[发明专利]铝热反应合成纳米Al2O3颗粒增强复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用铝热反应在超重力场中直接在合金熔体(如Fe合金熔体、Ni合金熔体或Cr合金熔体)中原位反应合成纳米增强颗粒(如纳米Al₂O₃增强颗粒)增强的复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化物纳米颗粒均匀弥散分布在Fe、Ni等合金基体中，可显著提高这些合金的高温力学性能特别是高温抗蠕变性能。最典型的就是纳米Al₂O₃、Y₂O₃颗粒增强的ODS合金。然而，这类合金的纳米氧化物颗粒都是使用机械合金化的方法加入的。之所以采用这种成本较高、又极易使氧化物表面产生污染的粉末冶金工艺而不采用铸造工艺制备这类合金，主要是因为氧化物颗粒与金属熔体的密度、熔点差别较大，它们之间的润湿性也较差，在地球重力场中，氧化物很难在熔体中均匀弥散分布，而且，即使是在太空实验室的微重力环境下，要实现氧化物在金属熔体中的均匀弥散分布也有相当的难度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种在超重力场中制备纳米颗粒增强复合材料的方法，其特征在于包括：

将铝热剂粉末装入一个反应容器内，所述反应容器相对其中心轴旋转对称，其内壁上有预定形状的槽，

使所述反应容器绕所述中心轴高速旋转，从而使反应产物所承受的向心加速度远大于重力加速度，从而形成超重力场，

点燃铝热剂，从而使所述反应容器内的所有反应产物都处于熔融状态，在所述超重力场作用下，所述反应产物中密度较大的金属熔体远离所述中心轴而位于所述反应容器的内表面并流入所述槽内并在冷却后形成铸件，所述反应产物中密度较小且与所述金属熔体的润湿性较差的熔体覆盖在所述金属熔体的表面上并在冷却后形成熔渣。

根据本发明的另一个方面，提供了用上述方法获得的所述铸件。

根据本发明的又一个方面，提供了了构成上述铸件的纳米颗粒增强复合材料。

附图说明

图1(a)是横截面图，显示了根据本发明的一个实施例的反应容器和其中的未反应物；图1(b)是横截面图，显示了图1(a)所示的反应容器和其中的反应产物。

图2(a)和图2(b)显示了本发明的一个实施例中制备的铁基合金的SEM显微组织。

图3(a)、图3(b)和图3(d)是本发明的上述实施例中制备的铁基合金的不同放大下的透射电镜图。图3(c)表示了该铁基合中α-Al₂O₃的[120]晶带轴与β′相的[111]晶带轴的平行等关系。

具体实施方式

本发明提供了一种利用铝热反应在超重力场中直接在合金熔体(如Fe合金熔体、Ni合金熔体或Cr合金熔体)中原位反应合成纳米增强颗粒(如纳米Al₂O₃增强颗粒)增强的复合材料的方法。

根据本发明的一个实施例，通过设计铝热剂(如多元铝热剂(Fe₂O₃+NiO+Cr₂O₃+CrO₃+Al))的成分和使用凝胶添加剂(如TiO₂凝胶添加剂)，首先在合金熔体中原位反应合成纳米尺度的纳米增强颗粒(如Al₂O₃颗粒)，之后这些纳米增强颗粒与金属间化合物(如(Ni，Fe)Al金属间化合物)因相互间较低的界面能结合在一起，因此原位合成了所述纳米增强颗粒和所述金属间化合物共同强化的合金。本发明的方法是一种低成本、高效率合成氧化物颗粒增强金属基复合材料的新工艺，预计在高温结构材料领域有广阔的应用前景。