CN104532068B - 纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料包括基体铝以及纳米TiC陶瓷增强体，纳米TiC陶瓷增强体的尺寸在0.1‑1微米,添加量是基体铝重量的1‑15%；纳米TiC陶瓷增强体包括铝粉、钛粉、石墨粉、细化剂NaCl，其中钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7。是将铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl压制成预制块后投入到铝熔体中，反应后得到纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料。本发明制备的纳米TiC陶瓷增强体颗粒圆整度好，在铝基体内分布均匀，与基体结合度好。
Description
技术领域
本发明涉及硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料，尤其涉及原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备工艺，属于金属基复合材料领域。
背景技术
随着科学技术的发展，尤其是航空航天、国防、交通等领域的快速发展，对材料综合性能要求越来越高，单一材料已不能满足这种要求。颗粒强化铝基复合材料具有比强度高、耐磨、耐热性好等优点，在许多领域被用于替代传统的钢铁材料。TiC具有高强度、高模量、高熔点且与铝基体润湿良好等优点，同时TiC具有与铝相近的晶格常数，是铝熔体理想的结晶晶核，可以起到细化母体晶粒的效果，因此是强化铝基合金理想的第二相粒子，利用TiC强化铝基材料的研究受到了越来越多的关注。传统的制备颗粒强化金属基复合材料的方法是将预先制备好的颗粒加入到金属熔体中，该方法存在着颗粒与金属基体间结合较差，颗粒粗大且均匀化困难等一系列问题。例如，采用传统的Al-Ti-C体系制备的原位TiC增强铝基复合材料，TiC尺寸一般在1-5微米，重量百分比在20%以上，这种复合材料只能作为中间合金使用，增加了制造成本。
原位合成技术是在特定的条件下，通过两种或多种物质之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或多种增强相，达到改善基体某些性能的目的。由于增强相颗粒是原位生成的，所以具有颗粒细小、表面无污染、热力学性能稳定、强化相颗粒与基体之间润湿性好等优点，成为了制备颗粒增强铝基复合材料的理想方法。但由于原位反应速度快，反应过程不易控制等因素，反应生成物的成分和组织还不尽如人意，强化相粒子容易长大、偏聚，致使材料的整体性能达不到设计要求，现今常采用机械搅拌或电磁搅拌法来达到均匀化的目的，但效果还不太理想。
发明内容
本发明目的在于提供一种纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在原位合成过程中使用NaCl作为细化剂，不受原位合成TiC与基体间重量比控制，TiC含量低；TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸在0.1-1微米，在基体内分布均匀，与基体结合度好。
本发明的另一个目的在于提供纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，工艺简单。
本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：
一种纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，包括基体铝以及纳米TiC陶瓷增强体，纳米TiC陶瓷增强体的添加量是基体铝重量百分比的1-15%；所述的纳米TiC陶瓷增强体的尺寸在0.1-1微米。
所述的纳米TiC陶瓷增强体包括钛粉、石墨粉、细化剂NaCl，其中钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7。
基体铝纯度为99.5%，粒度为200目；钛粉纯度为99.5%，粒度为325目；石墨粉纯度为99%，粒度为200目；NaCl纯度为99%，粒度为200-325目。
纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤1称料：按比例取铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl，其中，钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7；
步骤2混合：将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合均匀；
步骤3 压块：将混合后的粉料压制成圆柱形预制块，70℃干燥6小时；
步骤4 TiC陶瓷颗粒增强体的制备：将工业纯铝锭放入到石墨坩埚中，加热至熔融温度以上（850℃），保温30min，去除表层灰渣，将压制好的预制块投入到铝熔体内，反应完全后机械搅拌10min，将熔体温度降至750℃保温15min，去除表层灰渣后，将熔体倒入预热至250℃的金属磨具中冷却，制备出纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
本申请在原位合成过程中使用NaCl作为细化剂，不受原位合成TiC与基体间重量比控制，可以生产TiC含量很低的复合材料，分布在铝基中的TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸在0.1-1微米，分布均匀，与基体间结合好。
附图说明
图1是实施例1原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料扫描电子显微镜照片；可见，合成的纳米TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸在0.1-1微米；
图2是实施例1原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料中球状相的能谱图。谱图说明合成的纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料纯度好，无其它杂质，其中没有发现NaCl的峰存在，是因为所加NaCl量非常少所致。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
原位合成纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤一、取铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl的粉料配料；其中，钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7；
步骤二、将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合12小时；
步骤三、将混合后的粉料在20MPa压力下压制成直径为10毫米，高度为10毫米的圆柱形预制块，在干燥箱中干燥6小时，温度70℃；
步骤四、将称量好的工业纯铝锭放入到石墨坩埚中，在井式电阻炉中加热至850℃，保温30min，去除表层灰渣，按照重量比TiC:Al=1:9（TiC是Ai重量百分比的1/9=11.11%,）计算出所需重量的预制块，将称量好的预制块投入到铝熔体内进行反应，反应完全后机械搅拌10min，将熔体温度降至750℃保温15min，去除表层灰渣后，将熔体倒入预热至250℃的金属磨具中冷却，制备出重量百分比TiC:Al=1:9的纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，球状相元素重量及原子百分比见下表所示：
实施例2
与实施例1的不同之处在于：纳米TiC陶瓷增强体的添加量是基体铝重量百分比的1%。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：纳米TiC陶瓷增强体的添加量是基体铝重量百分比的15%。
经分析，合成的纳米TiC陶瓷颗粒圆整度好，尺寸在0.1-1微米，复合材料纯度好，无其它杂质，其中没有发现NaCl的峰存在。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
Claims (1)
1.纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述的纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料，包括基体铝以及纳米TiC陶瓷增强体，纳米TiC陶瓷增强体的尺寸在0.1-1微米，添加量是基体铝重量的1-15%；纳米TiC陶瓷增强体包括铝粉、钛粉、石墨粉、细化剂NaCl，其中钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7，其特征在于步骤如下：
步骤1称料：按比例取铝粉、钛粉、石墨粉、NaCl，其中，钛粉与石墨粉的摩尔比为1:1.2，NaCl与钛粉和石墨粉总量的摩尔比为3：25，Al粉与钛粉和石墨粉总量的质量比为3：7；
步骤2混合：将配制好的粉料在滚筒式球磨机内混合均匀；
步骤3 压块：将混合后的粉料压制成圆柱形预制块，干燥；
步骤4 TiC陶瓷颗粒增强体的制备：将工业纯铝锭放入到石墨坩埚中，在井式电阻炉中加热至850℃得到铝熔体，保温30min，去除表层灰渣，将压制好的圆柱形预制块投入到铝熔体内，反应完全后机械搅拌混合均匀，将熔体温度降至750℃保温15min，去除表层灰渣后，将熔体倒入经预热的金属磨具中冷却，获得纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
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