纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料，尤其涉及原位合成纳米Tic陶瓷 颗粒增强铝基复合材料及其制备工艺，属于金属基复合材料领域。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，尤其是航空航天、国防、交通等领域的快速发展，对材料综 合性能要求越来越高，单一材料已不能满足这种要求。颗粒强化铝基复合材料具有比强度 高、耐磨、耐热性好等优点，在许多领域被用于替代传统的钢铁材料。TiC具有高强度、高模 量、高熔点且与铝基体润湿良好等优点，同时TiC具有与铝相近的晶格常数，是铝熔体理想 的结晶晶核，可以起到细化母体晶粒的效果，因此是强化铝基合金理想的第二相粒子，利用 TiC强化铝基材料的研究受到了越来越多的关注。传统的制备颗粒强化金属基复合材料 的方法是将预先制备好的颗粒加入到金属熔体中，该方法存在着颗粒与金属基体间结合较 差，颗粒粗大且均匀化困难等一系列问题。例如，采用传统的Al-Ti-C体系制备的原位TiC 增强铝基复合材料，TiC尺寸一般在1-5微米，重量百分比在20%以上，这种复合材料只能 作为中间合金使用，增加了制造成本。
[0003] 原位合成技术是在特定的条件下，通过两种或多种物质之间的化学反应，在金属 基体内原位生成一种或多种增强相，达到改善基体某些性能的目的。由于增强相颗粒是原 位生成的，所以具有颗粒细小、表面无污染、热力学性能稳定、强化相颗粒与基体之间润湿 性好等优点，成为了制备颗粒增强铝基复合材料的理想方法。但由于原位反应速度快，反 应过程不易控制等因素，反应生成物的成分和组织还不尽如人意，强化相粒子容易长大、偏 聚，致使材料的整体性能达不到设计要求，现今常采用机械搅拌或电磁搅拌法来达到均匀 化的目的，但效果还不太理想。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在原位合成过程 中使用NaCl作为细化剂，不受原位合成TiC与基体间重量比控制，TiC含量低；TiC陶瓷颗 粒圆整度好，尺寸在0. 1-1微米，在基体内分布均匀，与基体结合度好。
[0005] 本发明的另一个目的在于提供纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法， 工艺简单。
[0006] 本发明的目的是通过以下的技术方案实现的： 一种纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，包括基体铝以及纳米TiC陶瓷增强体，纳米TiC陶瓷增强体的添加量是基体铝重量百分比的1-15% ;所述的纳米TiC陶瓷增强体的尺寸 在0. 1-1微米。
[0007] 所述的纳米TiC陶瓷增强体包括钛粉、石墨粉、细化剂NaCl，其中钛粉与石墨粉的 摩尔比为1:1. 2,NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3 :25,A1粉与钛粉和石墨粉总量的 质量比为3 :7。
[0008] 基体铝纯度为99. 5%，粒度为200目；钛粉纯度为99. 5%，粒度为325目；石墨粉纯 度为99%，粒度为200目；NaCl纯度为99%，粒度为200-325目。
[0009] 纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下： 步骤1称料：按比例取铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl，其中，钛粉与石墨粉的摩尔比为 1:1. 2,NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3 :25,A1粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为 3 ：7 ； 步骤2混合：将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合均匀； 步骤3压块：将混合后的粉料压制成圆柱形预制块，70°C干燥6小时； 步骤4TiC陶瓷颗粒增强体的制备：将工业纯铝锭放入到石墨坩埚中，加热至熔融温 度以上（850°C)，保温30min，去除表层灰渣，将压制好的预制块投入到铝熔体内，反应完全 后机械搅拌l〇min，将熔体温度降至750°C保温15min，去除表层灰渣后，将熔体倒入预热至 250°C的金属磨具中冷却，制备出纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
[0010] 本申请在原位合成过程中使用NaCl作为细化剂，不受原位合成TiC与基体间重量 比控制，可以生产TiC含量很低的复合材料，分布在铝基中的TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸 在0. 1-1微米，分布均匀，与基体间结合好。
【附图说明】
[0011] 图1是实施例1原位合成纳米Tic陶瓷颗粒增强铝基复合材料扫描电子显微镜照 片；可见，合成的纳米TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸在0. 1-1微米； 图2是实施例1原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料中球状相的能谱图。 谱图说明合成的纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料纯度好，无其它杂质，其中没有发现 NaCl的峰存在，是因为所加NaCl量非常少所致。
【具体实施方式】
[0012] 以下通过实施例对本发明做进一步说明。
[0013] 实施例1 原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下： 步骤一、取铝粉、钛粉、石墨粉、NaC1的粉料配料；其中，钛粉与石墨粉的摩尔比为 1:1. 2,NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3 :25,A1粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为 3 ：7 ； 步骤二、将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合12小时； 步骤三、将混合后的粉料在20MPa压力下压制成直径为10毫米，高度为10毫米的圆柱 形预制块，在干燥箱中干燥6小时，温度70°C; 步骤四、将称量好的工业纯铝锭放入到石墨坩埚中，在井式电阻炉中加热至850°C，保 温30min，去除表层灰渣，按照重量比TiC:Al=l:9 (TiC是Ai重量百分比的1/9=11. 11%，） 计算出所需重量的预制块，将称量好的预制块投入到铝熔体内进行反应，反应完全后机械 搅拌lOmin，将熔体温度降至750°C保温15min，去除表层灰渣后，将熔体倒入预热至250°C 的金属磨具中冷却，制备出重量百分比TiC:Al=l:9的纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材 料，球状相元素重量及原子百分比见下表所示：
【主权项】
1. 纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料，其特征在于包括基体铅W及纳米TiC陶瓷增 强体，纳米TiC陶瓷增强体的尺寸在0. 1-1微米，添加量是基体铅重量的1-15% ;纳米TiC陶 瓷增强体包括铅粉、铁粉、石墨粉、细化剂化C1，其中铁粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2,化C1 与铁粉和石墨粉总量的摩尔比为3 ;25, A1粉与铁粉和石墨粉总量的质量比为3 ;7。
2. 根据权利要求1所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料，其特征在于铅粉纯度 为99. 5%，粒度为200目。
3. 根据权利要求1所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料，其特征在于铁粉纯度 为99. 5%，粒度为325目。
4. 根据权利要求1所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料，其特征在于石墨粉纯 度为99%，粒度为325目。
5. 根据权利要求1所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料，其特征在于化C1纯度 为99%，粒度为200-325目。
6. 权利要求1所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料的制备方法，其特征在于步 骤如下： 步骤1称料；按比例取铅粉、铁粉、石墨粉、化C1，其中，铁粉与石墨粉的摩尔比为 1:1. 2,化C1与铁粉和石墨粉总量的摩尔比为3 ;25, A1粉与铁粉和石墨粉总量的质量比为 3 ：7 ； 步骤2混合；将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合均匀； 步骤3压块；将混合后的粉料压制成圆柱形预制块，干燥； 步骤4 TiC陶瓷颗粒增强体的制备；将工业纯铅锭放入到石墨巧巧中，在井式电阻炉 中加热至85(TC得到铅烙体，保温30min，去除表层灰渣，将压制好的圆柱形预制块投入到 铅烙体内，反应完全后机械揽拌混合均匀，将烙体温度降至75(TC保温15min，去除表层灰 渣后，将烙体倒入经预热的金属磨具中冷却，获得纳米TiC陶瓷颗粒增强铅基复合材料。
【专利摘要】本发明涉及纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料包括基体铝以及纳米TiC陶瓷增强体，纳米TiC陶瓷增强体的尺寸在0.1-1微米,添加量是基体铝重量的1-15%；纳米TiC陶瓷增强体包括铝粉、钛粉、石墨粉、细化剂NaCl，其中钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7。是将铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl压制成预制块后投入到铝熔体中，反应后得到纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料。本发明制备的纳米TiC陶瓷增强体颗粒圆整度好，在铝基体内分布均匀，与基体结合度好。
【IPC分类】C22C21-00, C22C32-00, C22C1-02
【公开号】CN104532068
【申请号】CN201410775227
【发明人】周泽华, 袁焕龙, 仲召军, 王泽华, 张欣
【申请人】河海大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月15日