[发明专利]一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉原位颗粒增强铝基复合材料，具体而言为涉及一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

技术背景

颗粒增强铝基复合材料根据增强颗粒的来源可以分为外加颗粒增强铝基复合材料和原位颗粒增强铝基复合材料；外加颗粒增强铝基复合材料由于增强颗粒由外部加入，存在着颗粒尺寸大、颗粒表面有污染、颗粒-铝（合金）基体界面结合差以及易生成脆性副产物等一系列缺点，为此，近年来原位颗粒增强铝基复合材料得到了重视和发展，原位颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒是通过内生或反应合成在铝基体中原位形核、长大，是热力学稳定相，表面无污染，颗粒-铝界面结合好，在众多反应合成技术中，熔体直接反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在一定温度下加到熔融的铝或铝合金中，使之充分反应，从而制备颗粒增强铝基复合材料，该方法具有工艺简单、成本低、周期短，易于工业化生产等优点，被认为是最有希望实现工业化应用的新技术，采用熔体直接反应法制备颗粒增强铝基复合材料，所生产的颗粒增强铝基复合材料成分、组织均匀，增强颗粒的体积分数一般在20%以下。

在实际应用场合，如汽车发动机活塞，对材料的主要要求是密度小、线膨胀系数低、耐磨性及体积稳定性较高；铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积炭也较少，但耐热、耐磨性还有待提高，初步研究已经表明，外加颗粒增强铝基复合材料活塞具有应用的可行性，但同时也暴露出材料成型性差、颗粒-基体界面结合不良等问题，在其它零部件，如发动机缸体、缸盖，也同样有材料强度以及耐热、耐磨的综合要求，因此，成型性与使用性能的协调是铝基复合材料开发的关键，原位颗粒增强铝基复合材料中，陶瓷或金属间化合物增强颗粒原位形成，材料尺寸稳定性好、耐磨性能优异，同时保持了铝合金基体的良好的导热性能，因此，以原位颗粒增强铝基复合材料为基础，可望开发出具有良好成型性且力学性能优异的新型铝基复合材料。

在原位颗粒增强铝基复合材料中，尺寸处于不同数量级（微米和纳米）的增强颗粒共同作为增强体增强铝合金基体，这样就形成了跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，研究表明，尺寸不同的增强颗粒在复合材料中的作用和特点不同：大尺寸有利于提高耐磨性，分散相对容易，但出现缺陷的几率高；小尺寸的增强效果明显，但分散相对困难，难以获得大体积分数。从目前的增强机理分析，在颗粒体积分数相同的情况下，尺寸越小增强作用越强，但是，据文献（龙祥愿，章爱生。原位反应生成纳米TiB₂颗粒增强铝基复合材料的研究近况，热加工工艺(铸锻版)，2006年第3期）报道，当原位增强颗粒尺寸小于1μm时，增强颗粒的体积分数只能达到5%左右，否则，颗粒增强团聚倾向严重，铝液铸造性能变差，难成型，不同尺度的增强颗粒以一定比例共同存在于复合材料中，有利于发挥各自的优势，对于开发新型颗粒增强铝基复合材料具有重要意义。

目前，原位纳米颗粒增强铝基复合材料往往采用外加物理场辅助化学反应和促进增强颗粒分布，制备工艺已有较多的研究；原位微米尺寸颗粒增强铝基复合材料的制备工艺相对成熟，然而，同时采用纳米与微米原位颗粒增强的铝基复合材料的制备，由于体积分数相对较高，且不同尺寸的颗粒可能相互影响，在国内外尚没有相关的报道，本发明希望通过采用适当体积分数的原位纳米颗粒，并设法在凝固过程中形成的微米尺寸颗粒，既保证材料的成型性，又使复合材料具有良好的使用性能。

发明内容

本发明提出一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，其构成是：采用原位反应形成的适当体积分数的Al₂O₃纳米颗粒和少量Al₃Ti微米颗粒，以及在凝固过程中形成的微米尺寸硅颗粒，对铝合金进行联合增强，制备出跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料。