一种颗粒混合增强铝基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝基复合材料的制备领域，特别涉及一种颗粒混合增强铝基复合材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 颗粒增强错基复合材料PAMCs(Particle reinforced aluminum matrix composites，简称PAMCs)具有比强度高、比刚度高、良好的耐磨性和减震性等优点，并且可 通过改变增强颗粒的种类、含量、尺寸等实现不同的力学性能和使用性能，近年来得到了较 快的发展。SiC和B 4C颗粒是颗粒增强铝基复合材料较为常用的两种增强颗粒，SiC和B4C颗粒 均具有高硬度、高强度和耐磨的优点;此外，B 4C颗粒还因具有良好的中子吸收能力，使得B4C 颗粒增强铝基复合材料在核工业具有很好的应用。
[0003] 搅拌铸造法具有所需设备简单、操作方便、成本低、生产效率高的特点，同时适合 于大规模大批量的工业生产，是最具发展潜力的PAMCs制备方法，受到研究者的高度关注。 但是，在利用搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的过程中，由于铝合金熔体表面极易 氧化形成氧化膜，且颗粒与铝合金熔体的润湿性较差，导致颗粒加入到铝合金熔体后容易 出现分布不均匀的现象；同时，由于SiC和B 4C颗粒还会与熔体发生化学反应，生成大量有害 的界面反应物如A14C3、A1 3BC和A1B2。研究表明，增强颗粒分布不均匀及大量的界面反应物 都将严重降低PAMCs熔体质量及材料的力学性能。
[0004] 文南犬Oxidation treatments for SiC particles used as reinforcement in aluminum matrix composites(Composites Science and Technology 2004,64,1843-54) 指出SiC颗粒与铝合金熔体润湿后，SiC颗粒与液态铝发生了化学反应，且生成的界面反应 物A14C 3的含量随熔体保温时间的延长而显著增加，导致结合界面发生脆变;文献Effect of titanium on microstructure and fluidity of AI-B4C composites(Journal of Materials Science 2011,46,3176-85)表明750°C高温条件下B4C颗粒易于铝液反应并产 生大量有害的界面反应物如AhBC和A1B 2,严重降低了复合材料恪体的质量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备过程中SiC或 B4C颗粒润湿性差、分布不均匀、易生成有害界面反应物的问题，提供一种颗粒混合增强铝 基复合材料的制备方法，原材料成本低、来源方便、制备工艺简单;得到的颗粒混合增强铝 基复合材料增强颗粒分布均匀、有害界面反应物少、力学性能优良。
[0006] 本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的颗粒混合增强铝基复合材料。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] -种颗粒混合增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009] (1)称取铝合金原料、碳化物颗粒、K2TiF6颗粒、Ti颗粒，将碳化物颗粒和K2TiF 6颗 粒置于干燥箱中干燥;所述碳化物颗粒为SiC颗粒或B4C颗粒；
[0010] 其中，碳化物颗粒的质量为铝合金原料的5~15% ;Ti颗粒的质量为铝合金原料的 0.4~2% ;碳化物颗粒与K2TiF6颗粒的质量比为1:0.3~0.7;
[0011] (2)将碳化物颗粒与1(21^化颗粒混合均匀后，加入Ti颗粒混合至均匀，得到增强颗 粒混合物；
[0012] (3)对铝合金原料进行熔炼，得到铝合金熔体；
[0013] (4)在搅拌条件下将步骤(2)得到的增强颗粒混合物添加到铝合金熔体中，均匀化 搅拌、除去表面夹渣，得到颗粒混合增强铝基复合材料。
[0014] 步骤(4)所述在搅拌条件下将步骤(2)得到的增强颗粒混合物添加到铝合金熔体 中，均匀化搅拌、除去表面浮渣，得到颗粒混合增强铝基复合材料，具体为：
[0015] (4-1)将铝合金熔体温度控制在780~850°C，并将搅拌速度控制在350~450rpm， 将步骤(2)得到的增强颗粒混合物匀速加入搅拌形成的漩涡中，完成增强颗粒的添加；
[0016] (4-2)将铝合金熔体温度降至700~730°C，调整搅拌速度为200~350rpm，均匀化 搅拌20~40min，除去表面浮渣，得到颗粒混合增强铝基复合材料。
[0017] 所述碳化物颗粒的平均粒径为5~50μηι;所述Ti颗粒平均粒径为20~50μηι。
[0018] 所述步骤(1)所述干燥，具体为：
[0019] 在180~220 °C下干燥1~2h，脱除颗粒表面吸附的水分。
[0020] 步骤(3)所述对铝合金原料进行熔炼，具体为：
[0021] 对铝合金原料的表面进行清洁，采用电阻炉进行熔炼，然后在720~740°C进行常 规精炼。
[0022] 所述铝合金原料包括纯铝块和普通铝合金块。
[0023] 所述的颗粒混合增强铝基复合材料的制备方法得到的颗粒混合增强铝基复合材 料，碳化物颗粒的含量为铝合金的5~12vol. % ;Al3Ti颗粒的含量为铝合金的1~5vol. %。 [0024] 本发明的原理为:通过添加 K2TiF6及Ti颗粒促进SiC或B4C颗粒与铝合金熔体润湿 及均匀分布，减少制备过程中颗粒的分解及界面反应物的生成，同时利用原位反应法生成 TiAl3颗粒与SiC或B4C颗粒进行混合增强，从而提高PAMCs熔体质量及材料的力学性能；
[0025] 本发明的制备方法，制备过程中涉及化学反应如下：
[0026] Ti+3Al^Al3Ti (1)
[0027] 4Al+3SiC^Al4C3+3Si (2)
[0028] Al4C3+3Ti^3TiC+4Al (3)
[0029] 9A1+2B4C^2A13BC+3A1B2 (4)
[0030] AlB2+Ti^TiB2+Al (5)
[0031] 3Al3Ti+B4C^2TiB2+TiC+9Al (6)
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0033] 1、本发明采用液态搅拌铸造法，将SiC或B4C颗粒、K2TiF6和Ti颗粒的混合物一次性 搅拌加入，设备简单操作方便，实现了颗粒混合增强复合材料的高效制备。
[0034] 2、本发明利用原位反应法涉及上述化学反应（1)制得Al3Ti颗粒，颗粒尺寸小、分 布均匀、增强效果良好，既提高了铝合金基体的抗拉强度，又保持了基体材料较好的塑性。
[0035] 3、本发明利用K2TiF6去除了铝合金熔体表面的氧化膜和熔体中卷入的气体，有效 地提高了 SiC或B4C颗粒与铝合金熔体的润湿性，防止了颗粒-气孔团的产生，使得颗粒分布 均匀，制备的复合材料孔隙率保持在较低的水平。
[0036] 4、本发明Ti颗粒与界面反应物发生上述化学反应(3)和(5)，有效减少了上述化学 反应(2)和(4)产生的有害界面反应物Al4C3和A1B2的含量，同时反应生成的TiC和TiB 2具有 细化铝合金基体材料晶粒的作用。
[0037] 5、对于B4C增强颗粒，上述化学反应(6)生成的TiB2以层状包覆在B4C颗粒表面，阻 止了 B4C颗粒与铝液发生上述化学反应(4)，有效防止了 B4C颗粒的分解和有害界面反应物的 产生；同时TiB2层还增强了B4C颗粒与铝合金基体的界面结合强度。
[0038] 6、本发明原材料成本低、来源方便、制备工艺简单，制备的复合材料具有颗粒分布 均匀、力学性能良好，可以进行液态铸乳、压铸、连铸、熔模铸造等后续成型加工。
【附图说明】
[0039] 图1(a)为本发明的实施例1的颗粒混合增强铝基复合材料组织放大150倍数的扫 描电镜照片。
[0040] 图1(b)为本发明的实施例1的颗粒混合增强铝基复合材料组织放大300倍数的扫 描电镜照片。
[0041] 图2(a)为本发明的实施例1的颗粒混合增强铝基复合材料组织的透射电镜照片。 [0042]图2(b)为本发明的实施例1的颗粒混合增强铝基复合材料的连续的TiB2层的多晶 电子衍射花样。
[0043] 图3(a)为本发明的实施例2的对照组的扫描电镜照片。
[0044] 图3(b)为本发明的实施例2的颗粒混合增强铝基复合材料组织的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0046] 实施例1
[0047] 本实施例制备的（B4C，Al3Ti)/Al颗粒混合增强铝基复合材料，其中B4C颗粒为 8vol. % (相对于错基体，下同），AhTi颗粒为3vol. %。
[0048]所用原料如表1所示。
[0049] 表 1
[0052]本实施例的颗粒混合增强铝基复合材料的制备过程如下：[0053] (1)颗粒预处理
[0050]
[0051]
[0054] 分别将B4C和K2TiF6颗粒在200°C条件下保温2h脱除水分，然后将10wt.%的B4C颗 粒与K2TiF6颗粒按质量比为1:0.5进行均勾混合，再与称取1.2wt