[发明专利]一种纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料，特别涉及一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

       20世纪80年代，随着纳米技术的兴起，通过物理或化学方法将纳米颗粒均匀地弥散在金属及其合金基体中，从而获得高性能金属基纳米复合材料得到人们广泛地关注；高性能铝基纳米复合材料，由于具有高比强度、出色的韧性和抗疲劳能力，良好的耐热、耐摩、耐蚀性，因此在航空、航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来纳米材料及铝基复合材料交叉领域中的研究热点；目前，制备纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的方法主要有原位反应法和粉末冶金法等。

       原位反应法是通过元素之间或元素与化合物之间发生化学反应获得一种或多种陶瓷纳米颗粒；专利CN201010505574.6采用硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)类硼化物和K₂ZrF₆类氟化物粉剂为反应混合盐，在铝熔体中直接反应合成制备纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；专利CN200610088368.3利用超声化学加速和控制原位反应进程，制备出纳米(ZrB₂+Al₂O₃+Al₃Zr)颗粒增强铝基复合材料；虽然原位反应生成的增强相与铝基界面无杂质污染，界面结合状态好，但是此工艺仍然有以下不足：（1）起始反应温度高；（2）生成的氧化铝颗粒尺寸跨度大（除纳米颗粒外，还含有亚微米甚至微米颗粒）；（3）颗粒团聚或分布不均匀；（4）熔体内杂质含量高。

       粉末冶金法一般先通过球磨混匀复合粉末，再采用热/冷等静压、真空热压和热挤压等方式制备出块体铝基纳米复合材料；此类方法虽能制备出致密度较高的铝基纳米复合材料，但仍存在一些问题：（1）外加的纳米Al₂O₃颗粒由于具有极大的比表面能，团聚严重，长时间球磨很难保证分散均匀，致使成型材料的组织均匀性差；（2）后续成型工序中虽然实现了粉末致密化，但工艺繁琐，生产效率低，无法产业化推广；（3）纳米Al₂O₃粉末价格高昂，成本高。

铝是比较活泼的金属，标准电位-1.66V，在空气中能自然形成一层厚度约为0.01～0.1微米的Al₂O₃膜，将其粉末在空气中加热，促使氧化膜进一步原位生长为纳米Al₂O₃颗粒的获得提供了丰富来源，该思路在国内外文献中尚未有相关报道。 

       放电等离子烧结技术，是利用脉冲电流激活晶粒表面，击穿空隙内残留空气，局部放电，产生等离子体，同时会瞬间产生局部高温，在晶粒表面引起蒸发和融化，并在晶粒接触点形成颈部，从而促进材料的烧结，是一种新型快速烧结方法；这种制备工艺与传统的粉末冶金相比，它融等离子活化、热压为一体，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、致密度高、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点，在制备铝基纳米复合材料的应用中潜力巨大。

发明内容

       本发明的目的在于提供一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法融合了原位反应法和粉末冶金法的优点，将铝粉表面氧化膜的原位可控生长、破碎及快速固结集成应用于制备块体铝基纳米复合材料。

       本发明为了实现其技术目的所采用的技术方案是：采用铝粉表面原位氧化增厚、球磨破碎来获得纳米复合粉末，通过放电等离子烧结工艺来获得所需块体铝基纳米复合材料。

       实现本发明的具体步骤如下：

       1）将纯铝粉或雾化铝合金粉在空气中加热使得纯铝粉或雾化铝合金粉的表面形成1~2μm的Al₂O₃膜，其中加热温度200~400℃，时间3~10h。

       2）在行星式高能球磨机中球磨粉末以破碎氧化膜，其中球料比4:1~8:1，转速500~800rpm，球磨时间5~10h。