[发明专利]一种制备纳米颗粒增强铝基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料(MMCs)及其制备成形领域，涉及一种制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法。

背景技术

纳米陶瓷颗粒(如SiC、TiC、MgO、Al₂O₃、SiO₂、TiB₂等)增强铝基复合材料具有质量轻、高硬度、高比强度、高比刚度和耐磨等优异性能，在航空航天、汽车等工业领域具有广阔的应用前景，已经得到广泛关注与研究。

通常，纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法分为原位法与外加法。原位法温度高，反应速度快不易控制，合成的陶瓷颗粒尺寸难以控制在纳米级别范围内，并且原位法只能合成有限种类的陶瓷颗粒。外加法的主要难点在于纳米陶瓷颗粒与金属基体的润湿性差，纳米陶瓷颗粒难以加入到金属熔体中去，阻碍了其发展。

将陶瓷颗粒与基体合金粉末混合，进行高能球磨，球磨过程中合金粉末经过不断重复的变形冷焊、破碎，可实现增强颗粒与基体合金之间的原子结合，并获得陶瓷颗粒/金属复合粉末。将这些复合粉末加入到液态金属中，陶瓷颗粒四周的金属虽然会因熔化而脱落，但在毛细力、范德华力以及熔体静压力的共同作用下，颗粒表面仍会保留一薄金属层，与熔体属于金属/金属界面，有望改善增强颗粒与熔体的润湿性。

高能球磨一般分为湿磨法和干磨法，目前所见文献中制备颗粒增强铝基复合材料的方法绝大多数为湿磨法。湿磨法在球磨时添加过程控制剂，其目的是为了降低基体合金粉末的冷焊程度，减小复合粉末的尺寸，以利于陶瓷颗粒在基体中的均匀分散，因此制备出的复合粉末非常细小，其粒径为微米级(通常在100μm以下)。然而，金兰等人(金兰,盖国胜,李建国,等.球磨法和搅拌铸造法制备SiCp/Al复合材料[J].稀有金属材料与工程,2009,38(A01):557-562)的研究表明，高能球磨制备的粒径为50～100μm的SiC/Al复合粉末难以全部添加到铝熔体中。主要是微米级复合粉末并未全部与金属熔体润湿，原因在于：一、复合粉末粒径越小，吸附在粉末表面的空气对润湿的阻碍作用越明显；二、微米级复合粉末加入铝合金熔体时氧化严重，表面形成一层不与铝合金熔体润湿的Al₂O₃；三、球磨后仍有少量的陶瓷颗粒分布在复合粉末表面。因此，采用合适的球磨工艺增大复合粉末的粒径，避免表层的氧化及吸附的空气对润湿的阻碍，同时，避免陶瓷颗粒在复合粉末的表面分布，才能将其顺利加入熔体。干磨式高能球磨不添加过程控制剂，金属粉末间的冷焊程度较高，可制备出粒径较大的复合颗粒。但是，目前关于干磨法制备金属基纳米复合材料的研究还非常少，现有少量的低转速(不超过200r/min)干磨法的球磨时间相对较长，纳米陶瓷颗粒在基体中的分散均匀性比湿磨法差。

因此，解决纳米陶瓷颗粒与熔体的润湿性难题，提高纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的分散效率，对于促进金属基纳米复合材料的工业应用均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种制备纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的新方法，以解决纳米陶瓷颗粒与金属基体难以润湿、纳米陶瓷颗粒在金属熔体中分散性差的难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先将纳米陶瓷粉、微米级铝或铝合金粉混合粉末在真空或氩气保护下，通过干式高能球磨制备出纳米陶瓷颗粒体积分数为10～50％的毫米级复合颗粒；然后将复合颗粒直接熔化或者添加到铝或铝合金熔体中，并施加超声振动，促进纳米颗粒的均匀分散；最后将复合材料熔体压铸或挤压铸造成形，制得纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料零部件。

作为上述技术方案的改进，该方法的具体实现步骤如下：

(1)、将纳米陶瓷粉、铝或铝合金粉按纳米陶瓷粉占粉末总体积的10～50％进行配料，其中，所述纳米陶瓷粉的粒径为20～100nm，所述铝粉或铝合金粉的粒径为50～200μm；

(2)、将磨球加入到球磨罐中，将步骤1中粉末混合置于球磨罐中；

所述磨球包括大磨球和小磨球两种尺寸；其中大磨球的直径为8～12mm，小磨球的直径为3～6mm；大小磨球的质量比为1：(2～10)，大小磨球在金属球磨罐中的高度不低于球磨罐内腔深度的四分之一，且大磨球的数量大于等于10个；

(3)、对球磨罐进行抽真空或通氩气，以300～500r/min的转速进行干磨，得到毫米级复合颗粒，并清洗磨球；