本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體地是，利用機械攪拌與電磁攪拌相結(jié)合的熔體反應(yīng)法制備出原位(tib2+zrb2)顆粒增強al-si-cu基復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有高比強度，高彈性模量等優(yōu)點，在航空航天，高級制造業(yè)以及國防等領(lǐng)域有廣闊的前景。相比傳統(tǒng)的加顆粒的鋁基復(fù)合材料，原位顆粒增強鋁基復(fù)合材料的顆粒與基體潤濕性好，界面結(jié)合牢固，反應(yīng)過程中不宜引入雜質(zhì)，制備出的材料更為純凈，性能較為優(yōu)異。al-si-cu合金是重要的al-si系合金，cu元素的加入能提高合金的性能。首先，尺寸較大的cu原子溶入al-si合金中，使al固溶體產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，阻礙位錯的運動，加大滑移運動的切應(yīng)力，形成固溶強化，提高了合金的強度。再次，cu在al-si合金中，形成θ(cual2)相，在固溶處理時，cual2溶入α固溶體中，在時效過程中析出θ′、θ″(cual2)亞穩(wěn)相或cual2穩(wěn)定相，這些強化相可以阻礙位錯的運動，提高拉伸強度、硬度、疲勞強度和高溫強度。將性能優(yōu)異的al-si-cu合金作為基體制備出(tib2+zrb2)顆粒增強的鋁基復(fù)合材料，是一種性能優(yōu)異基體與性能優(yōu)異的陶瓷顆粒的結(jié)合，是一種優(yōu)優(yōu)結(jié)合，而制備出的復(fù)合材料性能較al-si-cu合金更為優(yōu)異。

熔體直接反應(yīng)法是直接把鋁合金基體融化，在其中加入反應(yīng)物，進行充分反應(yīng)后進行澆鑄，該方法可以直接得到澆鑄的復(fù)合材料，該工藝操作簡單，生產(chǎn)成本低，周期短，易于工業(yè)生產(chǎn)化。但是，熔體直接反應(yīng)法也存在不足，該工藝下的制備的復(fù)合材料顆粒團聚，影響材料性能。利用機械攪拌和電磁攪拌的結(jié)合施加在熔體反應(yīng)過程中，在攪拌的過程中不斷打碎團聚的顆粒，使顆粒分布更為均勻，由于顆粒tib2具有細化晶粒作用，所以此法制備的復(fù)合材料基體晶粒更加細小，從而大幅度提高材料的性能。

經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻探索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為：2015107658685，名稱為：一種顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，采用的是先將復(fù)合顆粒包覆熱軋成預(yù)制塊，然后在將預(yù)制塊放入澆注道用鋁液澆注，該方法中需用球磨機球磨復(fù)合顆粒，花費時間長，由于顆粒之前已經(jīng)制成預(yù)制塊，所以顆粒分散度并不好，顆粒包覆和軋制增加了制備工藝步驟，并未像本專利制備方法簡單且節(jié)省成本，同時該專利中顆粒是外加進入，顆粒與基體材料結(jié)合度不如本專利原位制備的復(fù)合材料。中國專利號為：2015100957741，名稱為：一種原位al3ti顆粒增強al-si-cu復(fù)合材料半固態(tài)漿料制備方法，采用的是在al-si-cu熔化合金中加入k2tif6粉末，在進行電磁攪拌進行攪拌，攪拌過程中逐漸降溫。該方法制備過程中降溫過程不好控制，降溫速率也會影響材料性能，且該專利制備的是al3ti顆粒增強，該顆粒不如tib2顆粒細小，也沒有tib2顆粒細化晶粒的作用，所以該專利制備方法制備出的材料沒有本專利制備出材料可控性高，也沒有本專利制備出的復(fù)合材料基體組織晶粒細小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是利用機械攪拌與電磁攪拌結(jié)合的熔體反應(yīng)制備方法制備出原位的(tib2+zrb2)顆粒增強的al-si-cu基復(fù)合材料。

本發(fā)明所述制備工藝為:

(1)先將氟鈦酸鉀(分子式為k2tif6)，氟鋯酸鉀(分子式為k2zrf6)，硼砂粉末放入烘干箱烘干(溫度175℃，時間5h)。烘干后，按一定的質(zhì)量比例稱量并混合均勻，以備用。

(2)計算并稱量好配制一定量的al-si-cu合金所需純al，al18si以及al50cu的質(zhì)量，之后將稱量好的純al，al18si放入預(yù)熱的400-450℃的坩堝中融化，融化后待溫度升溫至720℃加入al50cu并用石墨棒攪拌。(3)待al50cu完全融化后，升溫810℃～860℃，分3批加入混合好的氟鈦酸鉀，氟鋯酸鉀及硼砂混合粉末，在加入過程中并用石墨棒進行攪拌。(4)待完全加入粉末后，同時打開外加電磁攪拌器和機械攪拌器進行攪拌，機械攪拌與電磁攪拌方向相反，攪拌時間為15min。攪拌方法為：共同攪拌5min，靜置5min，分3次攪拌完成，整個攪拌過程為25min。在攪拌過程中，溫度保持在810℃～860℃之間。(5)待攪拌完畢，將熔體冷卻至705℃～745℃，加入扒渣劑進行扒渣。(6)扒完渣后立即澆鑄，澆鑄模具選用銅模。(7)將得到的復(fù)合材料進行熱處理。

所述al-si-cu合金基體中si質(zhì)量百分比為9％，cu質(zhì)量百分比為1％，余量為al。

所述電磁攪拌器進行攪拌的電壓為250v～380v，攪拌頻率為10.1hz。

所述機械攪拌的轉(zhuǎn)速為200rpm。

增強顆粒反應(yīng)原料的混合粉末加入的量占合金原料質(zhì)量的10％～30％，優(yōu)選20％；生成的增強顆粒為tib2和zrb2，質(zhì)量比為1:1。

本發(fā)明利用電磁攪拌和機械攪拌的方法制備的原位(tib2+zrb2)顆粒增強al-si-cu基復(fù)合材料組織中的基體晶粒細小，組織較為純凈，得到的tib2和zrb2顆粒分散較為均勻。制備出的材料力學(xué)性能相比al-si-cu合金來說，大幅度提高，拉伸強度也提高。

附圖說明

圖1未熱處理的顆粒質(zhì)量為1.5％的(tib2+zrb2)顆粒增強alsi9cu1復(fù)合材料的金相圖

圖2.未熱處理的顆粒質(zhì)量為3％的(tib2+zrb2)顆粒增強alsi9cu1復(fù)合材料的金相圖

圖3.未熱處理的顆粒質(zhì)量為6％的(tib2+zrb2)顆粒增強alsi9cu1復(fù)合材料的金相圖

圖4.熱處理后和未熱處理的(tib2+zrb2)顆粒增強alsi9cu1復(fù)合材料的金相圖

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施案例。

實施案例1顆粒質(zhì)量分數(shù)為1.5％的alsi9cu1復(fù)合材料制備

本發(fā)明的材料組分及質(zhì)量比為：si9％，cu1％，(tib2+zrb2)顆粒1.5％，余量為純al。

制備過程如下：

(1)將al18si，純al和al50cu按照0.48：0.50：0.02的質(zhì)量比例配置好500g合金，將配置好的材料放入電磁攪拌爐中的坩堝中融化，待完全融化后，升溫在810℃～860℃之間，然后加入干燥的氟鋯酸鉀、氟鈦酸鉀及硼砂的混合粉末，粉末質(zhì)量占熔體質(zhì)量的10％，混合均勻的反應(yīng)粉末分3批加入，并在加入過程中利用石墨棒攪拌。

(2)待粉末完全加入后，打開電磁攪拌裝置，攪拌電壓為250v～380v，攪拌頻率為10.1hz。在打開電磁攪拌裝置同時，打開坩堝上方的機械攪拌器進行攪拌，攪拌方向與電磁攪拌方向相反，機械攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm，電磁攪拌和接卸攪拌共同攪拌5min，然后停止，靜置5min，該步驟重復(fù)3次。

(3)待攪拌結(jié)束，調(diào)低爐溫，將溫度降至705℃～745℃，加入打渣劑，石墨棒攪拌，并扒渣。

(4)扒渣完畢后立即澆鑄，澆鑄溫度為705℃～745℃，澆鑄的模具為銅模。

(5)得到的復(fù)合材料先后進行500℃·5h的固溶和150℃·10h的時效的熱處理，通過該熱處理后得到的材料力學(xué)性能為:σb＝230mpa，e＝4.21gpa，伸長率為：5.1％

(6)未經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料力學(xué)性能為：σb＝210mpa，e＝3.71gpa，伸長率為：4.2％

由圖1可知，顆粒質(zhì)量分數(shù)為1.5％的復(fù)合材料基體中含有大量的針狀組織，且枝晶間距距離大，晶粒較為粗大。圖4可知未熱處理與熱處理后的復(fù)合材料對比，熱處理后的復(fù)合材料中si相從針狀變?yōu)槎贪魻罨虬魻睿饨窍?，且較為均勻的分散在晶粒的晶界上。

實施案例2顆粒質(zhì)量分數(shù)為3％的alsi9cu1復(fù)合材料制備

本發(fā)明的材料組分及質(zhì)量比為：si9％，cu1％,(tib2+zrb2)顆粒3％，余量為純al。

制備過程如下：

(1)將al18si，純al和al50cu按照0.48:0.50：0.02的質(zhì)量比例配置好500g合金，將配置好的材料放入電磁攪拌爐中的坩堝中融化，待完全融化后，升溫在810℃～860℃之間，然后加入干燥的氟鋯酸鉀、氟鈦酸鉀及硼砂的混合粉末，粉末質(zhì)量占熔體質(zhì)量的20％，混合均勻的反應(yīng)粉末分3批加入，并在加入過程中利用石墨棒攪拌2min。

(2)待粉末完全加入后，打開電磁攪拌裝置，攪拌電壓為250v～380v，攪拌頻率為10.1hz。在打開電磁攪拌裝置同時，打開坩堝上方的機械攪拌器進行攪拌，攪拌方向與電磁攪拌方向相反，機械攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm，電磁攪拌和接卸攪拌共同攪拌5min，然后停止，靜置5min，該步驟重復(fù)3次。

(3)待攪拌結(jié)束，調(diào)低爐溫，將溫度降至705℃～745℃，加入打渣劑，石墨棒攪拌，并扒渣。

(4)扒渣完畢后立即澆鑄，澆鑄溫度為705℃～745℃，澆鑄的模具為銅模。

(5)得到的復(fù)合材料先后進行500℃·5h的固溶和150℃·10h的時效的熱處理，通過該熱處理后得到的材料力學(xué)性能為:σb＝290mpa，e＝11.2gpa，伸長率為：7.8％

(6)未經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料力學(xué)性能為：σb＝250mpa，e＝10.98gpa，伸長率為：6.0％。

由圖2可知，顆粒質(zhì)量分數(shù)為3％的復(fù)合材料基體中針狀組織減少，且枝晶間距距離大幅度縮小，晶粒也變得較小且圓潤。圖4可知未熱處理與熱處理后的復(fù)合材料對比，熱處理后的復(fù)合材料中si相從針狀變?yōu)槎贪魻罨虬魻?，尖角消失，且較為均勻的分散在晶粒的晶界上。

實施案例3顆粒質(zhì)量分數(shù)為6％的alsi9cu1復(fù)合材料制備

本發(fā)明的材料組分及質(zhì)量比為：si9％，cu1％,(tib2+zrb2)顆粒6％，余量為純al。

制備過程如下：

(1)將al18si，純al和al50cu按照0.48:0.50：0.02的質(zhì)量比例配置好500g合金，將配置好的材料放入電磁攪拌爐中的坩堝中融化，待完全融化后，升溫在810℃～860℃之間，然后加入干燥的氟鋯酸鉀、氟鈦酸鉀及硼砂的混合粉末，粉末質(zhì)量占熔體質(zhì)量的30％，混合均勻的反應(yīng)粉末分3批加入，并在加入過程中利用石墨棒攪拌2min。

(2)待粉末完全加入后，打開電磁攪拌裝置，攪拌電壓為250v～380v，攪拌頻率為10.1hz。在打開電磁攪拌裝置同時，打開坩堝上方的機械攪拌器進行攪拌，攪拌方向與電磁攪拌方向相反，機械攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm，電磁攪拌和接卸攪拌共同攪拌5min，然后停止，靜置5min，該步驟重復(fù)3次。

(3)待攪拌結(jié)束，調(diào)低爐溫，將溫度降至705℃～745℃，加入打渣劑，石墨棒攪拌，并扒渣。

(4)扒渣完畢后立即澆鑄，澆鑄溫度為705℃～745℃，澆鑄的模具為銅模。

(5)得到的復(fù)合材料先后進行500℃·5h的固溶和150℃·10h的時效的熱處理，通過該熱處理后得到的材料力學(xué)性能為:σb＝275mpa，e＝9.16gpa，伸長率為：6.8％

(6)未經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料力學(xué)性能為：σb＝235mpa，e＝6.06gpa，伸長率為4.1％

由圖3可知，顆粒質(zhì)量分數(shù)為6％的復(fù)合材料基體中含有大量的針狀組織，且枝晶間距距離更小，晶粒也變得更加小，但是晶粒之間夾雜的顆粒更加多，顆粒團聚的也更加厲害。圖4可知未熱處理與熱處理后的復(fù)合材料對比，熱處理后的復(fù)合材料中si相從針狀變?yōu)槎贪魻罨虬魻睿饨窍?，且較為均勻的分散在晶粒的晶界上。下表為復(fù)合材料及基體材料的性能表。

表1.復(fù)合材料及其基體性能表

由表可知，(tib2+zrb2)顆粒增強alsi9cu1復(fù)合材料比其對應(yīng)的基體材料性能較為優(yōu)異，熱處理后的復(fù)合材料性能較未熱處理的材料性能有巨大的提升。