强化相的分布可控，形成稳定的三维高熔点网络支架；

6）强化相采用原位反应生成，具有强化相与基体之间的界面洁净等优势。

附图说明

图1为采用第一步法制备的al2o3/al复合材料金相照片，形成了高熔点的三维支架网络

图2为al2o3/al复合材料的x射线衍射图，为采用两步法制备的样品。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。下面以al粉和tio2粉为例，原位生成al2o3/tio2复合材料。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例1

强化相al2o3体积分数为10%的铝基复合材料的制备。商业级别的微米al粉（50-100μm）和纳米tio2粉（小于100nm），按质量比为进行配比。如称量铝粉85.2g，tio2粉14.8g,放入球磨罐中，按球料比为10:1进行球磨，球磨2小时后。将混好的粉放入石墨热压模具，置于真空热压炉中。升温之前先用抽真空，抽到1*10^-2pa左右，开始升温，升到650^oc，保温30min，加压50mpa。卸压后，升温到700^oc，保温2h。

实施例2

强化相al2o3体积分数为15%的铝基复合材料的制备。商业级别的微米al粉（50-100μm）和纳米tio2粉（小于100nm），按质量比为进行配比。如称量铝粉79g，tio2粉21g,放入球磨罐中，按球料比为10:1进行球磨，球磨2小时后。将混好的粉放入石墨热压模具，置于真空热压炉中。升温之前先用抽真空，抽到1*10^-2pa左右，开始升温，升到650^oc，保温30min，加压50mpa。卸压后，升温到800^oc，保温2h。

实施例3

复合强化相al2o3体积分数为20%的铝基复合材料的制备。商业级别的微米al粉（50-100μm）和纳米tio2粉（小于100nm），按质量比为进行配比。如称量铝粉73.7g，tio2粉26.3g,放入球磨罐中，按球料比为4:1进行球磨，球磨2小时后。把混好的粉冷压成直径为30mm,高度为10mm的圆柱体。把压坯放入气体保护炉中烧结，升温之前先用机械泵抽真空，抽到20pa左右，用氩气冲洗，再抽至20pa左右，通入氩气至8*10⁴pa,保持一定的负压。开始升温，升到700^oc，保温30min，然后升温到850^oc，保温3h。

实施例4

强化相al2o3体积分数为30%的铝基复合材料的制备。商业级别的微米al粉（50-100μm）和纳米tio2粉（小于100nm），按质量比为进行配比。如称量铝粉64.7g，tio2粉35.3g,放入球磨罐中，按球料比为4:1进行球磨，球磨2小时后。把混好的粉冷压成直径为30mm,高度为10mm的圆柱体。把压坯放入气体保护炉中烧结，升温之前先用机械泵抽真空，抽到20pa左右，用氩气冲洗，再抽至20pa左右，通入氩气至8*10⁴pa,保持一定的负压。开始升温，升到700^oc，保温30min，然后升温到850^oc，保温3h。