[发明专利]一种原位铝基复合材料孕育剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及铝基合金，具体地说是一种原位铝基复合材料孕育剂的制备方法。

背景技术

在铝及其合金的工业生产中，采用向熔体中添加孕育剂（也称为细化剂或孕育细化剂）的方法以提升产品的综合性能，由于具有简单、实用和易操作的优点，因此具有广阔的应用前景。迄今为止，Al-5Ti-1B中间合金是公认的最为有效的孕育剂，用Al-5Ti-B孕育剂孕育处理铝及其合金晶也是最为普遍的工艺方法（MURTY B S，KORI S A，CHARKRABORTY M.Grain refinement of aluminum and its alloys by heterogeneous nucleation and alloying.International Materials Reviews，2002，47（1）：3-29.）。Al-5Ti-B孕育剂可以提高铸造速度、减少裂纹消除冷隔和羽毛状晶，并且给铸锭随后的塑性变形带来更大的灵活性及改善铝铸件压力气密性等（薛希国，谷吉存，闫振武.铝钛硼晶粒细化剂机理研究的进展及最新动向.铝加工，2004，（154）：43-45.）。铝钛硼孕育细化剂中的第二相TiAl₃和TiB₂是α-Al基体的结晶核心（朱敦伦，张旭.一种新型细化剂.铝加工，1993，（2）：39-42.）。其中，TiAl₃的晶体结构为面心正方（Face square），点阵常数a＝0.3854nm，其晶体结构与Al（面心立方，a＝0.4049nm）相近，晶体错配度小于9％，可以作为α(Al)异质形核的有效的形核基底。理论上说，晶粒孕育细化的效果主要取决于TiAl₃和TiB₂这些形核粒子的形态和分布。铝液中形核粒子的尺寸越细小，分布越弥散，孕育效果就越好。但是，在现有工艺制备出的铝钛硼孕育剂中间合金中，其形核粒子TiAl₃的尺寸约为十几至几十个微米，而且TiAl₃主要是以不规则的块状和针状的形态分布在铝基体上。对于针状的TiAl₃而言，一旦其在晶界上析出，基体就会被严重的割裂，导致铝合金机械性能的急剧恶化。此外，TiAl₃属于脆性相，大量块状的TiAl₃在基体上分布会使材料变脆，同样不利于机械性能的提高。

另一方面，原位金属基复合材料是一种新型的复合材料，与普通的金属基复合材料相比具有以下的优点：在原位金属基复合材料中，通过控制熔体生长、元素与元素之间或是元素与复合物之间的化学反应以及在复合材料制备过程中的相变和形变，增强体可以直接在母相上形成（T.B.Sercombe,G.B.Schaffer,Acta Mater.52(2004)3019-3025；G.Rosazza Prin,T.Baffie,M.Jeymond,N.Eustathopoulos,Mater.Sci.Eng.A 298(2001)34-43.）。由于这些增强体是直接在基体上生成的，因此增强体的表面干净无污染，而且增强体与基体间的润湿性较好，这就使得增强体与基体之间具备了较好的界面结合性能。另一方面，原位合成技术对于增强颗粒的尺寸和分布是可控的，通过改变制备条件，可以获得人们所期望得到的增强颗粒。由于AlN在熔体中具有较高的热稳定性，低的热膨胀系数且与铝基体之间具有较好的润湿性，因此AlN被认为是良好的增强颗粒。此外，TiN与Al是同晶形的，都是面心立方结构，而且TiN的晶格常数（0.4242nm）与Al（0.4049nm)的非常接近。换句话出，TiN与Al之间具有较好的晶体匹配度，因此TiN也可以作为α(Al)的异质晶核，促进α(Al)的形核，从而细化铝的晶粒。

如果将现有的铝钛硼孕育剂作为原料来制备原位铝基复合材料，并将由此方法所制得的原位铝基复合材料作为孕育剂加入到铝合金当中，将是一种新的尝试。这种新型孕育剂既可以继承现有铝钛硼孕育剂的优点，起到细化晶粒尺寸的作用，又可以兼具原位铝基复合材料在提高材料机械性能方面的巨大优势，因此这种原位铝基复合材料孕育剂相较于现有的铝钛硼孕育剂而言，可以起到更好的细化增强效果，从而极大地提高铝合金的综合力学性能。