一种磁性颗粒增强铝基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，属于新材料制备领域。

背景技术：

铝基复合材料综合了铝基体和复合相的优势，具有高强度、高模量、高耐磨、低膨胀性等综合优异的使用性能，在新材料研究中备受关注，当颗粒作为增强相时，具有各相同性好，颗粒圆整化好，弥散均匀分布，有外力作用时应力分散均匀等特征，因此对新型颗粒增强铝基复合材料的研究备受业内关注。

现有增强相种类主要有以下几种，包括(1)氧化物，如氧化铝；(2)硼化物，如tib2和zrb2；(3)金属间化合物，如al3zr、al3ti及其混合体al3(ti1-xzrx)(x＝0～1)，颗粒尺寸从数微米到纳米尺度不等，目前尚待拓展和深入。

目前所选择反应物或外加颗粒时多从对基体力学性能的影响考虑，几乎所有的强化颗粒和生成产物都不会使铝合金产生新的功能，例如声、光、电、磁等性能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明意在提供一种具有磁性的颗粒增强铝基复合材料，使铝合金同时具有高磁性和高强度，实现结构功能一体化，同时具有低成本、低能耗和高效率，并实现制备工艺的低污染和制备复合材料的高质量，满足新材料制备的内在需求，即“低成本、低污染、高效率、高质量”。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种磁性颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：向纯铝或铝合金熔体中加入亚微米尺度的钕铁硼粉末颗粒作为增强相，采用熔体直接合成法制备而成。

优选地，nd2fe14b粉末的加入量为纯铝或铝合金熔体质量的2.8-14％(体积分数1～5％)。

优选地，所述nd2fe14b颗粒经过以下预处理：nd2fe14b粉末在真空加热炉中在640-660℃下加热1～3h，然后加入nd2fe14b粉末质量分数4-6％的酒精在球磨机中球磨10-12小时，然后将球磨好的粉末在真空炉中干燥1-2h，干燥温度100-110℃，充分去除附着水，冷却后用铝箔包好待用。

优选地，纯铝或铝合金是在坩埚炉中熔化，升温到750℃时加入等质量co和ni，总量不超过熔体质量的3％，750℃保温10min，730～750℃精炼除气，降温到610-620℃，把用铝箔包好的nd2fe14b粉末加入到铝液中，使用搅拌桨搅动半固态或半凝固态熔体，搅拌过程持续8-10min，升温到640-650℃，扒除上层浮渣后浇注成铸态复合材料。

优选地，纯铝或铝合金熔体在坩埚中熔化，升温到730～750℃，分别向铝液加入等质量的co和ni，co和ni的总加入量为熔体质量的0.1～3％，保温10min。

由所述的制备方法制备的磁性颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：复合材料晶粒尺寸150～200μm，基体抗拉强度190mpa，nd2fe14b相在晶内呈针棒状，增强相分布均匀。

优选地，nd2fe14b相为基体相的1-5vol.％。

优选地，所述复合材料中还具有alconi合金相。

本发明所述的磁性颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用亚微米粒度级别的nd2fe14b颗粒作为增强相，采用熔体直接合成法制备，即在纯铝或铝合金熔体中加入亚微米尺度的钕铁硼粉末制备，所制备的材料是一种新型的磁性功能与结构强化材料。nd2fe14b作为外加磁性及强化颗粒，基体金属可以是纯铝或者铝合金，特别的，如果铝合金基体中含有ni、co、si元素会使al的导磁性显著增强，并提高复合材料的强度，因此可以选择不同牌号的铝合金作为基体，比如zl101a或者2024、zl109等。

采用本发明的主要优点在于：

(1)本发明的复合材料具有高强度、高塑韧性，当增强颗粒体积分数1vol.％～5vol.％(质量分数2.8～14％)时，抗拉强度增幅5％～25％，延伸率提高10～30％。nd2fe14b具有高模量，nd2fe14b弹性模量160gpa，基体铝只有70gpa，因此，铝或铝合金中加入亚微米级别的nd2fe14b颗粒，其弹性模量较现有的zl101a铝合金基体材料提高10％以上。nd2fe14b具有高模量，nd2fe14b弹性模量160gpa，基体铝只有70gpa，因此，铝或铝合金中加入亚微米级别的nd2fe14b颗粒，其弹性模量较现有的zl101a铝合金基体材料提高10％以上；nd2fe14b，可以在材料凝固时起到细化晶粒和限制晶粒长大的作用，提高材料的使用性能。

(2)实现了将无磁性的铝或铝合金通过复合使其具备了较好的磁性性能，由于基体材料为轻金属，相比目前铁基磁性材料而言，重量大幅度减轻，对器部件的轻量化具有重要效果，同时，相对于目前的结构材料而言，本发明实现了结构功能一体化材料，且材料的综合机械性能提高，即制备了高机械性能的磁性材料。

附图说明

图1为本发明实施例2所制备磁性颗粒增强铝基复合材料的与zl101a基体对比图。

图2为本发明实施例2所制备磁性颗粒增强铝基复合材料各相的能谱图。

图3为本发明实施例3所制备磁性颗粒增强铝基复合材料的磁性能图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明的一种磁性颗粒增强铝基复合材料及其制备方法的特征在于：制备过程包括以下步骤：

(a)nd2fe14b粉末的处理：nd2fe14b粉末在真空加热炉中在640-660℃下加热1～3h，然后加入nd2fe14b粉末质量分数4-6％的酒精在球磨机中球磨10-12小时，然后将球磨好的粉末在真空炉中干燥1-2h，干燥温度100-110℃，充分去除附着水，冷却后用铝箔包好待用；

(b)金属熔体准备：在坩埚炉中熔化铝或铝合金，升温到730℃～750℃时精炼除气，降温到610-620℃时准备合成；

(c)复合合成：把用铝箔包好的nd2fe14b粉末加入到铝液中，使用搅拌桨搅动半固态或半凝固态熔体，搅拌过程持续8-10min，升温到640-650℃，扒除上层浮渣后浇注成铸态复合材料。

实施例11vol.％nd2fe14b颗粒强化2024铝基复合材料的制备

2024的主要组分如表2。目标nd2fe14b颗粒体积分数1vol.％(质量分数为2.8％)，初始铝量为1kg，nd2fe14b28g。

表22024铝合金的化学成分(wt％)

制备过程为：按铝量和配料原则，确定nd2fe14b质量后，首先将粉末于650℃真空加热2小时，然后加入nd2fe14b粉末质量分数5％的酒精在球磨机中球磨10小时，然后将球磨好的粉末在真空炉中干燥2h，干燥温度110℃，充分去除附着水，冷却后用铝箔包好待用；在坩埚炉中熔化2024铝合金，升温到750℃时精炼除气，降温到620℃时，把用铝薄包好的粉末使用钟罩压入到铝液中，使用搅拌桨搅动半凝固态熔体，速度1000r/min，整个过程持续10min，升温到650℃，扒除上层浮渣后浇注成铸态复合材料；进行t6热处理，得到具有磁性和高强韧性的铝基复合材料。

实施例21vol.％nd2fe14b颗粒强化zl101a铝基复合磁性材料的制备

zl101a的主要组分如表1。目标nd2fe14b颗粒体积分数1vol.％(质量分数2.8％)，初始铝量为1kg，nd2fe14b28g。

表1zl101a铝合金的化学成分(wt％)

制备过程为：按铝量和配料原则，确定nd2fe14b质量后，首先将nd2fe14b粉末于650℃真空加热3小时，然后加入nd2fe14b粉末质量分数5％的酒精在球磨机中球磨10小时，之后将球磨好的nd2fe14b粉末在真空炉中干燥1h，温度100℃，充分去除附着水和酒精，冷却后，按照每粉包20～30g的量用铝箔包好待用。在坩埚炉中熔化1kgzl101a铝合金，升温到750℃加入5gco和5gni，保温5min，730℃～750℃时精炼除气，降温到610℃时，把用铝薄包好的粉末使用钟罩压入到铝液中，使用搅拌桨搅动半固态熔体，速度1000r/min，整个过程持续10min，升温到650℃，扒除上层浮渣后浇铸成铸态复合材料。

图1中(a)、(b)分别为zl101a基体和实施例2所制备磁性颗粒增强铝基复合材料的sem图，从图1中可以看出，与基体相比，本发明制备的复合材料的二次枝晶间距明显得到降低，二次枝晶间距对铸造铝合金的力学性能有着决定性的作用，基体抗拉强度150mpa、延伸率4％、弹性模量70gpa，复合材料抗拉强度180mpa、延伸率5％，弹性模量85gpa。

图2中(a)、(b)分别为复合材料中的钕铁硼相、alconi合金相及其能谱图，从图中可以看出复合材料中的钕铁硼相为针状结构，并且通过向铝液中加入co和ni，在复合材料中形成了alconi合金相，al在与co、ni形成合金后可以显著提高磁导率。

实施例35vol.％nd2fe14b颗粒强化zl109铝基复合材料的制备和力学性能

zl109的主要组分如表3。

表3zl109铝合金的化学成分(wt％)

目标nd2fe14b颗粒体积分数5vol.％(质量分数为14％)，铝量为1kg，nd2fe14b140g

制备过程为：按铝量和配料原则，确定nd2fe14b质量后，首先将粉末于650℃真空加热1小时，然后加入nd2fe14b粉末质量分数6％的酒精在球磨机中球磨12小时，之后将球磨好的粉末在真空炉中干燥2h，温度105℃，充分去除附着水和酒精，冷却后，按照每粉包20～30g的量用铝箔包好待用；在坩埚炉中熔化铝合金，升温到到740℃时精炼除气，降温到610℃时，把用铝薄包好的粉末使用钟罩压入到铝液中，使用搅拌桨搅动半固态或半凝固态熔体，速度1000r/min，整个过程持续10min，升温到645℃，扒除上层浮渣后浇注成铸态复合材料；进行t6热处理，得到具有磁性和高强韧性的铝基复合材料，再进行磁性能测试。结果如图3所示，显示材料具有良好的磁性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。