納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及硬質(zhì)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,尤其涉及原位合成納米Tic陶瓷 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備工藝,屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是航空航天、國(guó)防、交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)材料綜 合性能要求越來(lái)越高,單一材料已不能滿足這種要求。顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度 高、耐磨、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域被用于替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料。TiC具有高強(qiáng)度、高模 量、高熔點(diǎn)且與鋁基體潤(rùn)濕良好等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)TiC具有與鋁相近的晶格常數(shù),是鋁熔體理想 的結(jié)晶晶核,可以起到細(xì)化母體晶粒的效果,因此是強(qiáng)化鋁基合金理想的第二相粒子,利用 TiC強(qiáng)化鋁基材料的研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的制備顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料 的方法是將預(yù)先制備好的顆粒加入到金屬熔體中,該方法存在著顆粒與金屬基體間結(jié)合較 差,顆粒粗大且均勻化困難等一系列問(wèn)題。例如,采用傳統(tǒng)的Al-Ti-C體系制備的原位TiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,TiC尺寸一般在1-5微米,重量百分比在20%以上,這種復(fù)合材料只能 作為中間合金使用,增加了制造成本。
[0003] 原位合成技術(shù)是在特定的條件下,通過(guò)兩種或多種物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng),在金屬 基體內(nèi)原位生成一種或多種增強(qiáng)相,達(dá)到改善基體某些性能的目的。由于增強(qiáng)相顆粒是原 位生成的,所以具有顆粒細(xì)小、表面無(wú)污染、熱力學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)化相顆粒與基體之間潤(rùn)濕 性好等優(yōu)點(diǎn),成為了制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的理想方法。但由于原位反應(yīng)速度快,反 應(yīng)過(guò)程不易控制等因素,反應(yīng)生成物的成分和組織還不盡如人意,強(qiáng)化相粒子容易長(zhǎng)大、偏 聚,致使材料的整體性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)今常采用機(jī)械攪拌或電磁攪拌法來(lái)達(dá)到均勻 化的目的,但效果還不太理想。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,在原位合成過(guò)程 中使用NaCl作為細(xì)化劑,不受原位合成TiC與基體間重量比控制,TiC含量低;TiC陶瓷顆 粒圓整度好,尺寸在0. 1-1微米,在基體內(nèi)分布均勻,與基體結(jié)合度好。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法, 工藝簡(jiǎn)單。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的: 一種納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,包括基體鋁以及納米TiC陶瓷增強(qiáng)體,納米TiC陶瓷增強(qiáng)體的添加量是基體鋁重量百分比的1-15% ;所述的納米TiC陶瓷增強(qiáng)體的尺寸 在0. 1-1微米。
[0007] 所述的納米TiC陶瓷增強(qiáng)體包括鈦粉、石墨粉、細(xì)化劑NaCl,其中鈦粉與石墨粉的 摩爾比為1:1. 2,NaCl與鈦粉和石墨粉總量的摩爾比為3 :25,A1粉與鈦粉和石墨粉總量的 質(zhì)量比為3 :7。
[0008] 基體鋁純度為99. 5%,粒度為200目;鈦粉純度為99. 5%,粒度為325目;石墨粉純 度為99%,粒度為200目;NaCl純度為99%,粒度為200-325目。
[0009] 納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法,步驟如下: 步驟1稱料:按比例取鋁粉、鈦粉、石墨粉、NaCl,其中,鈦粉與石墨粉的摩爾比為 1:1. 2,NaCl與鈦粉和石墨粉總量的摩爾比為3 :25,A1粉與鈦粉和石墨粉總量的質(zhì)量比為 3 :7 ; 步驟2混合:將配制好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合均勻; 步驟3壓塊:將混合后的粉料壓制成圓柱形預(yù)制塊,70°C干燥6小時(shí); 步驟4TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)體的制備:將工業(yè)純鋁錠放入到石墨坩堝中,加熱至熔融溫 度以上(850°C),保溫30min,去除表層灰渣,將壓制好的預(yù)制塊投入到鋁熔體內(nèi),反應(yīng)完全 后機(jī)械攪拌l〇min,將熔體溫度降至750°C保溫15min,去除表層灰渣后,將熔體倒入預(yù)熱至 250°C的金屬磨具中冷卻,制備出納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0010] 本申請(qǐng)?jiān)谠缓铣蛇^(guò)程中使用NaCl作為細(xì)化劑,不受原位合成TiC與基體間重量 比控制,可以生產(chǎn)TiC含量很低的復(fù)合材料,分布在鋁基中的TiC陶瓷顆粒圓整度好,尺寸 在0. 1-1微米,分布均勻,與基體間結(jié)合好。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是實(shí)施例1原位合成納米Tic陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料掃描電子顯微鏡照 片;可見(jiàn),合成的納米TiC陶瓷顆粒圓整度好,尺寸在0. 1-1微米; 圖2是實(shí)施例1原位合成納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中球狀相的能譜圖。 譜圖說(shuō)明合成的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料純度好,無(wú)其它雜質(zhì),其中沒(méi)有發(fā)現(xiàn) NaCl的峰存在,是因?yàn)樗覰aCl量非常少所致。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013] 實(shí)施例1 原位合成納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法,步驟如下: 步驟一、取鋁粉、鈦粉、石墨粉、NaC1的粉料配料;其中,鈦粉與石墨粉的摩爾比為 1:1. 2,NaCl與鈦粉和石墨粉總量的摩爾比為3 :25,A1粉與鈦粉和石墨粉總量的質(zhì)量比為 3 :7 ; 步驟二、將配制好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合12小時(shí); 步驟三、將混合后的粉料在20MPa壓力下壓制成直徑為10毫米,高度為10毫米的圓柱 形預(yù)制塊,在干燥箱中干燥6小時(shí),溫度70°C; 步驟四、將稱量好的工業(yè)純鋁錠放入到石墨坩堝中,在井式電阻爐中加熱至850°C,保 溫30min,去除表層灰渣,按照重量比TiC:Al=l:9 (TiC是Ai重量百分比的1/9=11. 11%,) 計(jì)算出所需重量的預(yù)制塊,將稱量好的預(yù)制塊投入到鋁熔體內(nèi)進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)完全后機(jī)械 攪拌lOmin,將熔體溫度降至750°C保溫15min,去除表層灰渣后,將熔體倒入預(yù)熱至250°C 的金屬磨具中冷卻,制備出重量百分比TiC:Al=l:9的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材 料,球狀相元素重量及原子百分比見(jiàn)下表所示:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料,其特征在于包括基體鉛W及納米TiC陶瓷增 強(qiáng)體,納米TiC陶瓷增強(qiáng)體的尺寸在0. 1-1微米,添加量是基體鉛重量的1-15% ;納米TiC陶 瓷增強(qiáng)體包括鉛粉、鐵粉、石墨粉、細(xì)化劑化C1,其中鐵粉與石墨粉的摩爾比為1:1.2,化C1 與鐵粉和石墨粉總量的摩爾比為3 ;25, A1粉與鐵粉和石墨粉總量的質(zhì)量比為3 ;7。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料,其特征在于鉛粉純度 為99. 5%,粒度為200目。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料,其特征在于鐵粉純度 為99. 5%,粒度為325目。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料,其特征在于石墨粉純 度為99%,粒度為325目。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料,其特征在于化C1純度 為99%,粒度為200-325目。
6. 權(quán)利要求1所述的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于步 驟如下: 步驟1稱料;按比例取鉛粉、鐵粉、石墨粉、化C1,其中,鐵粉與石墨粉的摩爾比為 1:1. 2,化C1與鐵粉和石墨粉總量的摩爾比為3 ;25, A1粉與鐵粉和石墨粉總量的質(zhì)量比為 3 :7 ; 步驟2混合;將配制好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合均勻; 步驟3壓塊;將混合后的粉料壓制成圓柱形預(yù)制塊,干燥; 步驟4 TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)體的制備;將工業(yè)純鉛錠放入到石墨巧巧中,在井式電阻爐 中加熱至85(TC得到鉛烙體,保溫30min,去除表層灰渣,將壓制好的圓柱形預(yù)制塊投入到 鉛烙體內(nèi),反應(yīng)完全后機(jī)械攬拌混合均勻,將烙體溫度降至75(TC保溫15min,去除表層灰 渣后,將烙體倒入經(jīng)預(yù)熱的金屬磨具中冷卻,獲得納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法,復(fù)合材料包括基體鋁以及納米TiC陶瓷增強(qiáng)體,納米TiC陶瓷增強(qiáng)體的尺寸在0.1-1微米,添加量是基體鋁重量的1-15%;納米TiC陶瓷增強(qiáng)體包括鋁粉、鈦粉、石墨粉、細(xì)化劑NaCl,其中鈦粉與石墨粉的摩爾比為1:1.2,NaCl與鈦粉和石墨粉總量的摩爾比為3:25,Al粉與鈦粉和石墨粉總量的質(zhì)量比為3:7。是將鋁粉、鈦粉、石墨粉、NaCl壓制成預(yù)制塊后投入到鋁熔體中,反應(yīng)后得到納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的納米TiC陶瓷增強(qiáng)體顆粒圓整度好,在鋁基體內(nèi)分布均勻,與基體結(jié)合度好。
【IPC分類】C22C21-00, C22C32-00, C22C1-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104532068
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410775227
【發(fā)明人】周澤華, 袁煥龍, 仲召軍, 王澤華, 張欣
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日