[發明專利]一種氧化鋁與三鋁化鋯增強鋁基表面原位復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310251767.7
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN103305825A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 楊敏;宋超群
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C23C24/00
• 分類號: C23C24/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 楊琪

技術領域

本發明涉及鋁基表面復合材料的制備方法領域，特別涉及一種攪拌摩擦加工原位合成(Al₂O₃+Al₃Zr)顆粒增強鋁基表面復合材料的方法。

背景技術

鋁及其合金具有密度小、比強度高、導電導熱性好、成本低、易于加工等優點，廣泛用于航空航天、汽車機車、機械制造、化學工業等領域，是目前工業應用最多的一類有色金屬材料。但鋁及其合金本身的硬度小、耐磨損性能較差，尤其易發生嚴重的粘著磨損，這限制了其工業應用范圍。

將高強度、高硬度、高模量、高熔點的陶瓷顆粒加入鋁基體中形成鋁基復合材料，可明顯提高基體的硬度及耐磨損性能。但由于不可變形陶瓷顆粒存在，鋁基體韌性和延展性降低。由于工件的磨損等破壞主要發生在鋁基體表面，如果只將陶瓷顆粒加入鋁基體表面形成鋁基表面復合層，可在提高表面耐磨性同時保持基體本身優良的韌性和延展性。

目前用于生產顆粒增強鋁基表面復合材料的方法多屬于非原位合成工藝，該類方法制備復合材料中增強體尺寸受初始加入顆粒尺寸限制，且制備過程中存在顆粒與基體界面易污染，結合強度差，顆粒在基體中易聚集等問題。而目前常用的原位合成工藝均屬于液態方法，該類方法制備材料為塊體復合材料，不適用于表面復合材料，且反應過程溫度高，屬于高能耗、高污染工藝。

攪拌摩擦加工原位合成技術是在攪拌摩擦焊接及加工技術基礎上發展而成的一種新型固態加工工藝。它是利用高速旋轉攪拌工具壓入鋁板表面，并以一定速度在板表面移動，攪拌工具與鋁板的摩擦產熱及鋁板自身的塑性變形產熱使表面基體產生劇烈塑性變形，預置于鋁板表面的顆粒在強烈攪拌作用下與塑性鋁基體分接觸，發生化學反應生成增強體顆粒，最終得到顆粒增強鋁基表面復合材料。

中國專利CN?102021557A公開了一種鋁合金表面Al₂O₃+TiB₂復合涂層及其制備方法，首先，在鋁合金表面開出若干深為0.5mm～2mm，寬為0.5mm～2mm的溝槽，在溝槽中填充球磨好的含30%～70%TiO₂、30%～70%B₂O₃混合粉末，再通過攪拌摩擦加工，使TiO₂和B₂O₃混合粉末均勻分布在鋁合金的表面層中，最后對這一表面層進行感應加熱，產生化學反應3TiO₂+3B₂O₃+10Al=3TiB₂+5Al₂O₃，獲得Al₂O₃+TiB₂復合涂層，涂層和基體間形成冶金結合界面。該專利中化學反應發生在感應加熱過程而非攪拌摩擦加工過程，其不足在于：攪拌摩擦前需要將混合粉末球磨，攪拌摩擦加工后需要后續感應加熱過程才能發生化學反應，工藝步驟復雜，且感應加熱過程中TiO₂和B₂O₃顆粒接觸不充分，不利于反應完全進行。

發明內容

本發明的目的是提供一種氧化鋁與三鋁化鋯增強鋁基表面原位復合材料及其制備方法，在鋁板表面制備Al₂O₃和Al₃Zr顆粒增強復合材料。

本發明采取的技術方案為：

一種氧化鋁與三鋁化鋯增強鋁基表面原位復合材料的制備方法，包括步驟如下：

(1)以鋁板為基體，在基體表面加工若干的盲孔或溝槽，清理基體表面氧化膜及盲孔或溝槽內雜物；

(2)將粒徑在10nm～10μm之間的氧化鋯顆粒倒入揮發性有機溶劑內，混合均勻后加入盲孔或溝槽內；待有機溶劑揮發后再次填充，直至填實；

(3)將基體固定在攪拌摩擦加工設備上，攪拌工具在顆粒填充區域以相同加工工藝參數攪拌3～10遍：攪拌工具下壓速度為5～15mm/min，壓入量為0.05～0.6mm，旋轉速度為600～3000r/min，行進速度為30～60mm/min，傾斜角為0～3°，加工過程中發生化學反應并生成顆粒增強鋁基表面復合材料。

上述的鋁板為純鋁或鋁合金板，厚度為6～20mm。所述的盲孔直徑為2～4mm，溝槽寬度為1～3mm，相鄰孔或槽間隔為1～2mm，孔或槽深度為2～6mm。

上述的加入的氧化鋯顆粒純度為90%～99.9%。