一种准晶增强铝基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种准晶增强铝基复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术：

准晶的衍射花样具有五次、八次、十次和十二次旋转对称，具有非晶体学旋转对称性和长周期性平移序；准晶具有低电导率和导热性、特殊的光学性能、低表面能量和摩擦系数、抗氧化性、生物相容性和高硬度，但本身具有的低温脆性决定其很难作为结构件使用；为了利用其优异的性能，可以将准晶作为增强体，即，采用第二相增强机制；一方面，准晶作为增强体可以充分发挥准晶优异的性能，提高复合材料的机械性能；另一方面，铝基准晶和铝合金中都含量有大量的铝可以解决增强体颗粒与基体之间界面润湿性的问题；alnico是十次单相多孔组织，由于mn原子具有高的硬度和耐磨性，所以在alnico准晶的基础上用mn原子来代替一部分co原子，故可设计alnicomn系准晶。

准晶在基体中的分布和含量决定了复合材料整体的性能，目前，准晶增强铝基复合材料的研究主要采用粉末冶金法，该制备方法成本较高、不适合大批量生产、且材料的强度和韧性较差；为了使准晶颗粒更好的和基体材料复合，采用电磁搅拌的方式；一方面，电磁搅拌可以所有的反应物进行充分的混合，并且混合的更加均匀，混合以后的材料的温度会比较均匀；另一方面，电磁搅拌可以防止枝晶的生长，从而获得更好的铸态微观结构；由于准晶颗粒和基体中所含元素浓度不同会发生扩散，由于原子扩散导致成分变化，会使准晶相结构失稳；为了更好利用准晶的优异性能，采用高温氧化准晶颗粒使准晶表面产生一层薄的氧化膜，从而减少增强体和基体之间的扩散，这一技术还在科学研究中。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的不足，充分利用四元系准晶的优异性能，以铸造铝合金为基体，以alnicomn准晶为增强体颗粒，通过在高温下氧化准晶，在准晶表面形成氧化膜，在制备复合材料的过程中，减少准晶和基体之间的相互扩散；通过铸造和电磁熔炼相结合的方法制备性能优异的准晶增强铝基复合材料。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为铝、镍、钴、锰、铝合金、无水乙醇、氩气，其组合准备用量如下：克、毫升、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)预处理准晶材料

①将铝块200g±0.01g、镍块80g±0.01g、钴颗粒60g±0.01g、锰片28g±0.01g进行破碎，成混合颗粒状；

②球磨，将颗粒状的准晶成分置于球磨机内，进行球磨，球磨时间为30min，球磨后成准晶混合颗粒；

③清洗，将准晶混合颗粒放入超声波清洗仪中，加入无水乙醇1000ml，进行清洗，清洗后晾干；

④干燥，将晾干的准晶混合颗粒放入真空干燥箱中，干燥温度为180℃，真空度为2pa，干燥时间为60min；

⑤高温氧化，将干燥的准晶颗粒置于热处理炉中，进行高温氧化，氧化温度为800℃，氧化时间为12h；

(2)铝合金切块

将铝合金3000g±0.01g置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸≤80mm×80mm×80mm；

(3)熔炼制备准晶增强铝基复合材料

准晶增强铝基复合材料的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，在加热、搅拌、添加准晶颗粒过程中是在氩气保护下完成的；

①清理熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，用无水乙醇进行清洗，使其洁净；

②置放原料，将切块的铝合金置于熔炼坩埚底部；

③置放准晶颗粒，将干燥的准晶颗粒均匀的置于坩埚内铝合金块的上部；

④关闭真空熔炼炉，开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达2pa；

⑤通氩气，打开压气阀、底吹电机，向真空熔炼炉内输入氩气，氩气输入速度为200cm³/min，使炉内大气压强恒定在1个大气压；

⑥加热，开启电磁感应熔炼炉加热器，加热温度750℃±2℃，加热时间为120min，原料充分熔化；当原料完全熔化后，降低加热温度至650℃±2℃，保温10min；

⑦电磁搅拌，开启电磁搅拌装置控制开关，设置电磁搅拌参数，搅拌频率为35hz，恒温搅拌时间10min；

(4)浇注，停止加热；停止输氩气；打开炉门，取出熔炼坩埚；将预制的浇注模具准备好，将溶液对准模具浇口进行浇铸；

(5)冷却，将浇铸熔液的模具埋入细砂中，进行冷却，冷却至25℃；

(6)开模，将冷却后的模具开模，取出铸件；

(7)清理，将铸件置于钢块平板上，用工具清理铸件表面，使其光整；用细砂纸打磨铸件表面，使其干净；用无水乙醇进行清洗，使其洁净；

(8)检测、分析、表征

对制备的准晶增强铝基复合材料进行检测、分析、表征；

用金相显微镜进行复合材料的微观组织和结构的分析；

用万能拉伸机分析准晶增强铝基复合材料材料力学性能的分析；

用维氏硬度计测量增强铝基复合材料的硬度；

用扫描电子显微镜对复合材料的微观组织形貌进行观察，并通过能谱仪进行相分析；

用x射线衍射仪对复合材料材料的相组成进行分析；

结论：准晶增强铝基复合材料呈矩形块状，硬度达145hv，抗拉强度达366mpa，抗拉强度、硬度相对于基体分别提高61.11％、42.5％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝基复合材料力学性能强度低、韧性差的情况，在铝基复合材料中添加准晶颗粒，通过熔炼、铸造制备成准晶增强铝基复合材料，以提高复合材料的强度和硬度，此制备方法工艺先进、技术参数精确翔实、产物纯度好、质量高，是先进的准晶增强铝基复合材料的制备方法。

附图说明

图1，准晶增强铝基复合材料熔炼状态图

图2，准晶增强铝基复合材料金相组织图

图3，准晶增强铝基复合材料扫描电镜微观形貌图

图4，准晶增强铝基复合材料微观形貌能谱分析图

图5，准晶增强铝基复合材料的x射线衍射图

图中所示，附图标记清单如下：

1、真空熔炼炉,2、炉腔,3、电磁搅拌装置,4、固定板,5、加热器,6、熔炼坩埚,7、熔炼合金,8、准晶颗粒,9、氩气,10、出气阀,11、排气管,12、电磁搅拌调节器,13、故障复位按钮,14、电控箱,15、电子显示屏,16、熔炼炉上升按钮,17、电源停止按钮,18、电磁搅拌启动按钮,19、第一电缆,20、通气口,21、工作台,22、通气管,23、底吹电机,24、电磁搅拌停止按钮,25、电流电压显示屏,26、急停旋钮,27、真空管,28、真空泵，29、加热指示灯，30、氩气开关阀，31、氩气瓶，32、加热开关，33、电源总开关，34、熔炼炉下降按钮，35、电源启动按钮，36、第二电缆，37、电源柜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为准晶增强铝基复合材料熔炼状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

制备熔炼使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

真空熔炼炉1为立式，真空熔炼炉1的内部为炉腔2，在炉腔下方设有工作台21；工作台21上部两侧为电磁搅拌装置3并固定在固定板4上；在熔炼坩埚6外部有加热器5，在熔炼坩埚5内部有熔融的熔炼合金7和加入的准晶颗粒8，且整个过程都是在有氩气9保护下进行的；在熔炼炉腔2右上角有出气阀10和排气管11；

在真空熔炼炉1右侧有电磁搅拌电控箱14，在电子显示屏15的下方有电磁搅拌调节器12，在电磁搅拌调节器12下方有故障复位按钮13、熔炼炉上升按钮16、电源停止按钮17、电磁搅拌启动按钮18和电磁搅拌停止按钮24；电控箱14和真空熔炼炉1通过第一电缆19和第二电缆36相连；

在真空熔炼炉1左侧设有电源柜37，电流电压显示屏25下方有急停旋钮26、加热指示灯29、加热开关32、电源总开关33、熔炼炉下降按钮34和电源启动按钮35；在工作台21上方有真空管27和真空泵28；氩气通过通气口20、通气管22和底吹电机23和真空熔炼炉1相连；在电源柜37的左边有氩气开关阀30和氩气瓶31。

图2所示，为准晶增强铝基复合材料的金相组织图，图中黑色的相为准晶相，深灰色的相为共晶si相，浅灰色相为α-al相。

图3所示，为准晶增强铝基复合材料扫描电镜微观形貌图，白色的准晶相均匀分布在基体中。

图4所示，为准晶增强铝基复合材料微观形貌能谱分析图，图中可以看到各元素在铝基体中分布均匀。

图5所示，为准晶增强铝基复合材料的x射线衍射图，α-al为铝硅合金，共晶si为初生硅，准晶相为al72ni13co10mn5。