專利名稱：氧化鋁－碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，特別是涉及一種氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料能夠同時發(fā)揮金屬基體與增強相的優(yōu)勢，顯著提高強度、彈性模量、硬度及耐磨性，在航空航天、兵器、汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。鋁基復(fù)合材料因其密度較小，比強度、比剛度高是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用前景最好、研究最為普遍和發(fā)展最為迅速的材料。目前已開發(fā)了多種復(fù)合材料制備技術(shù)如粉末冶金法、預(yù)制件浸滲法(包括真空浸滲、壓力浸滲、無壓浸滲)、攪拌鑄造法、復(fù)合鑄造法(或半固態(tài)攪拌鑄造法)、噴射共沉積法、原位復(fù)合法等；已研究多種增強相，其中包括長纖維(如碳纖維、砰纖維等)、短纖維(如Al2O3，SiC、硅酸鋁等)、顆粒(如SiC，B4C，AlN，Al2O3，TiC，TiB2，石墨等)，以及多種基體合金成分。液體金屬浸滲法和攪拌鑄造法是目前研究及應(yīng)用最多的方法。但壓力或真空浸滲法尚存在需要設(shè)備投資大、因潤濕性差導(dǎo)致浸滲不均勻、因液體與粘結(jié)劑或增強相反應(yīng)導(dǎo)致材料脆性較大，同時也難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。攪拌鑄造法雖然成本較低，適合于大批量連續(xù)生產(chǎn)，但由于顆粒的特性、表面污染、氣體吸附等原因，其與合金熔體一般潤濕性較差，導(dǎo)致加入及分散困難，界面結(jié)合較差，性能較低，工藝穩(wěn)定性較差。原位復(fù)合法是近年來發(fā)展起來的復(fù)合材料制備方法。因增強相原位生成，表面清潔無污染、化學(xué)穩(wěn)定性高、其體積分數(shù)及尺寸選擇性大而倍受青睞。專利號為6290748的美國專利公開一種利用Al或鋁合金中的合金元素(Mg，Ca)等還原氟化物熔劑原位生成TiB2粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，但該法需在真空條件下完成，設(shè)備投資高，不便于操作。專利號為99116247的中國專利公開了一種通過攪拌鑄造法和原位反應(yīng)法相結(jié)合，使Al2(SO4)3分解生成Al2O3彌散增強鋁基復(fù)合材料的方法，但反應(yīng)副產(chǎn)品如SO2等易對環(huán)境造成污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低、無污染、可在常規(guī)條件下組織生產(chǎn)的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是利用含CO2、CH4、Ar、O2的混合氣體將含活性炭、石墨、鈦粉、氟鈦酸鉀、鋁粉中的至少兩種組合的混合粉末吹入鋁合金熔體中，通過反應(yīng)生成增強粒子，再經(jīng)機械攪拌、變質(zhì)、精煉、澆注，即獲得粒子增強鋁基復(fù)合材料。活性炭、石墨用于提供碳元素，鈦粉、氟鈦酸鉀用于提供鈦元素，鋁粉為緩沖劑，用于控制反應(yīng)速度及粒子的分布。
上述制備方法，其特征還在于混合氣體中各組分的體積含量為CH45～50％、Ar5～40％，O25～40％CO210～80％；混合氣體壓力為0.02～0.2Mpa，氣體流量為0.01～0.1m3/min。CO2用于提供C元素，CO2，O2用于提供O元素，Ar為稀釋劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粒子生長速度。
所述的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征還在于鋁合金熔體含有質(zhì)量百分比為0.2～2％的鈦，鋁合金熔體的溫度為780～900℃。反應(yīng)生成增強粒子的時間為5～20分鐘，主要取決于要求的粒子含量。
(1)增強相為液態(tài)反應(yīng)合成TiC和Al2O3粒子，即主要發(fā)生如下反應(yīng)
等，且兩種生成物的反應(yīng)相互促進，從而加快反應(yīng)速度。增強粒子尺寸為0.1～1μm。通過對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、混合氣體組成、反應(yīng)混合物組成等的調(diào)節(jié)，可以控制反應(yīng)生成增強粒子的組成(TiC與Al2O3的比例)、粒子尺寸、數(shù)量及分布，以滿足不同的使用要求。
本發(fā)明的基體合金可根據(jù)使用要求選擇任意商業(yè)鋁合金。鋁合金在電阻加熱坩堝爐內(nèi)熔煉，可在大氣條件下進行。
本發(fā)明因增強粒子是在鋁合金熔體中反應(yīng)生成的，從根本上解決了外加粒子與基體合金潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及高溫條件下使用時性能穩(wěn)定性差等問題。因生成的粒子尺寸小、因比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性高，間隔2小時澆注試樣的力學(xué)性能差小于5％，這將有利大批量、中小零部件的穩(wěn)定生產(chǎn)。增強粒子尺寸細小，分布均勻，熱穩(wěn)定性高，表面無污染，與鋁合金基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能(300℃)及耐磨性顯著提高，尤其適合于摩托車、汽車缸體，大功率內(nèi)燃機活塞等高溫條件下工作的部件，以及對耐磨性要求較高的零部件。
該復(fù)合材料制備工藝無需專用設(shè)備(如攪拌、加壓、真空爐等)，在常規(guī)鋁合金生產(chǎn)條件下即可組織生產(chǎn)，投資少，生產(chǎn)成本低。
權(quán)利要求
1.氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是利用含CO2、CH4、Ar、O2的混合氣體將含活性炭、石墨、鈦粉、氟鈦酸鉀、鋁粉中的至少兩種組合的混合粉末吹入鋁合金熔體中，通過反應(yīng)生成增強粒子，再經(jīng)機械攪拌、變質(zhì)、精煉、澆注，即獲得粒子增強鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是混合氣體中各組分的體積含量為CH45～50％、Ar5～40％，O25～40％CO210～80％；混合氣體壓力為0.02～0.2Mpa，氣體流量為0.01～0.1m3/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是鋁合金熔體含有質(zhì)量百分比為0.2～2％的鈦，鋁合金熔體的溫度為780～900℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁—碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是反應(yīng)生成增強粒子的時間為5～20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，涉及一種氧化鋁－碳化鈦粒子增強鋁基復(fù)合材料的制備方法。該方法是利用含CO
文檔編號C22C21/00GK1417362SQ0213597
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
發(fā)明者于化順, 閔光輝, 王執(zhí)福, 馮剛, 宋文啟, 張書民, 顏君衡 申請人:山東大學(xué), 中國輕騎集團曲阜活塞廠