專利名稱：反應合成Ti₅Si₃顆粒梯度增強鑄造鋁基復合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復合材料的制備方法，特別是涉及金屬間化合物顆粒梯度增強的鋁基 復合材料的制備方法。
技術(shù)背景近年來，顆粒增強金屬基復合材料的研究多集中在整體強化之上。但是在很多工況下， 并不要求材料整體都要進行顆粒增強。此外，整體強化時增強顆粒體積分數(shù)易受限制，因為 金屬液的流動性隨著增強顆粒體積分數(shù)的提高而下降，當顆粒體積分數(shù)超過10%時，難以澆 注成型形狀復雜的鑄件；而且，整體強化成本較高，因為不需要顆粒增強的部分也進行了顆 粒增強，浪費了增強體。因此，梯度增強金屬基復合材料的開發(fā)受到越來越多的重視。梯度增強金屬基復合材料的研究主要集中在鋼基體之上，增強顆粒多為陶瓷顆粒，原因 是由于鋼液熔煉溫度高，較易引發(fā)反應物壓坯的化學反應，從而形成所需的增強體。如專利 02109101.3中采用Al、 Ti和C粉制成預制塊，在鑄型內(nèi)反應形成原位陶瓷顆粒TiC，制備 局部增強鋼基復合材料。由于鋁液的熔煉溫度相對較低，因此，反應物體系的選擇受到較多 限制，目前的研究工作相對較少。發(fā)表在"Materials Science and Engineering A, 2008; 473: 166-171"上的文章將卯(TC純鋁液澆注到鑄型內(nèi)引發(fā)Al、 Ti和C粉體系壓坯的反應，制備 了局部陶瓷顆粒TiC增強的鋁基復合材料，為梯度增強鋁基復合材料的制備奠定了一定的基 礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應用的金屬間化合物顆粒梯度增 強鋁基復合材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用Cu、 Ti和Si粉，通過鑄型內(nèi)澆鑄高溫鋁液引燃反應物壓坯的燃燒合成反應，形成原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒，制備Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強鋁基復合材料。具體工藝過程包括反應物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應原位形成金屬間化合物增強顆粒兩個階段 1.反應物壓坯的制備a. 壓坯組成壓坯由粉料粒度小于50微米的Cu、 Ti和Si粉組成，其中Cu粉的含量 為摩爾百分比10%《Cu《40%， Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti:Si=5:3;b. 混料將上述配制好的Cu、 Ti和Si粉裝入球磨混料機中，混料6士1小時，使之混合均勻；C.壓制成型把混合均勻的粉體放入模具中，在室溫下壓制成坯，壓坯密度為壓坯理 論密度的66±3 %;2.原位金屬間化合物增強顆粒的形成a. 預處理將反應物壓坯放入真空或有氬氣保護的烘干爐內(nèi)，加熱至350士100 °C，烘干除氣4士1小時；b. 原位金屬間化合物增強顆粒的形成將預處理后的壓坯置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強的特定區(qū)域或位置，隨后將820±30 'C高溫鑄造鋁合金溶液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應，形成Ti5Si3金屬間化合物增強顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強鑄造鋁基復合材料。本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比具有以下特點-本發(fā)明提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應用的金屬間化合物顆粒梯度增強鋁基復合材料的制備方法，即采用Cu、 Ti和Si粉反應形成原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒，用以提 高鑄件服役區(qū)域或位置的硬度和耐磨性，而基體材料本身則保持其原有的韌性?；w材料可 以選用純鋁，也可以選用鑄造鋁合金。1) 采用Cu、 Ti和Si粉作為反應物體系，引燃溫度低，鋁液的熔煉溫度完全能夠引發(fā) 該體系的燃燒合成反應；2) 金屬間化合物TisSi3顆粒反應形成，表面潔凈，與基體結(jié)合好，增強效果顯著；3) 添加的Cu粉在反應后既可以作為合金元素固溶于基體進行合金強化，也可以和基體 Al反應形成Al2Cu起到強化作用。
具體實施方式
實施例取粒度小于50微米的Cu、 Ti和Si粉作為反應物，其中Cu粉的含量為摩爾百分比分別 為10%、 20%、 30%、 40%， Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti:Si二5:3;將上述配制好的粉料 分別裝入球磨混料機中混合均勻，然后壓制成坯，其密度為壓坯理論密度的66±3%;將壓 坯放入真空爐內(nèi)，加熱至40(TC，除氣4小時，然后置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強的特定區(qū)域， 并將約850'C的鑄造鋁合金Al-7.5Zn-1.6Cu-0.8Mg熔液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應，原位形成Ti5Si3金屬間化合物增強顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強鑄造鋁基復合材料。
權(quán)利要求
1、一種反應合成Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于工藝過程包括反應物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應原位形成金屬間化合物增強顆粒兩個階段(1)反應物壓坯的制備a.壓坯組成壓坯由粉料粒度小于50微米的Cu、Ti和Si粉組成，其中Cu粉的含量為摩爾百分比10％≤Cu≤40％，Ti和Si粉的比例按摩爾比為Ti∶Si＝5∶3；b.混料將上述配制好的Cu、Ti和Si粉裝入球磨混料機中，混料6±1小時，使之混合均勻；c.壓制成型把混合均勻的粉體放入模具中，在室溫下壓制成坯，壓坯密度為壓坯理論密度的66±3％；(2)原位金屬間化合物增強顆粒的形成a.預處理將反應物壓坯放入真空或有氬氣保護的烘干爐內(nèi)，加熱至350±100℃，烘干除氣4±1小時，b.原位金屬間化合物增強顆粒的形成將預處理后的壓坯置于鑄型內(nèi)鑄件需要增強的特定區(qū)域或位置，隨后將820±30℃高溫鑄造鋁合金溶液澆注到鑄型內(nèi)，引燃壓坯內(nèi)的燃燒合成反應，形成Ti5Si3金屬間化合物增強顆粒，從而制備出原位Ti5Si3金屬間化合物顆粒梯度增強鑄造鋁基復合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強金屬基復合材料的制備方法，特別是涉及金屬間化合物顆粒梯度增強鋁基復合材料的制備方法。具體工藝包括反應物壓坯的制備和鑄型內(nèi)的燃燒合成反應兩個階段1)采用Cu、Ti和Si粉作為反應物，按照一定比例混合均勻，壓制成坯；2)將經(jīng)過預處理后的反應物壓坯放置于鑄型內(nèi)鑄件需要強化的特定位置或區(qū)域，澆鑄高溫鋁液誘發(fā)壓坯的燃燒合成反應，原位形成Ti₅Si₃金屬間化合物增強顆粒。由于金屬間化合物顆粒反應形成，其表面潔凈，與基體結(jié)合良好；此外，壓坯中添加的Cu既可以作為合金元素固溶于基體進行合金強化，也可以和基體Al反應形成Al₂Cu起到強化作用。本發(fā)明工藝簡單可靠，易于推廣應用。
文檔編號B22D19/02GK101219470SQ200810050260
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者關(guān)慶玲, 暢 劉, 姜啟川, 孫拴利, 張偉娜, 李世龍, 梁云虹, 王慧遠, 王鵬建 申請人:吉林大學