[發明專利]鋁熱反應合成納米Al2O3顆粒增強復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110439949.8
• 申請日: 2011-12-24
• 公開（公告）號: CN103170598A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 席文君;李濤;吳偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B22D13/00
• 分類號: B22D13/00;C22C1/02
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

技術領域

本發明涉及利用鋁熱反應在超重力場中直接在合金熔體(如Fe合金熔體、Ni合金熔體或Cr合金熔體)中原位反應合成納米增強顆粒(如納米Al₂O₃增強顆粒)增強的復合材料及其制備方法。

背景技術

氧化物納米顆粒均勻彌散分布在Fe、Ni等合金基體中，可顯著提高這些合金的高溫力學性能特別是高溫抗蠕變性能。最典型的就是納米Al₂O₃、Y₂O₃顆粒增強的ODS合金。然而，這類合金的納米氧化物顆粒都是使用機械合金化的方法加入的。之所以采用這種成本較高、又極易使氧化物表面產生污染的粉末冶金工藝而不采用鑄造工藝制備這類合金，主要是因為氧化物顆粒與金屬熔體的密度、熔點差別較大，它們之間的潤濕性也較差，在地球重力場中，氧化物很難在熔體中均勻彌散分布，而且，即使是在太空實驗室的微重力環境下，要實現氧化物在金屬熔體中的均勻彌散分布也有相當的難度。

發明內容

根據本發明的一個方面，提供了一種在超重力場中制備納米顆粒增強復合材料的方法，其特征在于包括：

將鋁熱劑粉末裝入一個反應容器內，所述反應容器相對其中心軸旋轉對稱，其內壁上有預定形狀的槽，

使所述反應容器繞所述中心軸高速旋轉，從而使反應產物所承受的向心加速度遠大于重力加速度，從而形成超重力場，

點燃鋁熱劑，從而使所述反應容器內的所有反應產物都處于熔融狀態，在所述超重力場作用下，所述反應產物中密度較大的金屬熔體遠離所述中心軸而位于所述反應容器的內表面并流入所述槽內并在冷卻后形成鑄件，所述反應產物中密度較小且與所述金屬熔體的潤濕性較差的熔體覆蓋在所述金屬熔體的表面上并在冷卻后形成熔渣。

根據本發明的另一個方面，提供了用上述方法獲得的所述鑄件。

根據本發明的又一個方面，提供了了構成上述鑄件的納米顆粒增強復合材料。

附圖說明

圖1(a)是橫截面圖，顯示了根據本發明的一個實施例的反應容器和其中的未反應物；圖1(b)是橫截面圖，顯示了圖1(a)所示的反應容器和其中的反應產物。

圖2(a)和圖2(b)顯示了本發明的一個實施例中制備的鐵基合金的SEM顯微組織。

圖3(a)、圖3(b)和圖3(d)是本發明的上述實施例中制備的鐵基合金的不同放大下的透射電鏡圖。圖3(c)表示了該鐵基合中α-Al₂O₃的[120]晶帶軸與β′相的[111]晶帶軸的平行等關系。

具體實施方式

本發明提供了一種利用鋁熱反應在超重力場中直接在合金熔體(如Fe合金熔體、Ni合金熔體或Cr合金熔體)中原位反應合成納米增強顆粒(如納米Al₂O₃增強顆粒)增強的復合材料的方法。

根據本發明的一個實施例，通過設計鋁熱劑(如多元鋁熱劑(Fe₂O₃+NiO+Cr₂O₃+CrO₃+Al))的成分和使用凝膠添加劑(如TiO₂凝膠添加劑)，首先在合金熔體中原位反應合成納米尺度的納米增強顆粒(如Al₂O₃顆粒)，之后這些納米增強顆粒與金屬間化合物(如(Ni，Fe)Al金屬間化合物)因相互間較低的界面能結合在一起，因此原位合成了所述納米增強顆粒和所述金屬間化合物共同強化的合金。本發明的方法是一種低成本、高效率合成氧化物顆粒增強金屬基復合材料的新工藝，預計在高溫結構材料領域有廣闊的應用前景。