本发明属金属基复合材料领域，特别涉及一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
铝基复合材料具有低密度、高比强度、耐腐蚀以及易加工等特点，在航空航天、汽车、军事和海洋等工程领域具有重要的应用价值。为满足铝基复合材料对综合性能的需求，本发明设计了一种综合性能可控的新型铝基复合材料，其具有高温强度好、体积稳定性好、刚度好、耐磨性好等综合优点，并开发了成本低廉、工艺简单的制备方法。
颗粒增强铝基复合材料通常采用外加法制备，但增强颗粒与铝基体界面结合差，难以发挥出增强颗粒的优势，且在大规模生产中难以控制其稳定性，采用原位内生法可克服上述缺点。内生增强颗粒一般包括金属间化合物和陶瓷颗粒，其中过渡族金属硼化物具有稳定的化学性质，如ZrB2熔点高(3245℃)、硬度高(23Gpa)、弹性模量大(489GPa)，对材料刚度的提升有重要作用。AlN熔点为2573℃，密度为3.2g/cm3，弹性模量为308～315GPa，是一种提高复合材料高温强度的理想陶瓷粒子。Al2O3密度低(3.9g/cm3)、熔点高(2054℃)，可改善复合材料的体积稳定性，并显著提高材料的耐磨性。此外，由于不同粒子与铝基体结合特性的差别，近年来，双相或多相颗粒协同增强铝基复合材料受到越来越多关注，如公开号为CN 105385902A的中国专利公开了一种AlB2和AlN颗粒增强铝基复合材料的制备方法，粒子发挥协同作用。
公开号为CN 109692964A的中国专利公开了一种含ZrB2颗粒增强铝基复合材料的制备方法，将增强相反应物与铝基合金的原料一起进行熔炼，施加雾化压力使其雾化冷却形成粉末，制成铝基复合材料。但该方法制备工艺复杂，无法大规模生产；且在制备中用到KBF4和K2TiF6会生成AlF3，污染环境。公开号为CN 109402441A的中国专利公开了一种以超细铝粉、空气为原料制备AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料的方法，但该方法无法有效控制增强颗粒的含量，并且增强相难以在基体上分布均匀，受设备限制，无法批量化生产。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种综合性能好、增强颗粒分散性好、成本低、可工业化生产的ZrB2、AlN和Al2O3颗粒协同增强铝基复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种原位内生多相颗粒增强铝基复合材料，其特征是：铝基体上均匀分布原位生成的纳米级ZrB2，AlN和Al2O3颗粒；ZrB2的质量百分比为1.8～27.5，尺寸为50～300nm；AlN的质量百分比为3.3～41.3，尺寸为10～50nm；Al2O3的质量百分比为1.1～16.5，尺寸为10～100nm。其中，ZrB2，AlN和Al2O3协同增强，同时提升材料的强度、弹性模量、耐磨性与体积稳定性。
上述复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉50.0～95.0(尺寸≤70μm)、二氧化锆粉2.0～30.0(尺寸≤2μm)、氮化硼粉2.0～25.0(尺寸≤2μm)；
(2)按比例称取步骤(1)中的物料，首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速≤150r/min)1～6h，再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速≥300r/min)6～48h，以上两步球磨均在氩气氛围下进行，球料比均设定在3:1～6:1间；
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套，在冷/热等静压机中压制成预制体；
(4)将预制体放入真空烧结炉内，设定真空度在5×10-5～1×10-2Pa间，采用固液顺序烧结法，首先进行固相烧结，控制烧结温度为570～640℃，保温时间为60～240min，然后进行液相烧结，将烧结温度控制为660～950℃，保温时间为10～90min，即可获得ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
(1)采用双速球磨法，即：先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨，实现二氧化锆粉均匀分布，避免机械合金化作用产生大量ZrAl3相，再加入氮化硼粉高速球磨，既实现了二氧化锆和氮化硼粉的活化，又充分利用氮化硼粉的润滑作用，使球磨后物料粒度小，减少了预制体的缺陷。
(2)固液顺序烧结法具有多级反应机制，在较低温度下，铝和二氧化锆进行固–固反应生成纳米Al2O3颗粒呈弥散分布，固态下颗粒的扩散能力有限，克服了纳米级颗粒的团聚现象，在较高的温度下铝与氮化硼粉进行液–固反应，生成了团絮状分布的纳米AlN，且已经生成的Al2O3对AlN具有分散作用，使其均匀的分布在基体中。由于在较高温下保温时间较短，生成的纳米ZrB2相，克服了生成金属间化合物易长大的缺点，因此制备了一种分散性好的多相纳米颗粒增强铝基复合材料。
(3)通过改变铝粉、氮化硼粉、二氧化锆粉的配比可调控增强颗粒的含量，通过反应温度和保温时间可控制增强颗粒的尺寸与形貌。
本发明制备的复合材料中原位生成的纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒热力学稳定，表面洁净无污染，与基体结合强度高；增强颗粒在基体上均匀分布，无团聚现象。不同尺度的颗粒具有协同增强效果，展示了良好的综合力学性能。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例。
实施例1
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉94.0(尺寸≤50μm)、氮化硼粉3.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉3.0(尺寸≤2μm)；
(2)按比例称取步骤(1)中的物料，首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)2h，再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)8h，以上两步球磨均在氩气氛围下进行，球料比均设定在4:1；
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
(4)采用固液顺序烧结法，即将预制体放入真空烧结炉内，设定真空度为5×10-5Pa，首先固相烧结控制烧结温度为580℃，保温时间为180min，然后液相烧结将烧结温度控制为700℃，保温时间为60min，即可获得ZrB2，AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：Al–2.7ZrB2–5.0AlN–1.7Al2O3，纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布，ZrB2颗粒尺寸为50～100nm，AlN颗粒尺寸为10～30nm，Al2O3颗粒尺寸为10～50nm。
实施例2
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉78.0(尺寸≤50μm)、氮化硼粉10.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉12.0(尺寸≤2μm)；
(2)按比例称取步骤(1)中的物料，首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)4h，再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)18h，以上两步球磨均在氩气氛围下进行，球料比均设定在5:1；
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
(4)采用固液顺序烧结法，即将预制体放入真空烧结炉内，设定真空度为5×10-5Pa，首先固相烧结控制烧结温度为600℃，保温时间为120min，然后液相烧结将烧结温度控制为800℃，保温时间为40min，即可获得ZrB2，AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN与Al2O3颗粒增强铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：Al–11.0ZrB2–16.5AlN–6.6Al2O3，纳米级ZrB2、AlN和Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布，ZrB2颗粒尺寸为100～200nm，AlN颗粒尺寸为20～50nm，Al2O3颗粒尺寸为20～80nm。
实施例3
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉50.0(尺寸≤6μm)、氮化硼粉22.0(尺寸≤2μm)、二氧化锆粉28.0(尺寸≤2μm)；
(2)按比例称取步骤(1)中的物料，首先将铝粉和二氧化锆粉低速球磨(球磨机转速100r/min)6h，再加入氮化硼粉高速球磨(球磨机转速300r/min)40h，以上两步球磨均在氩气氛围下进行，球料比均设定在6:1；
(3)将步骤(2)两步球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
(4)采用固液顺序烧结法，即将预制体放入真空烧结炉内，设定真空度为5×10-5Pa，首先固相烧结控制烧结温度为620℃，保温时间为60min，然后液相烧结将烧结温度控制为900℃，保温时间为20min，即可获得ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
按照上述配比和工艺可得到一种原位内生ZrB2、AlN和Al2O3颗粒增强铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：Al–25.6ZrB2–36.3AlN–15.4Al2O3，纳米级ZrB2、AlN与Al2O3颗粒在铝基体上均匀分布，ZrB2颗粒尺寸为200～300nm，AlN颗粒尺寸为30～50nm，Al2O3颗粒尺寸为50～100nm。