CN1297682C - 一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1297682C CN1297682C CNB2004100011587A CN200410001158A CN1297682C CN 1297682 C CN1297682 C CN 1297682C CN B2004100011587 A CNB2004100011587 A CN B2004100011587A CN 200410001158 A CN200410001158 A CN 200410001158A CN 1297682 C CN1297682 C CN 1297682C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- whisker
- preparation
- composite material
- tic
- alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明提供了一种原位α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于：工艺过程包括制备预制块和熔制铝基复合材料两个阶段：可选择三类反应物：第一类：4Al+Ti+C+3O2→2Al2O3+TiC，第二类：4Al+C+2O2+TiO2→2Al2O3+TiC，第三类：4Al+Ti+2C+2O2+TiO2→2Al2O3+2TiC。将上述各种原材料按化学计量比放入混料机中混合均匀，再将混合均匀的原料在室温下压制成型，压力范围为25～100MPa；然后进行熔制复合材料。本发明的优点在于：可使基体合金的熔炼与增强相的生成同步进行，明显缩短复合材料制备工艺流程、降低金属基复合材料的制造成本，可广泛用于要求轻质高强复合材料的场合。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，特别是提供了一种原位α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，可使基体合金的熔炼与增强相的生成同步进行，明显缩短复合材料制备工艺流程、降低金属基复合材料的制造成本，可广泛用于要求轻质高强复合材料的场合。
背景技术
现代科学技术的发展对材料的要求日益提高，希望材料具备某种特殊性能的同时又具有优良的综合性能，这使得普通的单一材料已越来越难以满足需要。复合材料具有能发挥其组成原材料的协同作用，集多种材料的优点于一身，同时又具有很大的材料设计自由度的特点，因此表现出了很强的生命力，在过去的几十年中得到了迅速发展。
通常，按基体材料类型进行分类，可将复合材料分为陶瓷基复合材料、树脂(聚合物)基复合材料和金属基复合材料三大类。陶瓷比金属轻而硬，不生锈，大部分能耐1000℃以上的高温，但其最大的缺点是脆性大。层压树脂基复合材料目前存在的主要问题是横向力学性能差，层间剪切强度低，还存在着易吸潮，老化，蠕变，燃烧等缺点。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有耐高温，耐磨损，导电和导热性好，不吸湿，不放气，尺寸稳定，不老化等许多优点。然而由于金属基复合材料的工艺技术比较复杂，成本昂贵，因此发展速度一直落后于树脂基复合材料。但近二十年来，随着航空、航天、汽车、电子技术的迅猛发展，金属基复合材料越来越受到世界各科技发达国家的重视。
金属基复合材料的发展在很大程度上与增强体的发展密切相关。根据增强体的形状不同，金属基复合材料通常可分为连续纤维增强金属基复合材料，晶须/短纤维增强金属基复合材料和颗粒增强金属基复合材料三大类。
晶须通常指的是具有一定长径比(l/d一般大于10)和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。由于晶须的晶体结构完整，内部缺陷少，因而其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，是一种力学性能十分优异的新型复合材料(特别是金属基复合材料和陶瓷基复合材料)的补强增韧剂。
根据材料设计的原理，在基体中同时引入弥散分布的增强相颗粒和补强增韧的晶须，可同时提高复合材料的强度、耐磨性和抗蠕变性能。宋慎泰等(自补强SiCw/Si3N4复合材料的制备和性能研究，硅酸盐学报，1993，1：1-8)研究了SiCw/Si3N4复合材料，获得的15体积％SiCw/Si3N4复合材料具有优良的力学性能。马峻峰等(碳热还原法制β-SiC晶须的结晶特征及内部缺陷，硅酸盐通报，1993，2：33-36)用超细碳粉热还原高岭土合成了β-SiC晶须，结果表明，合成温度对晶须结晶形貌影响显著。李亚伟等(碳热还原法生成AlN晶须的形貌及结晶方向，材料研究学报，1996，6：633-636)在用碳粉热还原法制备AlN粉末过程中，发现AlN粉末坯体表面存在大量的AlN晶须，其形貌有直板状、锯齿状和扭曲状。在各类晶须材料中，α-Al2O3晶须是综合性能优良的一种，见表1所示。本发明中，提供了一种原位α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，可广泛用于要求轻质高强复合材料的场合。
表1部分晶须的性能
| 晶须 | 熔点(℃) | 密度(ρ)(103kg/m3) | 抗拉强度σb(103MPa) | σb/ρ(104m) | 弹性模量E(105MPa) | E/ρ(105m) |
| α-Al2O3B4Cα-SiCβ-SiCSi3N4TiNAlNCrCuFeNi | 20402450231623161960-21991890108015401450 | 3.962.523.153.153.185.23.37.208.917.838.97 | 21142121147-93.3133.9 | 5356--44--133.7174.3 | 4.34.94.8235.512-8.2793.82-33.3452.41.22.02.1 | 1119--12--3.41.42.62.4 |
原位反应α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料制备技术的原理是：根据材料设计的要求，选择适当的反应剂，在合适的温度下，借助于基体金属或合金和它们之间的化学反应，原位生成尺寸细小，分布均匀的增强相。这种技术与金属基复合材料传统的复合技术相比，其优点体现在：(1)增强相在基体内部原位生成，表面无污染；(2)增强相数量可在一定范围内调整；(3)在保持复合材料较高韧性的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种原位α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，用于要求轻质高强复合材料的场合。
本发明的构成：一种熔铸-原位反应α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于：工艺过程包括制备预制块和熔制铝基复合材料两个阶段：
a.制备预制块：熔铸-原位反应法生成的α-Al2O3晶须，其中的氧主要来源于：空气中的氧、原位反应物带入的杂质氧、粉末表面吸附的氧气、预制块表面吸附的氧气以及原位反应物带入的氧。为了增加复合材料中α-Al2O3晶须的数量，有必要进一步提高预制块中氧的含量。为此，可选择三类反应物：
第一类：
第二类：
第三类：
上述第一、二、三类中所说的Ti、C和TiO2均为粉末状，粒度范围为10～250μm，纯度大于96.0重量％。
当按第一类反应物组合时，Ti和C的配比范围(重量比)为1∶0.1～0.8；当按第二类反应物组合时，TiO2和C的配比范围(重量比)为2∶0.2～0.5；当按第三类反应物组合时，Ti、C和TiO2的配比范围(重量比)为4∶4∶15～30。
将上述各种原材料按化学计量比放入混料机中混合均匀，再将混合均匀的原料在室温下压制成型，压力范围为25～100MPa；
b.熔制复合材料：将0.5～5公斤的基体合金Al及其合金放入中频感应炉中加热，加热温度为该合金熔点以上150～250℃；再将占合金1～20重量％的预制块压入合金熔体中，保温：1～30分钟。精炼除气后，浇入金属型或挤压模中进行挤压，获得原位反应α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料。
由于铝基复合材料中α-Al2O3晶须数量常常不足5重量％，不易用X-射线衍射进行检测，因此，对反应完毕的反应块进行了物相分析。
本发明的优点在于：
(1)α-Al2O3晶须和TiC颗粒在熔体内部原位反应生成，增强相利用率高，晶须和颗粒在合金基体中分布均匀。
(2)工艺简便，成本低廉，易于实现工业化。
(3)利用本发明生成的Al2O3晶须和TiC颗粒尺寸小，不易随基体合金中的气泡上浮而带至熔液表面，因而复合材料熔体可沿用铸造合金中的精炼和变质处理技术进行多次精炼和变质处理，以提高复合材料的综合性能。
附图说明
图1是本发明中的Ti-C-Al反应块的X-射线衍射图谱。可见，反应块由TiC、α-Al2O3和C组成。扫描电镜组织观察及能谱分析证实生成的α-Al2O3为晶须而非颗粒。图中出现的C衍射峰是为了消除脆性金属间化合物Al3Ti而有意在Ti-C-Al预制块配比中让石墨过量所致。因为在Ti-C-Al预制块中选取通常的Ti∶C＝1∶1(摩尔％)配比易生成脆性相的Al3Ti。其原因为：预制块受热后其中的铝粉首先熔化。这些熔融Al很快被预制块中的Ti、C粉吸附。一方面，Ti粉表层的Ti会溶解于熔融Al中，当熔融的Ti浓度等于或大于0.15wt.％(胞晶成分)时会发生胞晶反应生成Al3Ti并向Al液中扩散。另一方面，远离Ti颗粒的Al3Ti由于温度很高，Ti浓度较低，又容易分解成Al、Ti。分解的Ti会通过Al液扩散至C颗粒上形成富Ti层，C与Ti在界面上发生反应生成TiC。随着反应的进行，Al液中的Ti会逐渐降低，使得已形成的Al3Ti会逐渐分解为Ti和Al。当Ti量相对过剩时，一方面，Al3Ti量会显著增加。另一方面，Al3Ti周围的Ti浓度较高，使得已形成的Al3Ti不易分解为Ti和Al，最终导致Al3Ti量增加。Ti量过剩时，增加预制块中的含C量使之与Ti尽量完全反应生成所需的TiC有助于消除复合材料中的Al3Ti相。
图2是本发明中的原位α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的组织扫描照片。
图3是本发明中的原位α-Al2O3晶须的透射电镜照片。图中显示，α-Al2O3晶须形貌为直板状。晶须直径小于100nm。任意单个晶须的选区衍射图谱(SADP)证实其为单晶，生长方向垂直于晶面(0002)的方向。
具体实施方式
实施例1
制备0.3％α-Al2O3晶须(计算值。重量％)和3重量％TiC/工业纯铝复合材料。按Al∶Ti∶C＝2∶70∶28的比例称取纯度分别为98％、99.8％和99.5％，粒度分别为75μm、45μm和10μm的Al粉、Ti粉和C粉，将其混合均匀。在50吨压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块。将2公斤工业纯铝放入中频感应炉中熔化，并加热至850℃。用石墨钟罩将0.06公斤的预制块压入铝液中，保温10分钟。待温度降至750℃时，加入占熔液0.4重量％的六氯乙烷精炼。熔体温度为720℃时，浇入金属型中，得到0.3重量％α-Al2O3晶须和3重量％TiC/工业纯铝复合材料。复合材料σb为147MPa，δ为14％。
实施例2
制备0.45％α-Al2O3晶须(计算值。重量％)和5％(重量)TiC/Al-21Si-2.5Cu复合材料。按Al∶TiO2∶C＝1∶2.22∶0.33的比例称取适量的纯度分别为98％、99.8％和99.5％，粒度分别为75μm、75μm和10μm的Al粉、TiO2粉和C粉，将其混合均匀。在50吨压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块。将4公斤Al-21Si-2.5Cu合金放入中频感应炉中熔化，并加热至950℃。用石墨钟罩将0.20公斤的预制块压入铝液中，保温15分钟。加入占熔液0.3重量％的六氯乙烷精炼。待温度降至740℃时，加入占熔液重量0.4％的六氯乙烷精炼。熔体温度为730℃时，浇入金属型中，得到0.45重量％α-Al2O3晶须和5重量％TiC/Al-21Si-2.5Cu复合材料。复合材料σb为450MPa。
实施例3
制备0.5％α-Al2O3晶须(计算值。重量％)和5％(重量)TiC/7075复合材料。按Al∶TiO2∶Ti∶C＝1∶2.6∶0.44∶0.44的比例称取适量的纯度分别为98％、99.8％和99.5％，粒度分别为75μm、75μm、45μm和10μm的Al粉、TiO2粉、Ti粉和C粉，将其混合均匀。在50吨压机上压制成Φ20×30mm的圆柱形预制块。将4公斤7075合金放入中频感应炉中熔化，并加热至900℃。用石墨钟罩将0.20公斤的预制块压入铝液中，保温10分钟。加入占熔液重量0.3％的六氯乙烷精炼。熔体温度为730℃时，浇入金属型中，得到0.5重量％α-Al2O3晶须和5重量％TiC/7075复合材料。挤压后复合材料σb为675MPa。
Claims (1)
1、一种熔铸-原位反应α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于：工艺过程包括制备预制块和熔制铝基复合材料两个阶段：
a.制备预制块：选择三类反应物中的任意一种：
第一类： ，Ti和C的配比范围重量比为1∶0.1～0.8；
第二类： ，TiO2和C的配比范围重量比为2∶0.2～0.5；
第三类： ，Ti、C和TiO2的配比范围重量比为4∶4∶15～30；
上述第一、二、三类中所说的Ti、C、Al和TiO2均为粉末状，粒度范围为10～250μm，纯度大于96.0重量％；
将上述各种原材料按化学计量比放入混料机中混合均匀，再将混合均匀的原料在室温下压制成型，压力范围为25～100MPa；
b.熔制复合材料：将0.5～5公斤的基体Al或者其合金放入中频感应炉中加热，加热温度为该合金熔点以上150～250℃；再将占合金1～20重量％的预制块压入合金熔体中，保温：1～30分钟；精炼除气后浇入金属型或挤压模中进行挤压，获得原位反应α-Al2O3晶须和TiC颗粒复合强化铝基复合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2004100011587A CN1297682C (zh) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | 一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2004100011587A CN1297682C (zh) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | 一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1557987A CN1557987A (zh) | 2004-12-29 |
| CN1297682C true CN1297682C (zh) | 2007-01-31 |
Family
ID=34350582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2004100011587A Expired - Fee Related CN1297682C (zh) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | 一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1297682C (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103203446B (zh) * | 2013-03-23 | 2015-10-07 | 广州有色金属研究院 | 一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法 |
| CN104087878B (zh) * | 2014-06-30 | 2015-12-09 | 北京科技大学 | 一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法 |
| CN106544531A (zh) * | 2015-09-22 | 2017-03-29 | 中国矿业大学 | 一种原位生成TiC颗粒细化铝合金凝固组织的工艺方法 |
| CN106566938A (zh) * | 2016-10-30 | 2017-04-19 | 山西汾西重工有限责任公司 | 一种铝基复合材料熔液净化方法 |
| CN110331311A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-10-15 | 江苏大学 | 一种原位陶瓷颗粒增强铝基复合材料的连续制备方法 |
| CN111663061B (zh) * | 2020-06-23 | 2021-11-23 | 江苏大学 | 一种制备Al-Si合金晶粒细化剂的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1195030A (zh) * | 1997-04-01 | 1998-10-07 | 中国科学院金属研究所 | 原位自生金属基复合材料的制备技术 |
| CN1250107A (zh) * | 1999-02-03 | 2000-04-12 | 北京科技大学 | 熔铸——原位反应喷射成形制备金属基复合材料方法 |
| CN1330164A (zh) * | 2000-06-27 | 2002-01-09 | 北京科技大学 | 一种原位合金化与反应颗粒增强金属基复合材料制备方法 |
| CN1376809A (zh) * | 2001-03-23 | 2002-10-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料 |
-
2004
- 2004-02-02 CN CNB2004100011587A patent/CN1297682C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1195030A (zh) * | 1997-04-01 | 1998-10-07 | 中国科学院金属研究所 | 原位自生金属基复合材料的制备技术 |
| CN1250107A (zh) * | 1999-02-03 | 2000-04-12 | 北京科技大学 | 熔铸——原位反应喷射成形制备金属基复合材料方法 |
| CN1330164A (zh) * | 2000-06-27 | 2002-01-09 | 北京科技大学 | 一种原位合金化与反应颗粒增强金属基复合材料制备方法 |
| CN1376809A (zh) * | 2001-03-23 | 2002-10-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1557987A (zh) | 2004-12-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1676644A (zh) | 陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| Chen et al. | Microstructure and properties of in situ Al/TiB 2 composite fabricated by in-melt reaction method | |
| CN106623890B (zh) | 石墨烯/纳米铝粉复合粉体、包含该复合粉体的石墨烯/铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN109852834B (zh) | 一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法 | |
| CN113957280B (zh) | 一种高强塑高刚度铝基复合材料及制备方法 | |
| CN1108389C (zh) | 一种原位合金化与反应颗粒增强金属基复合材料制备方法 | |
| CN108326302A (zh) | 一种石墨烯增强铝合金材料及其制备方法 | |
| CN1297682C (zh) | 一种原位α－Al2O3晶须和TiC颗粒复合增强铝基复合材料的制备方法 | |
| Riley et al. | Self-propagating high-temperature synthesis of Ti 3 SiC 2 from 3Ti+ SiC+ C reactants. | |
| KR20120123685A (ko) | 입자성 알루미늄 나노 복합재와 그 생산 공정 | |
| JPS5923831A (ja) | ＳｉＣウイスカ−強化複合材の製造方法 | |
| CN100554463C (zh) | 一种原位二硼化钛和三氧化二铝复合增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN1487109A (zh) | 粉末冶金自生成陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN1376809A (zh) | 一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料 | |
| CN110747378A (zh) | 一种Ti3AlC2-Al3Ti双相增强Al基复合材料及其热压制备方法 | |
| CN1327020C (zh) | 原位混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN1284487A (zh) | 反应烧结产物为结合相的氧化锆－莫来石复相耐火材料及制备方法 | |
| CN1228464C (zh) | 双相颗粒混杂增强镁合金基复合材料的制备方法 | |
| US11999831B2 (en) | Aluminum borate whisker reinforced and toughened non-metallic matrix composite and preparation method thereof | |
| CN110079710B (zh) | 一种原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料及其制备方法 | |
| CN100376700C (zh) | 合成高性能铝基原位复合材料的Al-Zr-B-O反应体系及其合成的新材料 | |
| CN1193846C (zh) | 颗粒增强梯度复合材料及其制备方法 | |
| CN112662909B (zh) | 一种碳化物纳米颗粒改性的压铸铝合金及其制备方法 | |
| JPH05222468A (ja) | 反応合成法による炭化チタンとほう化チタンウイスカ強化チタニウム基複合材料の製造法 | |
| CN1060533C (zh) | 一种陶瓷晶须增强金属间化合物基复合材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070131 Termination date: 20100202 |