[發(fā)明專利]一種低溫制備原位納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011306962.1
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112522533B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳飛;王彬彬;趙玉濤;張津榮
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22C1/06;C22C21/00;C22C32/00
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本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域，特指一種低溫制備原位納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法。本發(fā)明借助低溫條件下660℃?670℃的放熱化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的原位合成，解決了傳統(tǒng)原位反應(yīng)溫度高，能耗高，基體合金元素?zé)龘p的難題；通過在原位反應(yīng)最集中的位置，即鋁熔體表面，施加高速機(jī)械攪拌以抑制顆粒團(tuán)聚的形成并改善顆粒分散性和尺寸，可原位合成納米級ZrB₂顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，從而顯著提高基體的力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域，特指一種借助混合鹽與低溫鋁熔體之間的放熱反應(yīng)以及高速機(jī)械攪拌技術(shù)原位低溫合成納米ZrB₂顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，所合成的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高塑性等優(yōu)異性能。

背景技術(shù)

鋁基復(fù)合材料作為一種高性能結(jié)構(gòu)材料，其具有高強(qiáng)度、低密度、高耐磨性、低熱膨脹性、優(yōu)異的加工成型性、良好的焊接性能、較高的斷裂韌性和抗腐蝕性能等，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事交通和海洋工程等領(lǐng)域，所以鋁基復(fù)合材料的研究成為了材料界的研究熱點(diǎn)。隨著科技研究的進(jìn)步，一種超高溫陶瓷ZrB₂作為鋁基復(fù)合材料(aluminummatrix composite，AMCs)的增強(qiáng)體出現(xiàn)在人們的視野中，其具有高熔點(diǎn)(3250℃)，高硬度(36GPa)，高強(qiáng)度，高耐磨性，高化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、抗熱震性，因此，ZrB₂顆粒被認(rèn)為是鋁基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。鋁基體中ZrB₂陶瓷顆粒的大小、形狀、質(zhì)量或體積分?jǐn)?shù)以及空間分布決定了AMCs的性能。目前制備ZrB₂增強(qiáng)AMCs的方法很多，主要包括從外部將已有的ZrB₂陶瓷顆粒直接添加到熔融鋁中實(shí)現(xiàn)兩者復(fù)合的外加法以及利用外加反應(yīng)物與鋁熔體之間化學(xué)反應(yīng)在熔體內(nèi)部原位生成ZrB₂顆粒的原位合成法。相比外加法，原位合成法制備的鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒尺寸小、界面干凈、增強(qiáng)體熱力學(xué)穩(wěn)定性好、界面結(jié)合強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，加之工藝簡單，成本低，因此成為商業(yè)化生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的最具潛力的方法之一。

傳統(tǒng)的原位反應(yīng)法制備鋁基復(fù)合材料需要在高溫(850℃以上)條件下進(jìn)行的，從而造成能源消耗量大，基體合金中Mg、Li、Cu、Sr等合金元素?zé)龘p，反應(yīng)過程難以控制，以及工藝操作難度大等難題。此外，高溫反應(yīng)過程較為復(fù)雜，導(dǎo)致有害中間產(chǎn)物和亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物的生成以及增強(qiáng)體顆粒的過度長大，從而削弱了增強(qiáng)體顆粒對鋁基體的強(qiáng)化作用，嚴(yán)重制約ZrB₂顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此，實(shí)現(xiàn)鋁基原位復(fù)合材料的低溫制備具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

由于原位反應(yīng)過程涉及復(fù)雜的物相轉(zhuǎn)變，實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)產(chǎn)物并不單純由分散顆粒構(gòu)成，而是伴有大量顆粒聚集，于是得到的復(fù)合材料中伴有大量ZrB₂顆粒團(tuán)聚。該顆粒團(tuán)聚不同于物理學(xué)上的原子團(tuán)簇，而是反應(yīng)過程中形成的由ZrB₂與反應(yīng)殘留物構(gòu)成的凝聚體(Agglomerate)，其形貌多樣，尺寸通常在10-200μm之間。在復(fù)合材料中，顆粒團(tuán)聚割裂基體，引起應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋萌生，大幅降低復(fù)合材料的力學(xué)、機(jī)加工等性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低溫條件下，原位合成納米級ZrB₂顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料的方法。本發(fā)明具體制備方法如下:

1)將兩種工業(yè)級氟鹽KBF₄和K₂ZrF₆進(jìn)行烘干處理以去除其中吸附的水汽和結(jié)晶水，在電阻爐或感應(yīng)爐中低溫熔煉鋁合金基體；

2)根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料中ZrB₂顆粒含量，確定并稱取兩種氟鹽，之后將氟鹽在研缽或混料機(jī)中混合均勻；

3)當(dāng)鋁熔體溫度達(dá)到660℃-670℃時(shí)，去除表面熔渣，開始在鋁熔體表面施加高速機(jī)械攪拌形成表層漩渦，并且立刻將KBF₄和K₂ZrF₆混合鹽加入鋁熔體表層漩渦中；