[發明專利]一種跨尺度原位顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110287163.9
• 申請日: 2011-09-26
• 公開（公告）號: CN102296196A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 陳剛;趙玉濤;張勇;張振亞;侯文勝
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22C21/04;B22D27/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉原位顆粒增強鋁基復合材料，具體而言為涉及一種跨尺度原位顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。

技術背景

顆粒增強鋁基復合材料根據增強顆粒的來源可以分為外加顆粒增強鋁基復合材料和原位顆粒增強鋁基復合材料；外加顆粒增強鋁基復合材料由于增強顆粒由外部加入，存在著顆粒尺寸大、顆粒表面有污染、顆粒-鋁（合金）基體界面結合差以及易生成脆性副產物等一系列缺點，為此，近年來原位顆粒增強鋁基復合材料得到了重視和發展，原位顆粒增強鋁基復合材料的增強顆粒是通過內生或反應合成在鋁基體中原位形核、長大，是熱力學穩定相，表面無污染，顆粒-鋁界面結合好，在眾多反應合成技術中，熔體直接反應法是將含有增強顆粒形成元素的固體顆粒或粉末在一定溫度下加到熔融的鋁或鋁合金中，使之充分反應，從而制備顆粒增強鋁基復合材料，該方法具有工藝簡單、成本低、周期短，易于工業化生產等優點，被認為是最有希望實現工業化應用的新技術，采用熔體直接反應法制備顆粒增強鋁基復合材料，所生產的顆粒增強鋁基復合材料成分、組織均勻，增強顆粒的體積分數一般在20%以下。

在實際應用場合，如汽車發動機活塞，對材料的主要要求是密度小、線膨脹系數低、耐磨性及體積穩定性較高；鋁合金活塞導熱性好，工作表面溫度低，頂部的積炭也較少，但耐熱、耐磨性還有待提高，初步研究已經表明，外加顆粒增強鋁基復合材料活塞具有應用的可行性，但同時也暴露出材料成型性差、顆粒-基體界面結合不良等問題，在其它零部件，如發動機缸體、缸蓋，也同樣有材料強度以及耐熱、耐磨的綜合要求，因此，成型性與使用性能的協調是鋁基復合材料開發的關鍵，原位顆粒增強鋁基復合材料中，陶瓷或金屬間化合物增強顆粒原位形成，材料尺寸穩定性好、耐磨性能優異，同時保持了鋁合金基體的良好的導熱性能，因此，以原位顆粒增強鋁基復合材料為基礎，可望開發出具有良好成型性且力學性能優異的新型鋁基復合材料。

在原位顆粒增強鋁基復合材料中，尺寸處于不同數量級（微米和納米）的增強顆粒共同作為增強體增強鋁合金基體，這樣就形成了跨尺度原位顆粒增強鋁基復合材料，研究表明，尺寸不同的增強顆粒在復合材料中的作用和特點不同：大尺寸有利于提高耐磨性，分散相對容易，但出現缺陷的幾率高；小尺寸的增強效果明顯，但分散相對困難，難以獲得大體積分數。從目前的增強機理分析，在顆粒體積分數相同的情況下，尺寸越小增強作用越強，但是，據文獻（龍祥愿，章愛生。原位反應生成納米TiB₂顆粒增強鋁基復合材料的研究近況，熱加工工藝(鑄鍛版)，2006年第3期）報道，當原位增強顆粒尺寸小于1μm時，增強顆粒的體積分數只能達到5%左右，否則，顆粒增強團聚傾向嚴重，鋁液鑄造性能變差，難成型，不同尺度的增強顆粒以一定比例共同存在于復合材料中，有利于發揮各自的優勢，對于開發新型顆粒增強鋁基復合材料具有重要意義。

目前，原位納米顆粒增強鋁基復合材料往往采用外加物理場輔助化學反應和促進增強顆粒分布，制備工藝已有較多的研究；原位微米尺寸顆粒增強鋁基復合材料的制備工藝相對成熟，然而，同時采用納米與微米原位顆粒增強的鋁基復合材料的制備，由于體積分數相對較高，且不同尺寸的顆粒可能相互影響，在國內外尚沒有相關的報道，本發明希望通過采用適當體積分數的原位納米顆粒，并設法在凝固過程中形成的微米尺寸顆粒，既保證材料的成型性，又使復合材料具有良好的使用性能。

發明內容

本發明提出一種跨尺度原位顆粒增強鋁基復合材料，其構成是：采用原位反應形成的適當體積分數的Al₂O₃納米顆粒和少量Al₃Ti微米顆粒，以及在凝固過程中形成的微米尺寸硅顆粒，對鋁合金進行聯合增強，制備出跨尺度原位顆粒增強鋁基復合材料。