CN106350694A - 原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法 - Google Patents

原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法 Download PDF

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陈东
张亦杰
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Abstract

本发明涉及一种复合材料制备技术领域的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，包括如下步骤：取纯铝或铝合金，放入熔化炉中，加热使之熔化，保温；取KBF4、K2TiF6，混合，烘干，加入另一熔化炉中，加热使之熔化，保温；取金属熔体，取混合盐的熔体，同时倒入流槽，同时施加电磁搅拌和超声处理，使金属熔体与混合盐的熔体反应；将反应后得到的混合熔体导入静置炉，静置，除去反应副产物，即得原位颗粒增强铝基复合材料。本发明的方法制备的原位颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高刚度，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。本发明的方法具有工艺简单、制备效率高等优点，适于铝基复合材料的大规模工业化生产，具有很好的推广价值。

Description

原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有高比强度、高比模量和高比刚度，在航空航天、国防、工业等领域有着广泛的应用。传统的铝基复合材料的制备方法是将增强颗粒外加到铝基体中，由于在铝基体中外加颗粒存在着增强颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，增强颗粒分布不均匀等缺陷，影响了铝基复合材料的性能。同时采用外加颗粒的制备工艺复杂，成本较高，不利于推广应用。
经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN1376805的中国专利，公开日为2002.10.30，该专利的发明名称为一种高强度原位铝基复合材料，该专利披露了采用粉末烧结的方法制备的原位混杂Al2O3、TiB2颗粒增强的铝基复合材料，该方法的原料是铝或铝合金，TiO2和B粉末，经过混粉、冷压，烧结和挤压四个步骤才完成材料的制备，该专利披露的技术方案存在原料成本高，制备工艺复杂，无法实现大规模生产等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种原位颗粒增强铝基复合材料的连续制备方法。本发明的方法制备的原位颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高刚度，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。本发明的方法具有工艺简单、制备效率高等优点，适于铝基复合材料的大规模工业化生产，具有很好的推广价值。
本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，包括如下步骤：
步骤一，取纯铝或铝合金，放入熔化炉中，加热使之熔化，保温；
步骤二，取KBF4、K2TiF6，混合，烘干，加入另一熔化炉中，加热使之熔化，保温；
步骤三，取步骤一得到的金属熔体，取步骤二所得的混合盐的熔体，同时倒入流槽，同时施加电磁搅拌和超声处理，使金属熔体与混合盐的熔体反应；
步骤四，将步骤三反应后得到的混合熔体导入静置炉，静置，除去反应副产物，即得原位颗粒增强铝基复合材料。
优选地，步骤一中，所述保温为750～1100℃。
优选地，步骤二中，所述KBF4与K2TiF6的质量比为1∶0.5～1∶2。
优选地，步骤二中，所述保温的温度为850～1100℃。
优选地，步骤三中，所述金属熔体倒入流槽时的流量为1～50L/min。
优选地，步骤三中，所述混合盐的熔体倒入流槽时的流量为1～50L/min。
优选地，步骤三中，所述电磁搅拌的磁场强度是0.05～0.6T。
优选地，步骤三中，所述超声处理功率为0.5～10kW。
优选地，步骤四中，所述静置的温度为680～760℃，时间为10～30min。
优选地，步骤四中，所述原位颗粒增强铝基复合材料的组分及质量百分比为：TiB2颗粒0.1～30％，余量为纯铝或铝合金。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明利用混合盐与铝的在线反应生成TiB2陶瓷颗粒，从而制备原位TiB2颗粒增强铝基复合材料。原位生成的TiB2在基体中分布均匀，颗粒表面干净，与基体的界面结合良好。TiB2在基体中起到明显的强化作用，提高了材料的强度和模量。本发明的制备方法制备工艺简单、制备效率高，原料价格低廉，制备的复合材料具有良好的力学性能和成形能力，可以广泛应用于航空航天、武器装备、交通运输等领域。本发明的方法具有工艺简单、制备效率高等优点，适于铝基复合材料的大规模工业化生产，具有很好的实践价值和推广价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例制备方法使用装置的结构示意图；
图中，1为熔化纯铝或铝合金的熔化炉，2为熔化混合盐的熔化炉，3为超声装置，4为流槽，5为静置炉，6为电磁搅拌装置。
图2为本发明实施例制备的复合材料的SEM照片图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，制备的原位颗粒增强铝基复合材料的组分及其质量百分比为：TiB2颗粒0.1％、余量为纯铝。
图1为本实施例制备方法使用装置的结构示意图；图中，1为熔化纯铝或铝合金的熔化炉，2为熔化混合盐的熔化炉，3为超声装置，4为流槽，5为静置炉，6为电磁搅拌装置。本实施例涉及的制备方法包括如下步骤：
将纯铝锭加入到熔化炉1中，熔化后，升温至750℃，
将质量比为1∶0.5的KBF4、K2TiF6混合均匀并经过250℃烘干2小时，然后加入到熔化炉2中熔化，并升温至750℃。
将铝熔体和混合盐同时放入流槽中，铝熔体流量为l/min,混合盐流量为l/min,同时，在流槽下部采用电磁搅拌装置6对混合熔体施加电磁搅拌，搅拌频率0.5Hz，在流槽上部采用超声装置3对混合熔体进行超声处理，功率0.5kW。
将铝合金熔体混合熔体沿着流槽4流向静置炉5，静置时间10min，静置温度680℃，在静置保温炉中，将反应副产物与铝基复合材料熔体分离，扒出反应副产物；
将复合材料熔体倒入铸模。
得到0.1％TiB2原位颗粒增强纯铝基复合材料；
该复合材料的力学性能∶σb＝270MPa，σ0.2＝220MPa，δ＝19％，E＝70GPa。
实施例2
本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，制备的原位颗粒增强铝基复合材料的组分及其质量百分比为：TiB2颗粒12.5％、余量为7075铝合金。制备方法包括如下步骤：
将7075铝合金锭熔化后，升温至925℃，将质量比为1∶1.25的KBF4、K2TiF6混合均匀并经过250℃烘干2小时，然后熔化，并升温至925℃。
将铝熔体和混合盐同时放入流槽中，铝熔体流量为25/min,混合盐流量为25/min,同时，在流槽下部对混合熔体施加电磁搅拌，磁场强度为0.3T，在流槽上部采用超声装置对混合熔体进行超声处理，功率5kW。
混合熔体流入保温静止炉中，静置时间20min，静置温度720℃，扒出反应副产物，将复合材料熔体倒入铸模。
得到12.5％TiB2原位颗粒增强7075铝基复合材料；
该复合材料的力学性能∶σb＝830MPa，σ0.2＝640MPa，δ＝8％，E＝88GPa。
实施例3
本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，制备的原位颗粒增强铝基复合材料的组分及其质量百分比为：TiB2颗粒30％、余量为2024铝合金。制备方法包括如下步骤：
将2024铝合金锭熔化后，升温至1100℃，
将质量比为1∶2的KBF4、K2TiF6混合均匀并经过烘干后，然后熔化，并升温至1100℃。
将铝熔体和混合盐同时放入流槽中，铝熔体流量为50l/min,混合盐流量为50l/min,同时，在流槽下部对混合熔体施加电磁搅拌，磁场强度为0.6T，在流槽上部采用超声装置对混合熔体进行超声处理，功率10kW。
混合熔体流入保温静止炉中，静置时间30min，静置温度760℃，扒出反应副产物，
将复合材料熔体倒入铸模。
得到30％TiB2原位颗粒增强2024铝基复合材料，
该复合材料的力学性能∶σb＝610MPa，σ0.2＝510MPa，δ＝12％，E＝101GPa。
综合所述，本发明的方法在熔化炉中加入纯铝或铝合金，加热使铝锭熔化，升温；将KBF4、K2TiF6以一定质量比均匀混合，烘干，然后将混合盐加入另一座熔化炉中使其熔化，升温；将铝合金熔体和混合盐熔体同时倒入流槽，通过流槽下部的电磁搅拌器对混合熔体施加电磁搅拌，在流槽上部采用超声装置对混合熔体进行超声处理，熔体与混合盐发生反应；在流槽末端设置保温静置炉，混合熔体进入静置炉后，静置一段时间后，扒去反应副产物；将复合材料熔体浇注到模具中，得到原位颗粒增强铝基复合材料。本发明利用混合盐与铝的在线反应生成TiB2陶瓷颗粒，从而制备原位TiB2颗粒增强铝基复合材料。原位生成的TiB2在基体中分布均匀，颗粒表面干净，与基体的界面结合良好。TiB2在基体中起到明显的强化作用，提高了材料的强度和模量，复合材料的SEM照片如附图2所示。本发明的制备方法制备工艺简单、制备效率高，原料价格低廉，制备的复合材料具有良好的力学性能和成形能力，可以广泛应用于航空航天、武器装备、交通运输等领域。本发明的方法具有工艺简单、制备效率高等优点，适于铝基复合材料的大规模工业化生产，具有很好的实践价值和推广价值。

Claims (10)

1.一种原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，取纯铝或铝合金，放入熔化炉中，加热使之熔化，保温；
步骤二，取KBF4、K2TiF6，混合，烘干，加入另一熔化炉中，加热使之熔化，保温；
步骤三，取步骤一得到的金属熔体，取步骤二所得的混合盐的熔体，同时倒入流槽，同时施加电磁搅拌和超声处理，使金属熔体与混合盐的熔体反应；
步骤四，将步骤三反应后得到的混合熔体导入静置炉，静置，除去反应副产物，即得原位颗粒增强铝基复合材料。
2.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤一中，所述保温为750～1100℃。
3.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤二中，所述KBF4与K2TiF6的质量比为1∶0.5～1∶2。
4.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤二中，所述保温的温度为850～1100℃。
5.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤三中，所述金属熔体倒入流槽时的流量为1～50L/min。
6.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤三中，所述混合盐的熔体倒入流槽时的流量为1～50L/min。
7.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤三中，所述电磁搅拌的磁场强度是0.05～0.6T。
8.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤三中，所述超声处理功率为0.5～10kW。
9.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤四中，所述静置的温度为680～760℃，时间为10～30min。
10.如权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料连续制备方法，其特征是，步骤四中，所述原位颗粒增强铝基复合材料的组分及质量百分比为：TiB2颗粒0.1～30％，余量为纯铝或铝合金。
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Application publication date: 20170125

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