一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特別涉及一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計和制備方法，即在純鋁或鋁合金基體中加入微納尺度MgO和SiO2、TiO2、ZrO2三者中的一種或幾種，通過熔體直接反應(yīng)法制備Al2O3和MgO?Al2O3（鎂鋁尖晶石）混雜氧化物顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料，Al2O3顆粒尺寸處于納米級，鎂鋁尖晶石顆粒處于微納米級，實(shí)現(xiàn)多尺度混雜氧化物顆粒強(qiáng)化。顆粒體積分?jǐn)?shù)依據(jù)化學(xué)計量式計算得到，適宜的顆?？傮w積分?jǐn)?shù)為2vol.%~4vol.%，所制備復(fù)合材料具有低成本、高強(qiáng)度、高耐磨、低熱膨脹性和低殘余應(yīng)力的特征，是一種新型的鋁基復(fù)合材料體系。
【專利說明】一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特別涉及一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的設(shè)計和制備方法，屬于新材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】 [0002]招基復(fù)合材料綜合了招基體和復(fù)合相的優(yōu)勢，具有聞強(qiáng)度、聞|旲量、聞耐磨、低膨脹性等綜合優(yōu)異的使用性能，在新材料研究中備受關(guān)注，當(dāng)顆粒作為增強(qiáng)相時，具有各相同性好，顆粒圓整化好，彌散均勻分布，有外力作用時應(yīng)力分散均勻等特征，因此對新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。
[0003]現(xiàn)有增強(qiáng)相種類主要有以下幾種，包括(I)氧化物，如氧化鋁；(2)硼化物，如TiB2和ZrB2 ； (3)金屬間化合物,如Al3Zr、Al3Ti及其混合體Al3(TUrx) (x=0~l),顆粒尺寸從數(shù)微米到納米尺度不等，目前尚待拓展和深入的方向有:
1.目前使用的顆粒都屬于小分子或單分子物質(zhì)，種類比較單一，制備和作用機(jī)制也單一，因此發(fā)展一種復(fù)合化合物，與簡單化合物協(xié)同作用來強(qiáng)化基體將具有新的組織和性能特征，在諸多復(fù)雜化合物中，鎂鋁尖晶石MgOAl2O3是一種高穩(wěn)定性化合物，具有熔點(diǎn)高(2135°C)、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，適宜作為金屬基體的強(qiáng)化相。
[0004]2.目前所選擇的反應(yīng)物間缺乏協(xié)同作用，即反應(yīng)物A和反應(yīng)物B與鋁液作用時是獨(dú)立的，生成物在鋁液中的穩(wěn)定性不易控制，若能增加N多種反應(yīng)物間的協(xié)同作用，即反應(yīng)物A能與“反應(yīng)物B-鋁液”反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生強(qiáng)相互作用，則有助于促進(jìn)“反應(yīng)物B-鋁液”的作用，起到增加生成物數(shù)量和穩(wěn)定性的目的，本發(fā)明中A設(shè)定為MgO，B設(shè)定為SiO2或ZrO2或TiO2或三者中任意兩者或三者搭配時，就能起到上述的協(xié)同作用效果(見
【發(fā)明內(nèi)容】
中的詳細(xì)說明)。
[0005]3.目前所選擇反應(yīng)物時多從生成強(qiáng)化相種類和數(shù)量考慮，很少考慮反應(yīng)物與基體作用后生成的合金元素會更新鋁基體組分，若反應(yīng)物與鋁液反應(yīng)后在生成增強(qiáng)相的同時還生成合金組分，能起到進(jìn)一步改善復(fù)合材料組織和性能的目的。比如當(dāng)選擇SiO2或ZrO2或TiO2或三者中任意兩者或三者搭配時，所引入的S1、Zr和Ti就能起到以上作用。
[0006]本發(fā)明意在提供一種簡單氧化物和復(fù)雜氧化物混雜增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，協(xié)調(diào)發(fā)揮二者的強(qiáng)化作用，并通過調(diào)控反應(yīng)物配料，實(shí)現(xiàn)制備過程的低成本低能耗和高效率，并同時實(shí)現(xiàn)制備工藝的低污染和制備復(fù)合材料的高質(zhì)量，滿足新材料制備的內(nèi)在需求，即“低成本、低污染、高效率、高質(zhì)量”。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種簡單/復(fù)雜氧化物混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，即以MgO和SiO2 (或Ti02、Zr02等)作為反應(yīng)物原料，在Si02、Ti02、Zr02等氧化物之間選擇時主要考慮鋁合金中S1、T1、Zr組分的配加量，如果這些合金組分加入后不影響原鋁合金基體的性質(zhì)，甚或能進(jìn)一步提高合金性能，則可作為備選氧化物)，比如當(dāng)基體為鑄造鋁合金ZLlOl或者ZLlOlA時，少量[Si]組分引入不會對鋁基體產(chǎn)生不良影響。
[0008]以下以SiO2為例，說明反應(yīng)物配料計算方法。當(dāng)在鋁液中加入MgO和SiO2后，在一定溫度條件下會發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)，即:
4A1+ 3Si02=2Al203+3Si (I)
MgCHAl2O3= MgOAl2O3 (2)
從化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)上看，(2)式中MgOAl2O3物質(zhì)穩(wěn)定，具有較大的生成自由能，反應(yīng)
(2)進(jìn)行的程度大，Al2O3大量消耗，促進(jìn)了反應(yīng)(I)的進(jìn)行，有助于提高(I)式中Al2O3的生成量。
[0009]增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)值是復(fù)合材料設(shè)計的重要內(nèi)容，本發(fā)明中為控制顆粒體積分?jǐn)?shù)，在配料時以預(yù)期MgOAl2O3體積分?jǐn)?shù)為依據(jù)，假定初始熔化鋁量為lOOOg，高溫(75(T850 °C)時鋁(鋁合金)的密度為2.4 X 103kg/m3，或2.4g/ml，則熔體體積為1000/2.4=416.7ml，設(shè)定 MgOAl2O3 體積分?jǐn)?shù)為 lvol.%，則其體積為 4.167cm3，MgOAl2O3 密度為3.4X103kg/m3，則其質(zhì) 量為14.2g，代入(2)式得需要配料加入的MgO為4g，此時消耗的Al2O3量為10.2g。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定MgO加入后的平均收得率為80% (實(shí)驗(yàn)測得收得率范圍為759^85%)，則需要配加的MgO數(shù)量為5 g，因此得到:當(dāng)鋁量固定時，可按照“l(fā)OOOg鋁對應(yīng)lvol.% MgOAl2O3對應(yīng)5 gMgO添加量”進(jìn)行配料。
[0010]若進(jìn)一步設(shè)定簡單氧化物Al2O3顆粒強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)也是lvol.%,與MgOAl2O3體積量一樣為4.167cm3, Al2O3密度為3.98g/cm3，則質(zhì)量為16.6g，加上公式(2)中消耗的10.2g Al2O3,共計26.8 g，對應(yīng)消耗的SiO2量為23.65g，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定SiO2加入后的平均收得率為80% (實(shí)驗(yàn)測得收得率范圍為759^85%)，則需要配加的SiO2數(shù)量為29.56 g，此時消耗的鋁液為14.2 g，與初始鋁量1000g相比，僅占質(zhì)量的1.42 %，因此在計算鋁熔體體積時忽略(I)式中消耗的鋁量。因此當(dāng)初始鋁量確定后，可按照“1000kg鋁對應(yīng)lvol.% Al2O3對應(yīng)29.56g SiO2添加量”進(jìn)行配料。
[0011]當(dāng)選擇TiO2或ZrO2時，按照同樣方法進(jìn)行計算，得到如下配料方法，即:“1000kg鋁對應(yīng)lvol.% Al2O3對應(yīng)39.41 g TiO2添加量(TiO2收得率按80%計算)”和“ 1000kg鋁對應(yīng)lvol.% Al2O3對應(yīng)60.6 g ZrO2添加量(ZrO2收得率按80%計算)”。
[0012]復(fù)合材料制備方法為:
根據(jù)鋁量和配料原則確定MgO和XO2 (可以是Si02、TiO2, ZrO2或或兩者以上按配料原則的混合物)后，首先將反應(yīng)物于200°C烘烤3~4小時，充分去除附著水和結(jié)晶水，冷卻后混勻，按照每粉包2(T30g的量用鋁箔包好待用。在坩堝爐中熔化鋁或鋁合金，當(dāng)溫度達(dá)到850°C時，用石墨鐘罩將粉包依次壓入熔體中，反應(yīng)開始進(jìn)行，過程中加強(qiáng)攪拌促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，25min后反應(yīng)結(jié)束，扒除上層浮渣，精煉除氣后澆注成鑄態(tài)復(fù)合材料；再根據(jù)基體組分選擇熱處理或擠壓、軋制等后加工方式，得到最終鋁基復(fù)合材料進(jìn)行性能測試。
[0013]所述增強(qiáng)顆粒為兩種氧化物Al2O3和MgOSiO2 (鎂鋁尖晶石XAl2O3顆粒尺寸為納米級，鎂鋁尖晶石顆粒尺寸為微納米級。
[0014]簡單化合物Al2O3和復(fù)雜化合物MgOAl2O3 (鎂鋁尖晶石)都具有高模量，Al2O3 (純度99.5%)彈性模量375GPa，MgOAl2O3 (鎂鋁尖晶石)的彈性模量為249GPa，而基體鋁只有70GPa ;而且Al2O3通過鋁和氧化物在鋁基體中原位生成，Al2O3顆粒與基體潤濕性好，彌散均勻分布于熔體內(nèi)部，因此兩種陶瓷顆粒都可以通過彌散強(qiáng)化的方式增強(qiáng)鋁基體，有助于提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度；再者，高彈性模量的陶瓷顆粒有助于提高材料耐磨性；ai203和MgOAl2O3都具有低膨脹的特征，可以減少高溫條件下材料的膨脹性，有助于提高材料服役時的尺寸穩(wěn)定性；同時小尺寸簡單化合物Al2O3和大尺寸復(fù)雜化合物MgOAl2O3共存于基體中，二者協(xié)同作用，有助于緩解材料內(nèi)部因鑄造凝固不同步產(chǎn)生的不均勻分布拉、壓應(yīng)力，表現(xiàn)為材料內(nèi)部殘余應(yīng)力減??；復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高耐磨、低熱膨脹性和低殘余應(yīng)力的綜合性能，當(dāng)增強(qiáng)顆粒總體積分?jǐn)?shù)2vol.9T4vol.%時，抗拉強(qiáng)度增幅59Tl5%，耐磨性提高9-11%，線膨脹系數(shù)下降9-11%，殘余應(yīng)力減少幅值10%~20%。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明提供以下三種實(shí)施案例，但并不是以任何方式限制該發(fā)明的應(yīng)用范圍和條件。
[0016]實(shí)施例1 2vol.%(Al203+Mg0*Al203)顆粒強(qiáng)化ZLlOl鋁基復(fù)合材料的制備和力學(xué)性能
ZLlOlA的主要組分如表1。
[0017]表1 ZLlOl鋁合金的化學(xué)成分(wt%)
【權(quán)利要求】
1.一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒為Al2O3和MgOSiO2,當(dāng)增強(qiáng)顆?？傮w積分?jǐn)?shù)2vol.°/T4vol.%時,抗拉強(qiáng)度增幅5°/Tl5%,耐磨性提高9-11%，線膨脹系數(shù)下降9-11%，殘余應(yīng)力減少幅值10%~20%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于:其中生成的增強(qiáng)顆粒Al2O3顆粒尺寸為納米級，MgO-SiO2顆粒尺寸為微納米級。
3.如權(quán)利要求1所述的一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:按鋁量和配料原則，確定MgO和XO2后，首先將反應(yīng)物于200°C烘烤3~4小時，充分去除附著水和結(jié)晶水，冷卻后混勻，按照每粉包2(T30g的量用鋁箔包好待用；在坩堝爐中熔化鋁或鋁合金，當(dāng)溫度達(dá)到850°C時，用石墨鐘罩將粉包依次壓入熔體中，反應(yīng)開始進(jìn)行，過程中加強(qiáng)攪拌促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，25min后反應(yīng)結(jié)束，扒除上層浮渣，精煉除氣后澆注成鑄態(tài)復(fù)合材料；再根據(jù)基體組分選擇熱處理、擠壓或軋制后加工方式，得到最終鋁基復(fù)合材料進(jìn)行性能測試。
4.如權(quán)利要求3所述的一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述配料原則為:1000g鋁對應(yīng)1vol.% MgOAl2O3對應(yīng)5gMgO添加量；1000kg鋁對應(yīng)Ivol.%Al2O3 對應(yīng) 29.56g SiO2 添加量；1000kg 鋁對應(yīng) lvol.% Al2O3 對應(yīng) 39.41g TiO2 添加量；1000kg 鋁對應(yīng) lvol.% Al2O3 對應(yīng) 60.6g ZrO2 添加量。
5.如權(quán)利要求3所述的一種新型顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述XO2為Si02、TiO2, ZrO2或兩者 以上按配料原則的混合物。
【文檔編號】C22C21/00GK103627932SQ201310682750
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】李桂榮, 王宏明 申請人:江蘇大學(xué)