一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬?gòu)?fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所述復(fù)合材料，以鋁或鋁合金為基體，其特征是：鋁或鋁合金基體中含有彌散分布的納米Al3BC及亞微米Al4C3顆粒；Al3BC的質(zhì)量百分比為4.0～50.0，尺寸為10～100nm；Al4C3的質(zhì)量百分比為0.5～10.0，尺寸為200～500nm；Al4C3中還摻雜有微量B元素，有效地改善了Al4C3的脆性及三維形貌；Al3BC與Al4C3對(duì)材料形成互補(bǔ)和協(xié)同強(qiáng)化作用。其制備方法為：首先將鋁或鋁合金粉末和石墨粉混合均勻，球磨4～32小時(shí)后與納米B4C粉混合均勻，繼續(xù)球磨4～16小時(shí)；壓制成塊后放入真空爐中加熱至500～1000℃，并保溫0.5～10小時(shí)，保溫過(guò)程中對(duì)試樣施加60～100MPa壓力，即可得到該復(fù)合材料。該鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)高韌、耐磨耐熱等優(yōu)異力學(xué)性能。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬?gòu)?fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法。 一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法

【背景技術(shù)】
[0002] 由于環(huán)保和節(jié)能的需要，輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展潮流，鋁合金取代鋼鐵 材料是大勢(shì)所趨，然而隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的發(fā)展，諸多領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笤絹?lái)越高，如 汽車行業(yè)中活塞、氣缸等對(duì)材料耐磨性、耐疲勞性能等要求越來(lái)越高，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材 料的耐熱性能提出了極高的要求，目前常用的鑄造鋁合金已無(wú)法達(dá)到要求，因此開(kāi)發(fā)高比 強(qiáng)度、比剛度、高耐磨耐蝕耐熱性能的鋁基復(fù)合材料顯得尤為重要。
[0003] 純鋁和鋁合金都可以作為鋁基復(fù)合材料的基體，其中以鋁合金作為基體的復(fù)合材 料居多，工業(yè)上常用的Al-Si、Al-Mg、Al-Cu系合金在鋁基復(fù)合材料中都有應(yīng)用。當(dāng)前鋁基 復(fù)合材料研究主要集中在兩個(gè)方面：采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料；采用非連續(xù)增強(qiáng) 體增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。相對(duì)來(lái)說(shuō)，后者具有制備工藝簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 工業(yè)化大批量生產(chǎn)的潛力大。
[0004] 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法包括外加法與原位合成法，原位合成的增強(qiáng)體 在金屬基體內(nèi)形核、長(zhǎng)大，與基體的界面結(jié)合較好，結(jié)合強(qiáng)度較高，且增強(qiáng)體表面無(wú)污染，具 有更廣闊的應(yīng)用前景。
[0005] 目前，作為復(fù)合材料增強(qiáng)相的顆粒有很多，包括A1203、TiC、TiB2、SiC等，本發(fā)明提 出將A1 3BC作為鋁及其合金增強(qiáng)相的新方法。A13BC為密排六方結(jié)構(gòu)，密度為2. 85g/cm3,楊 氏模量達(dá)326GPa，在1. 6-4. 8GPa壓力和1700K以下能保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，該粒子具有密 度低、硬度高、高溫穩(wěn)定性好和彈性模量高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種具有重要發(fā)展?jié)摿Φ脑鰪?qiáng) 粒子。與A1 203、TiC、1182等相比，A13BC具有更低的密度，與鋁的密度相近，因此其更易彌 散地分散在鋁基體中。另外，A1 3BC具有較高的彈性模量，且尺寸細(xì)小穩(wěn)定。文獻(xiàn)（A13BC增 強(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料的研究，賈龍凱等，特種鑄造及有色合金，2012年年會(huì)?？?21-223) 報(bào)道了一種原位自生A1 3BC增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，其將A1-B-C中間合金加入到鎂合金熔體中 制備得到A13BC增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，該材料中A1 3BC尺寸較大，存在聚集，體積分?jǐn)?shù)受中間合 金限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的制備，且制備方法難以控制。
[0006] A14C3熔點(diǎn)為2100°C，密度為2. 36g/cm3,硬度強(qiáng)度較高，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ脑?強(qiáng)相，有研究指出，A14C 3可有效提高鋁合金耐磨性，但由于其脆性較高，尺寸粗大的板片狀 A14C3對(duì)基體割裂作用嚴(yán)重，限制了其作為增強(qiáng)相的應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)改善制備工藝，原位 反應(yīng)制備的A1 4C3尺寸細(xì)小，并且摻雜有微量B元素，使其三維形貌由板片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝骟w 狀，同時(shí)降低了 A14C3的脆性，有效改善了其對(duì)基體的割裂作用。通過(guò)與A13BC顆粒的復(fù)合 增強(qiáng)及協(xié)同作用，使材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐熱性能顯著提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種綜合力學(xué)性能良好的鋁基復(fù)合材 料，并且提供一種工藝簡(jiǎn)便、適合工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法。
[0008] 本發(fā)明是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種鋁基復(fù)合材料，以鋁或鋁合金為基體，其特征是：鋁或鋁合金基體中含有彌散 分布的納米A1 3BC及亞微米A14C3顆粒；其中，A13BC的質(zhì)量百分比為4.0?50.0,尺寸為 10?100nm ;A14C3的質(zhì)量百分比為0. 5?10. 0,尺寸為200?500nm ;A14C3中還摻雜有微 量B元素，有效地改善了 A14C3的脆性及三維形貌；A13BC與A14C 3對(duì)材料形成互補(bǔ)和協(xié)同強(qiáng) 化作用。
[0010] 上述鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征包括以下步驟：
[0011] (1)按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好所需原料：鋁或鋁合金粉末（粒度<50 μ m) 87.0? 95.1、84(：粉（粒度彡5011111)0.5?6.5、石墨粉（粒度彡5 4 111)0.4?7.0;
[0012] (2)將步驟（1)所述鋁或鋁合金粉末與石墨粉混合均勻，在高能球磨機(jī)上球磨4? 32小時(shí)，然后與上述B 4C粉混合均勻，繼續(xù)球磨4?16小時(shí)，最后利用液壓機(jī)將粉末壓制成 塊體；
[0013] (3)將步驟⑵所述塊體放入真空爐中加熱至500?1000°C，并保溫0. 5?10小 時(shí)，在保溫過(guò)程中對(duì)試樣施加60?lOOMPa壓力。
[0014] 本發(fā)明基體中原位生成了彌散分布的納米A13BC及亞微米A14C 3顆粒，并通過(guò) A13BC及A14C3顆粒的協(xié)同強(qiáng)化作用，實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)高韌、耐磨耐熱性能。由于A1 3BC及 Al4c3增強(qiáng)粒子為原位生成，與鋁基體界面清潔無(wú)污染，界面結(jié)合強(qiáng)度高。力學(xué)性能測(cè)試表 明，A1 3BC、A14C3復(fù)合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐熱性能均有大幅度提 高，是一種具有重要應(yīng)用前景的高強(qiáng)高韌、耐磨耐熱鋁基復(fù)合材料。
[0015] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)成果，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)增強(qiáng)顆粒細(xì)小彌散。納米A13BC尺寸為10?100nm，亞微米A1 4C3尺寸為200? 500nm，均為多面體形貌，并彌散分布在鋁基體中。
[0017] ⑵A13BC與A14C3對(duì)材料形成互補(bǔ)和協(xié)同強(qiáng)化作用。納米A1 3BC有利于實(shí)現(xiàn)材料 的高強(qiáng)高韌，亞微米A14C3對(duì)提高材料的耐磨性具有重要作用，兩種粒子協(xié)同作用提高材料 的耐熱性能，即通過(guò)兩種增強(qiáng)粒子的互補(bǔ)及協(xié)同強(qiáng)化作用，可實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)高韌、耐磨耐 熱。
[0018] (3)A14C3中摻雜有微量的B元素，有效地改善了 A14C3的脆性及三維形貌。由于摻 雜了微量的B元素，A14C 3的三維形貌由粗大的板片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的多面體狀，并且其脆性 得到有效改善，進(jìn)而降低了其對(duì)基體的割裂作用，提高了顆粒增強(qiáng)效果。
[0019] (4)A13BC和A14C3兩種增強(qiáng)體在基體中原位生成，表面潔凈、無(wú)污染，且均與基體 潤(rùn)濕良好，界面結(jié)合強(qiáng)度較高。
[0020] (5)熔體反應(yīng)法工藝簡(jiǎn)便，可控性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的 制備。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面給出本發(fā)明的幾個(gè)最佳實(shí)施例：
[0022] 實(shí)施例1
[0023] (1)按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好所需原料：錯(cuò)粉（粒度彡50μπι)93.9、納米B4C粉
【權(quán)利要求】
1. 一種鋁基復(fù)合材料，以鋁或鋁合金為基體，其特征是：鋁或鋁合金基體中含有彌散 分布的納米A1 3BC及亞微米A14C3顆粒；A13BC的質(zhì)量百分比為4.0?50.0,尺寸為10? 100nm ;A14C3的質(zhì)量百分比為0· 5?10. 0,尺寸為200?500nm ;A13BC與A14C3對(duì)材料形成 互補(bǔ)和協(xié)同強(qiáng)化作用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟： (1) 按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好所需原料：鋁或鋁合金粉末87. 0?95. 1、B4C粉0. 5? 6. 5、石墨粉0.4?7.0 ; (2) 將步驟（1)所述鋁或鋁合金粉末與石墨粉混合均勻，在高能球磨機(jī)上球磨4?32 小時(shí)后與上述B4C粉混合均勻，繼續(xù)球磨4?16小時(shí)，最后利用液壓機(jī)將粉末壓制成塊體； (3) 將步驟（2)所述塊體放入真空爐中加熱至500?1000°C，并保溫0. 5?10小時(shí)， 保溫過(guò)程中對(duì)試樣施加60?lOOMPa壓力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟（1)中鋁或鋁合 金粉末的粒度彡50 μ m，石墨粉的粒度彡5 μ m，B4C粉的粒度彡50nm。
【文檔編號(hào)】C22C32/00GK104120310SQ201410380572
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月4日
【發(fā)明者】劉相法, 趙永峰, 田文婕, 趙清汝 申請(qǐng)人:山東大學(xué)