一种铝基复合粉体的自蔓延合成及其应用的制作方法

本发明涉及一种铝基复合粉体的自蔓延合成及其应用，具体说，是涉及一种包含tib2/tin二元陶瓷相，bn润滑相以及al(或al合金)金属相的一种复合粉体的自蔓延合成及其应用。

背景技术：

铝基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量和良好的耐磨性能，在航空、航天、国防、先进制造业等领域具有广阔的应用前景。如飞机发动机风扇导流叶片、气压机静子叶片、列车制动盘，高性能汽车发动机缸体、轮毂等，均大量应用铝基复合材料。当前正值我国大飞机、高速列车、节能汽车等产业高速发展的时期，对高性能铝基复合材料的需求十分迫切。陶瓷相增强铝基复合材料以其高性能、低密度等优点，逐渐成为该领域研究的热点。

陶瓷相增强铝基复合材料多采用粉末冶金、液态或半固态铸造、预制件渗透等方法制备。采用粉末冶金法，将陶瓷相与al基体粉末机械混合，由于烧结温度低于金属相的熔点，烧结过程中基本无液相产生，且陶瓷相与金属相之间仅存在较弱的互扩散作用，导致界面结合较弱，降低了陶瓷相的增强效果；采用液态或半固态铸造法，陶瓷容易因密度差产生偏聚，导致材料的密度不均，难于获得均质材料；采用预制件渗透方法，虽然可以克服各相密度差造成的材料不均，但材料内部容易形成残余气孔，且该方法过程复杂，对设备要求较高，高昂的成本限制了该方法广泛应用。

原位反应合成是在铝基复合材料中引入陶瓷增强相的一种理想方式。该方法可以保证陶瓷相颗粒表面无污染，与基体金属界面结合强度高，同时避免了增强相与基体相容性不理想的不足。同时，该方法工艺简单、成本低、周期短、且易于工业化生产，成为极具工业化应用前景的制备技术之一。

陶瓷相的选择对铝基复合材料的性能有至关重要的影响。二硼化钛(tib2)是一种具有高强度、高硬度、高杨氏模量的陶瓷材料，是铝基复合材料的理想增强相。此外，由于tib2具有较低的密度，可以有助于部件的轻量化。氮化钛(tin)是一种具有优异的力学和耐磨性能的陶瓷材料，并且具有良好的导热性能、良好的耐高温性能和化学稳定性，其与金属材料的界面结合性能较好，被广泛应用于硬质合金材料的增强相。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种自蔓延合成铝基复合粉体的方法，以钛粉，氮化硼粉，铝粉或/和铝基合金粉为原料，均匀混合后采用自蔓延烧结制备而成。

本发明以钛粉，氮化硼粉，铝粉或/和铝基合金粉为原料，所述原料中钛粉和氮化硼粉在自蔓延烧结的过程中发生反应：3ti+2bn→2tin+tib2，即bn粉与ti粉通过自蔓延生成陶瓷增强相tin+tib2，不仅避免了直接采用采用tib2或tin颗粒作为陶瓷增强相，而且工艺和设备简单，节约了制备成本。此外，根据上述反应3ti+2bn→2tin+tib2：若是自蔓延反应过程中ti粉过量，则bn基本完全反应，且多余ti粉还会与al或铝合金粉形成形成新的铝基合金相。若是bn过量，则钛粉完全反应且所述bn相还有剩余，此时剩余bn还可作为自润滑介质存在于所述铝基复合粉体中。此外al粉还会与少量氮化硼反应形成aln。

本发明提供的自蔓延合成铝基复合粉体的方法，以钛粉，氮化硼粉，铝粉或/和铝基合金粉为原料，均匀混合后采用自蔓延烧结制备而成，不需要制备陶瓷预制块、工艺简单，而且也可以避免以tib2或tin颗粒为原料所导致的在混料过程中由于颗粒密度的差异和陶瓷颗粒的团聚问题。所制备的材料相组成除了包括al(和/或铝基合金)，还包括tib2和tin。

较佳地，以原料总质量为100％计，所述原料中钛粉的质量分数为15～40％、氮化硼粉的质量分数为5～20％、铝粉或/和铝基合金粉的质量分数为80～40％。

较佳地，所述铝基合金粉为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金或铝稀土合金等中的至少一种。

较佳地，所述钛粉的平均粒径为1～50微米。

较佳地，所述氮化硼粉的平均粒径为0.05～20微米。

较佳地，所述铝粉或/和铝基合金粉的平均粒径为10～100微米。

较佳地，所述自蔓延烧结的气氛为真空或惰性气氛，优选为真空或ar气气氛。

另一方面，本发明还提供了一种根据上述方法制备的制备的铝基复合粉体，所述铝基复合粉体的相组成包括al、铝基合金中的至少一种，tib2和tin。

较佳地，还包括bn相。

本发明中，通过试验中发现，铝基复合粉体的制备过程中铝的化学反应及合金化行为比较复杂，难以确定最终的存在形式。

再一方面，本发明还提供了一种由上述方法制备的铝基复合粉体制备的铝基复合材料。本发明制备的铝基复合粉体，主要成分有tib2、tin、bn、al或al基合金。利用该方法制备的铝基复合粉体，增强相(tib2、tin)以及润滑相(bn)晶粒细小，且在基体(al或al基合金)内分布均匀；该粉体可用于制备具有良好力学和耐磨性能铝基复合材料，制造发动机缸体、导流叶片、汽车轮毂等。

与现有技术相比，本发明提供的一种铝基复合粉体，包含tib2/tin二元陶瓷增强相，bn润滑相，可用于制备增强型铝基复合材料，兼具tib2/tin高硬度、高耐磨的特性以及纯铝或铝基合金的高导热、易加工特性。并且，bn润滑介质的引入，有助于材料获得较低、较稳定的摩擦系数，降低材料的磨损率，满足铝基复合材料在应用中低磨损、长寿命、高稳定的要求；此外，陶瓷相的引入可使材料的高温力学和摩擦学性能得到显著改善，提高器件在高温环境中的可靠性，具有较强的实用价值。

附图说明

图1为实施例1制备的铝基复合粉体的形貌图；

图2为实施例1制备的铝基复合粉体的xrd图；

图3为实施例2制备的铝基复合粉体的形貌图；

图4为实施例2制备的铝基复合粉体的xrd图；

图5为实施例3制备的铝基复合粉体的形貌图；

图6为实施例3制备的铝基复合粉体的xrd图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明中所述铝基复合粉体是由纯钛粉、氮化硼粉、铝或/和铝基合金粉为原料，经混合均匀(混合方式可采用球磨等)后进行自蔓延烧结制备的复合物粉体。

作为一种优选方案，由纯钛粉、氮化硼粉、铝或铝基合金粉为原料，经球磨混合均匀后进行自蔓延烧结制备的复合物粉体。

以下示例说明本发明提供的铝基复合粉体的制备方法。

本发明中，所述原料由钛粉、氮化硼粉、铝或/和铝基合金粉组成。

作为进一步优选方案，所述钛粉质量分数为15～40％，氮化硼粉质量分数为5～20％，铝粉质量分数为80～40％。

按照上述配比称取原料，后均匀混合，得到原料粉体。其中均匀混合的方式包括但不仅限于研磨、球磨等。研磨或球磨后还可再进行干燥、过筛等，得到原料粉体。其中干燥可为球磨过后在50-80℃下干燥2-6小时。过筛一般可过100目的筛。所述原料粉末中钛粉的平均粒径可为1～50μm。氮化硼粉的平均粒径可为0.05～20μm。铝或铝基合金粉的平均粒径可为10～100μm。采用上述粒径粉末，可以在保证ti与bn完全反应的基础上，尽可能降低对材料的粒度要求，降低材料的制备成本。

将所得原料粉体进行自蔓延烧结，得到所述铝基复合粉体。具体来说，将混合物粉末置于石墨坩埚内，放入自蔓延烧结炉中烧结，即得到所需铝基复合粉体。所述的自蔓延烧结工艺采用的气氛为真空或惰性气氛，例如ar气或其他惰性气氛等。其中，自蔓延烧结过程中，温度是反应自发达到，无具体温度要求。

总的来说，本发明制备的铝基复合粉体的组分包含tib2、tin、al、bn以及其他合金元素(如cu、mg、si等)等。作为一个制备铝基复合粉体方法的示例，包括：a)按配比称取钛粉、氮化硼粉、铝或/和铝基合金粉。b)球磨使上述粉体混合均匀，制得原料粉体。烘干b)将上步所得原料粉体进行自蔓延烧结，得到所需复合粉体。

本发明还提供了一种由上述铝基复合粉体制备的铝基复合材料。具体来说，将所得铝基复合粉体经过成型、烧结后，得到铝基复合材料。其中成型的方式包括但不仅限于干压成型、热压成型、冷等静压成型等。例如热压烧结，其烧结的温度可为500-550摄氏度，时间可为0.5-3小时，压力为15-50mpa。

本发明制备的铝基复合粉体，主要成分有tib2、tin、al或/和al基合金，此外还可包括bn相。本发明制备的包含tib2、tin、al、al基合金、bn等组分的铝基复合粉体，可用于制备增强型铝基复合材料，且由于bn的引入，使材料具有自润滑性能，其中tib2/tin作为二元增强相，bn作为自润滑介质，可满足材料在高耐磨和长寿命条件下的应用需求。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

称取5.8g中位粒径0.5μm的氮化硼粉末、20g中位粒径为15μm的纯钛粉以及30g中位粒径为20μm的纯铝粉，加入40g无水乙醇，滚动球磨3小时，制得均匀稳定的浆料；

将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；

将混合物粉末置于坩埚内，放入自蔓延烧结炉中烧结，即得到所需铝基复合粉体。

本实施例所需原料组分和制得复合粉末组分见表1，所制得的复合物前驱体粉末(铝基复合粉体)的粉末形貌见图1所示，相组成见图2所示。从图1可以看到，复合粉体颗粒呈现粗糙表面，但无散落颗粒，粗糙表面形成源于表面生成的tib2、tin陶瓷颗粒。从图2中可知所述复合粉体的相组成包括al、al-ti合金、tib2、tin。

实施例2

称取4g中位粒径0.5μm的氮化硼粉末、12g中位粒径为15μm的纯钛粉以及30g中位粒径为20μm的纯铝粉，加入40g无水乙醇，滚动球磨3小时，制得均匀稳定的浆料；

将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；

将混合物粉末置于坩埚内，放入自蔓延烧结炉中烧结，即得到所需铝基复合粉体。

本实施例所需原料组分和制得复合粉末组分见表1，所制得的复合物前驱体粉末(铝基复合粉体)的粉末形貌见图3所示，相组成见图4所示。从图3可以看到，复合粉体颗粒呈现粗糙表面，粗糙表面形成源于表面生成的tib2、tin陶瓷颗粒。按照本配方，ti与bn可按照化学计量比完全反应，但是从图4中可知所述复合粉体的相组成仍然包括al-ti合金、tib2、tin，按此相组成，bn应有残余，但并未检测到过量的bn，可能的原因是bn残余量较少。

实施例3

称取5g中位粒径0.5μm的氮化硼粉末、10g中位粒径为15μm的纯钛粉、20g中位粒径为20μm的铝铜合金粉，加入40g无水乙醇，滚动球磨3小时，制得均匀稳定的浆料；

将浆料在50～80℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；

将混合物粉末置于坩埚内，放入自蔓延烧结炉中烧结，即得到所需铝硅合金基复合粉体。

本实施例所需原料组分和制得复合粉末组分见表1，所制得的复合物前驱体粉末(铝基复合粉体)的粉末形貌见图5所示，相组成见图6所示。从图5中可知，复合颗粒呈现粗糙表面，粗糙表面形成源于表面生成的tib2、tin陶瓷颗粒，以及少量的aln颗粒。本配方中，bn为过量，从图6中可知所述复合粉体的相组成包括al-ti-cu合金、tib2、tin、微量aln等，因此，过量的bn参与了与al的化学反应。

实施例4

将实施例1制备的铝基复合粉体置于石墨模具中，然后在530℃，ar保护气氛条件，热压烧结2小时，热压压力25mpa，烧结1小时，得到增强型铝基复合材料。本实施例制备的复合材料的摩擦磨损性能见表2。

实施例5

将实施例2制备的铝基复合粉体置于石墨模具中，然后在500℃，ar保护气氛条件，热压烧结2小时，热压压力25mpa，烧结1小时，得到增强型铝基复合材料。本实施例制备的复合材料的摩擦磨损性能见表2。

实施例6

将实施例3制备的铝基复合粉体置于石墨模具中，然后在550℃，ar保护气氛条件，热压烧结2小时，热压压力25mpa，烧结1小时，得到增强型铝基复合材料。本实施例制备的复合材料的摩擦磨损性能见表2。

表1为各实施例制备的复合粉体组分：

表2为各实施例制备的铝基复合材料的摩擦磨损性能：