本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料及其制造領(lǐng)域，涉及一種在鋁合金熔體中添加納米TiN制備鋁基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、耐疲勞、耐磨、阻尼性能好等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和使用性能且成本較纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料低廉，已被廣泛關(guān)注及研究。TiN與Al同屬面心立方結(jié)構(gòu)，且因其線膨脹系數(shù)較其他增強(qiáng)相更接近鋁基體，故在基體中產(chǎn)生的應(yīng)力集中相對(duì)較低，是一種理想的增強(qiáng)相。但目前的實(shí)驗(yàn)研究表明，若使用傳統(tǒng)的鑄造工藝制備鋁基復(fù)合材料，納米顆粒極易團(tuán)聚且與鋁合金熔體的潤(rùn)濕性差，很難在鋁合金熔體中均勻分散，這阻礙了該制備工藝的進(jìn)一步發(fā)展。若使用其他的制備方法，如：粉末冶金、壓力浸滲、噴射共沉積等又增加了制備的成本及難度。因此，解決納米顆粒在鋁合金熔體中潤(rùn)濕性和分散性差的難題，對(duì)促進(jìn)金屬基納米復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種納米TiN增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，以解決納米TiN在鋁合金熔體中潤(rùn)濕性和分散性差的難題。

具體步驟為：

(1) 將納米TiN和Al粉與270g NaCl和350g KCl 混合后置于氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，其中Al粉為36g，納米TiN按質(zhì)量比為TiN: Al =1: 16~1:48稱量，升溫速率為10°C/min；當(dāng)熔體溫度達(dá)到 680°C時(shí)，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，納米TiN在超聲波的作用下自動(dòng)包覆在Al粉表面；超聲15分鐘后將熔體倒入模具，待其冷卻到室溫，得到熔鹽和粉末的混合凝固體。

(2) 將步驟(1)得到的混合凝固體置于1000mL蒸餾水中，待凝固體中的NaCl和KCl完全溶解后得到懸浮液，用真空吸濾裝置對(duì)懸浮液進(jìn)行固液分離，將分離后得到的粉末在60°C下真空干燥，得到TiN/Al包覆粉末。

(3) 按質(zhì)量比Al-7Si-0.3Mg的配比計(jì)算并配料750g作為鋁基體原料，將稱取的鋁錠、鋁硅中間合金和鎂塊放入氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，升溫速率為10°C/min；待原料全部熔化后控制爐溫在625°C，以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌2分鐘，扒去熔體表面廢渣；待熔體溫度穩(wěn)定后，再次以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌，同時(shí)借助樣品勺按納米TiN的加入量為鋁基體的質(zhì)量百分含量0.1~0.3%的量；得鋁合金熔體。

（4）將步驟(2)得到的TiN/Al包覆粉末加入到步驟（3）所得鋁合金熔體中，加入時(shí)間為5~10分鐘；粉末添加完成后，持續(xù)攪拌10分鐘，以保證粉末在熔體中分散均勻；之后將熔體加熱至680°C，待熔體溫度穩(wěn)定，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為10~20分鐘的超聲處理，扒去熔體表面廢渣；將熔體靜置15分鐘后升溫至750°C，澆入到經(jīng)350°C預(yù)熱處理的模具中，在室溫下自然冷卻后脫模；

所述鋁錠純度達(dá)99.9%。

所述鋁硅中間合金為含質(zhì)量百分比25%的Si的鋁硅中間合金。

所述鎂塊純度達(dá)99.6%。

所述納米TiN顆粒，純度達(dá)99.9%，粒徑大小為20nm。

所述Al粉粒度為75μm，純度達(dá)99.95%。

所述NaCl和KCl均為分析純。

本發(fā)明制備的納米TiN增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，有效改善了納米TiN與鋁合金熔體的潤(rùn)濕性和分散性問(wèn)題，通過(guò)掃描電子顯微鏡照片可以看出，納米TiN顆粒均勻地分布在鋁基體中(如圖2)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的TiN/Al包覆粉末的掃描電子顯微鏡照片。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例4制得的TiN/Al-7Si-0.3Mg鋁基納米復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

(1) 將納米TiN和Al粉與270g NaCl和350g KCl 混合后置于氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，其中Al粉為36g，納米TiN按質(zhì)量比為TiN: Al =1: 16稱量，升溫速率為10°C/min；當(dāng)熔體溫度達(dá)到 680°C時(shí)，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，納米TiN在超聲波的作用下自動(dòng)包覆在Al粉表面；超聲15分鐘后將熔體倒入模具，待其冷卻到室溫，得到熔鹽和粉末的混合凝固體。

(2) 將步驟(1)得到的混合凝固體置于1000mL蒸餾水中，待凝固體中的NaCl和KCl完全溶解后得到懸浮液，用真空吸濾裝置對(duì)懸浮液進(jìn)行固液分離，將分離后得到的粉末在60°C下真空干燥，得到TiN/Al包覆粉末，其掃描電子顯微鏡照片如圖1所示。

(3) 按質(zhì)量比 Al-7Si-0.3Mg的配比計(jì)算并配料750g作為鋁基體原料，將稱取的鋁錠、鋁硅中間合金和鎂塊放入氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，升溫速率為10°C/min；待原料全部熔化后控制爐溫在625°C，以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌2分鐘，扒去熔體表面廢渣；待熔體溫度穩(wěn)定后，再次以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌，同時(shí)借助樣品勺按納米TiN的加入量為鋁基體的質(zhì)量百分含量0.3% 的量，得鋁合金熔體。

（4）將步驟(2)得到的TiN/Al包覆粉末加入到步驟（3）所得鋁合金熔體中，加入時(shí)間為8分鐘；粉末添加完成后，持續(xù)攪拌10分鐘，以保證粉末在熔體中分散均勻；之后將熔體加熱至680°C，待熔體溫度穩(wěn)定，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為15分鐘的超聲處理，扒去熔體表面廢渣；將熔體靜置15分鐘后升溫至750°C，澆入到經(jīng)350°C預(yù)熱處理的模具中，在室溫下自然冷卻后脫模。

實(shí)施例2：

(1) 將納米TiN和Al粉與270g NaCl和350g KCl 混合后置于氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，其中Al粉為36g，納米TiN按質(zhì)量比為TiN: Al =1: 16稱量，升溫速率為10°C/min；當(dāng)熔體溫度達(dá)到 680°C時(shí)，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，納米TiN在超聲波的作用下自動(dòng)包覆在Al粉表面；超聲15分鐘后將熔體倒入模具，待其冷卻到室溫，得到熔鹽和粉末的混合凝固體。

(2) 將步驟(1)得到的混合凝固體置于1000mL蒸餾水中，待凝固體中的NaCl和KCl完全溶解后得到懸浮液，用真空吸濾裝置對(duì)懸浮液進(jìn)行固液分離，將分離后得到的粉末在60°C下真空干燥，得到TiN/Al包覆粉末。

(3) 按質(zhì)量比Al-7Si-0.3Mg的配比計(jì)算并配料750g作為鋁基體原料，將稱取的鋁錠、鋁硅中間合金和鎂塊放入氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，升溫速率為10°C/min；待原料全部熔化后控制爐溫在625°C，以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌2分鐘，扒去熔體表面廢渣；待熔體溫度穩(wěn)定后，再次以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌，同時(shí)借助樣品勺按納米TiN的加入量為鋁基體的質(zhì)量百分含量0.1% 的量，得鋁合金熔體。

（4）將步驟(2)得到的TiN/Al包覆粉末加入到步驟（3）所得鋁合金熔體中，加入時(shí)間為5分鐘；粉末添加完成后，持續(xù)攪拌10分鐘，以保證粉末在熔體中分散均勻；之后將熔體加熱至680°C，待熔體溫度穩(wěn)定，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為10分鐘的超聲處理，扒去熔體表面廢渣；將熔體靜置15分鐘后升溫至750°C，澆入到經(jīng)350°C預(yù)熱處理的模具中，在室溫下自然冷卻后脫模。

實(shí)施例3：

(1) 將納米TiN和Al粉與270g NaCl和350g KCl 混合后置于氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，其中Al粉為36g，納米TiN按質(zhì)量比為TiN: Al =1: 48稱量，升溫速率為10°C/min；當(dāng)熔體溫度達(dá)到 680°C時(shí)，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，納米TiN在超聲波的作用下自動(dòng)包覆在Al粉表面；超聲15分鐘后將熔體倒入模具，待其冷卻到室溫，得到熔鹽和粉末的混合凝固體；

(2) 將步驟(1)得到的混合凝固體置于1000mL蒸餾水中，待凝固體中的NaCl和KCl完全溶解后得到懸浮液，用真空吸濾裝置對(duì)懸浮液進(jìn)行固液分離，將分離后得到的粉末在60°C下真空干燥，得到TiN/Al包覆粉末；

(3) 按質(zhì)量比Al-7Si-0.3Mg的配比計(jì)算并配料750g作為鋁基體原料，將稱取的鋁錠、鋁硅中間合金和鎂塊放入氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，升溫速率為10°C/min；待原料全部熔化后控制爐溫在625°C，以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌2分鐘，扒去熔體表面廢渣；待熔體溫度穩(wěn)定后，再次以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌，同時(shí)借助樣品勺按納米TiN的加入量為鋁基體的質(zhì)量百分含量0.1% 的量，得鋁合金熔體。

（4）將步驟(2)得到的TiN/Al包覆粉末加入到步驟（3）所得鋁合金熔體中，加入時(shí)間為10分鐘；粉末添加完成后，持續(xù)攪拌10分鐘，以保證粉末在熔體中分散均勻；之后將熔體加熱至680°C，待熔體溫度穩(wěn)定，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為20分鐘的超聲處理，扒去熔體表面廢渣；將熔體靜置15min后升溫至750°C，澆入到經(jīng)350°C預(yù)熱處理的模具中，在室溫下自然冷卻后脫模。

實(shí)施例4：

(1) 將納米TiN和Al粉與270g NaCl和350g KCl 混合后置于氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，其中Al粉為36g，納米TiN按質(zhì)量比為TiN: Al =1: 20稱量，升溫速率為10°C/min；當(dāng)熔體溫度達(dá)到 680°C時(shí)，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，納米TiN在超聲波的作用下自動(dòng)包覆在Al粉表面；超聲15分鐘后將熔體倒入模具，待其冷卻到室溫，得到熔鹽和粉末的混合凝固體。

(2) 將步驟(1)得到的混合凝固體置于1000mL蒸餾水中，待凝固體中的NaCl和KCl完全溶解后得到懸浮液，用真空吸濾裝置對(duì)懸浮液進(jìn)行固液分離，將分離后得到的粉末在60°C下真空干燥，得到TiN/Al包覆粉末；

(3) 按質(zhì)量比Al-7Si-0.3Mg的配比計(jì)算并配料750g作為鋁基體原料，將稱取的鋁錠、鋁硅中間合金和鎂塊放入氧化鋁坩堝中在氬氣保護(hù)下用電阻爐加熱，升溫速率為10°C/min；待原料全部熔化后控制爐溫在625°C，以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌2分鐘，扒去熔體表面廢渣；待熔體溫度穩(wěn)定后，再次以800r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌，同時(shí)借助樣品勺按納米TiN的加入量為鋁基體的質(zhì)量百分含量0.2% 的量，得鋁合金熔體。

（4）將步驟(2)得到的TiN/Al包覆粉末加入到步驟（3）所得鋁合金熔體中，加入時(shí)間為6分鐘；粉末添加完成后，持續(xù)攪拌10分鐘，以保證粉末在熔體中分散均勻；之后將熔體加熱至680°C，待熔體溫度穩(wěn)定，用頻率為20KHz、功率為600W的超聲波對(duì)熔體進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為15分鐘的超聲處理，扒去熔體表面廢渣；將熔體靜置15分鐘后升溫至750°C，澆入到經(jīng)350°C預(yù)熱處理的模具中，在室溫下自然冷卻后脫模。本實(shí)例制得的TiN/Al-7Si-0.3Mg鋁基納米復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片如圖2所示。

所述鋁錠純度達(dá)99.9%。

所述鋁硅中間合金為含質(zhì)量百分比25%的Si的鋁硅中間合金。

所述鎂塊純度達(dá)99.6%。

所述納米TiN顆粒，純度達(dá)99.9%，粒徑大小為20nm。

所述Al粉粒度為75μm，純度達(dá)99.95%。

所述NaCl和KCl均為分析純。

需要指出的是，按照本發(fā)明的技術(shù)方案，上述具體的試驗(yàn)實(shí)例還可以舉出許多，根據(jù)申請(qǐng)人大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在本發(fā)明的權(quán)利要求書所提出的范圍，均可以達(dá)到本發(fā)明的目的。