本发明属于金属基复合材料铸轧成形领域，具体涉及一种基于原位生成tib2的颗粒增强铝基复合材料铸轧方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料是通过将碳化物、氮化物、石墨等颗粒分布在基体中以获得优异的综合性能，如高的比强度、比模量、硬度、耐磨、耐高温、热膨胀系数低等，在结构、运输、电子封装、航空航天、军事领域等工业领域具有广阔的市场前景。
目前颗粒的添加方式主要有外部添加工艺和原位生成工艺两种，外部添加工艺方法操作简单，但颗粒表面和基体润湿性、颗粒分散均匀性等难以控制，制约了产品性能的进一步提升，原位生成工艺是通过化学反应直接在熔融态的金属液中生成细小且分布均匀的颗粒增强体，界面与基体浸润性良好，可显著提高颗粒增强铝基复合材料的综合性能，目前已经成为行业研究热点。
现有制备方法主要有搅拌铸造、挤压铸造等，生产效率较低，成本高，不适合大规模工业化生产，无法满足巨大的市场需求。双辊铸轧工艺被誉为21世纪冶金工业最具革命性的技术，它将亚快速凝固技术和热加工成形有机结合，可直接将液态金属成形为固态产品，实现净近成形，具有显著的高效率、短流程特点，目前已经成功应用于层状金属复合材料的成形制备。
随着服役性能要求的不断提高和应用领域的不断扩展，在获得颗粒细小且分散均匀、优越综合性能的同时，如何提高生产率、缩短工艺流程、降低生产成本已经成为颗粒增强复合材料发展亟待解决的关键技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于原位生成tib2的颗粒增强铝基复合材料铸轧方法，通过原位生成工艺获得细小且分布均匀的tib2颗粒增强体，并利用铸轧工艺获得细化的晶粒组织和优良的综合性能，以解决传统外部添加工艺颗粒较大且分散不均匀的问题及现有制备工艺生产效率低、成本高的不足，最终实现颗粒增强铝基复合材料的高效短流程近终成形。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
一种基于原位生成tib2的颗粒增强铝基复合材料铸轧方法，包括以下步骤：
s1、熔化铝基体并保温：将铝锭放入坩埚，置于保护气氛中加热至700～900℃，待铝锭熔化成铝液后保温20～60min；
s2、配置化学试剂：将反应试剂kbf4和k2tif6按ti/b＝1：2化学计量比配置，与催化试剂mgf2和alf6na3混合均匀，利用加热炉在200～300℃温度下烘干30～60min；
s3、搅拌混合：将步骤s2中烘干后的化学试剂均匀分散到步骤s1的铝液中，并搅拌均匀，制备混合熔体；
s4、保温与反应：对步骤s3得到的混合熔体在700～900℃温度下进行保温，保温总时间为40～100min，每5～20min搅拌一次，每次搅拌持续时间1～5min，期间混合熔体内kbf4和k2tif6发生化学反应生成tib2颗粒，反应方程式如下：
3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+9kalf4+k3alf6
s5、去除浮渣并保温：经过保温总时间t1后，kbf4和k2tif6完全反应生成tib2，去除混合熔体中的浮渣，然后将混合熔体冷却至浇注温度680～750℃，保温10～30min；
s6、连续铸轧成形：将混合熔体浇注到铸轧机熔池中，连续铸轧成形为质量分数为w的tib2颗粒增强铝基复合材料。
优选地，步骤s1中所述铝锭为纯铝或铝合金。
优选地，步骤s2中烘干温度为200℃，所述烘干时间为60min。
优选地，步骤s3中所述搅拌桨材料为石墨，所述搅拌速度为200～800r/min。
优选地，步骤s4中所述化学反应生成tib2颗粒的尺寸为10～1000nm。
优选地，步骤s5中所述浇注温度为700℃，所述保温时间为20min。
优选地，步骤s6中所述铸轧机可为水平式、垂直式或倾斜式，所述质量分数w为1％～15％，所述tib2颗粒增强铝基复合材料产品类型为板材、管材或棒材。
优选地，步骤s5中利用石墨勺去除混合熔体中的浮渣，步骤s6中铸轧机的铸轧辊根据产品形状开设不同孔型。
优选地，步骤s6中所述质量分数w通过调控kbf4和k2tif6添加的质量来控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①利用原位生成工艺获得细小且分布均匀的tib2颗粒增强体，改善了传统外部添加工艺制备颗粒增强铝基复合材料时颗粒与基体界面润湿性差、颗粒分布不均匀等缺陷。
②利用铸轧工艺的亚快速凝固特点和热加工成形特点，可细化的产品晶粒组织和提高颗粒分散均匀性，从而显著改善产品综合性能和提高生产效率。
③本专利所述工艺简单可行，解决了颗粒增强铝基复合材料成形困难的问题，工艺流程短，高效节能，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料的混合熔体制备示意图
图3为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料的铸轧成形示意图；
图4为本发明实施例1中tib2颗粒增强铝基复合材料内tib2颗粒分布图；
图5为本发明实施例1中tib2颗粒增强铝基复合材料的tib2颗粒形貌图；
图6为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料板材产品截面示意图；
图7为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料管材产品截面示意图；
图8为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料棒材产品截面示意图；
图9a为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料异形截面产品截面示意图之一；
图9b为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料异形截面产品截面示意图之二；
图9c为本发明的tib2颗粒增强铝基复合材料异形截面产品截面示意图之三。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明包含以下步骤：
一种基于原位生成tib2的颗粒增强铝基复合材料铸轧方法，包括以下步骤：
s1、熔化铝基体并保温：将铝锭放入坩埚，置于保护气氛中加热至700～900℃，待铝锭熔化成铝液后保温20～60min；
s2、配置化学试剂：将反应试剂kbf4和k2tif6按ti/b＝1：2化学计量比配置，与催化试剂mgf2和alf6na3混合均匀，利用加热炉在200～300℃温度下烘干30～60min；
s3、搅拌混合：将步骤s2中烘干后的化学试剂均匀分散到步骤s1的铝液中，并搅拌均匀，制备混合熔体；
s4、保温与反应：对步骤s3得到的混合熔体在700～900℃温度下进行保温，保温总时间为40～100min，每5～20min搅拌一次，每次搅拌持续时间1～5min，期间混合熔体内kbf4和k2tif6发生化学反应生成tib2颗粒，反应方程式如下：
3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+9kalf4+k3alf6
s5、去除浮渣并保温：经过保温总时间t1后，kbf4和k2tif6完全反应生成tib2，去除混合熔体中的浮渣，然后将混合熔体冷却至浇注温度680～750℃，保温10～30min。
步骤s5中利用石墨勺去除混合熔体中的浮渣，步骤s6中铸轧机的铸轧辊根据产品形状开设不同孔型。
s6、连续铸轧成形：将混合熔体浇注到铸轧机熔池中，连续铸轧成形为质量分数为w的tib2颗粒增强铝基复合材料。
步骤s6中所述质量分数w通过调控kbf4和k2tif6添加的质量来控制。
实施例1：
选择铝基体为6061铝合金，制备颗粒含量为5％wt的tib2颗粒增强6061铝基复合板的步骤如下：
s1、熔化铝基体并保温：将6061铝锭放入坩埚6，置于保护气氛11中利用加热炉5加热至指定温度830℃，待6061铝锭熔化成6061铝液后保温时间20min。
s2、配置化学试剂：将按ti/b＝1：2化学计量比的kbf4(194.2g)和k2tif6(185g)以及催化剂mgf2(20g)和alf6na3(40g)混合均匀，利用加热炉在指定温度200℃烘干时间30min。
s3、加入化学试剂：利用石墨搅拌桨9搅拌，将烘干后的化学试剂通过加入通道13均匀分散到6061铝液中，制备混合熔体，搅拌速度300r/min。
s4、保温与反应：对混合熔体在指定温度830℃保温，保温总时间50min，每保温10min搅拌一次，每次持续搅拌时间1min，期间混合熔体内kbf4和k2tif6按式(1)发生化学反应生成tib2颗粒。
3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+9kalf4+k3alf6式(1)
s5、去除浮渣并保温：经过保温总时间50min后，kbf4和k2tif6完全反应生成tib2，去除混合熔体中的浮渣8，然后将混合熔体冷却至浇注温度700℃，保温时间20min。
s6、连续铸轧成形：将混合熔体通过布流装置14浇注到铸轧辊16和侧封装置15形成的熔池中，直接铸轧成形为颗粒含量为5％wt的tib2颗粒增强6061铝基复合板18。
制备的tib2颗粒增强6061铝基复合板截面如图6所示，图4为tib2颗粒增强6061铝基复合板内tib2颗粒分布图，从图中可以看出，tib2颗粒增强6061铝基复合板晶粒细小，tib2颗粒反应充分并且分散均匀，图5为tib2颗粒微观形貌图，从图中可以看出，tib2颗粒均为纳米级。实验表明，tib2颗粒增强6061铝基复合板拉伸强度为184mpa，显著高于6061铝合金。
当然，根据本发明的工艺原理，还可用于制备其他截面的tib2颗粒增强铝基复合材料，如tib2颗粒增强铝基复合管材(图7)、tib2颗粒增强铝基复合棒材(图8)、tib2颗粒增强铝基复合异形截面产品(图9a-图9c)等。在生产中，铸轧机的铸轧辊根据产品形状开设不同孔型，即可得到不同的tib2颗粒增强铝基材。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。