[发明专利]一种原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种原位纳米TiC颗粒增强Al‑Si基复合材料及其制备方法，所述复合材料中纳米TiC颗粒的质量百分比为0.05％＜TiC≤5.0％，基体为Al‑Si合金；纳米TiC颗粒由Al粉、Ti粉和碳纳米管粉通过化学反应原位形成，然后以中间合金的形式加入Al‑Si合金熔体中；所述基体Al‑Si合金其各组元成分按质量百分比如下：Si 6.5‑7.5％、Mg 0.25‑0.45％，余量为Al。本发明制备的复合材料具有高强度、高韧性、高耐磨性等优异性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料及其制备方法。

背景技术

Al-Si合金一般具有良好的耐磨性和低的线膨胀系数，高温强度和工艺性能均较好，广泛应用于航空、内燃机、汽车、电子等工业中，是应用最为广泛的铸造铝合金。Al-Si-Mg系铸造铝合金中的亚共晶铝硅合金，是国内生产汽车发动机缸盖的主要材质。随着现代汽车发动机功率的不断增加，对合金缸盖的要求也越来越高，因此，需要研制更高性能的铸造Al-Si合金以满足发动机的铝合金发动机缸体和缸盖等关键部件的发展要求。

目前，一些研究者通过向Al-Si基体中添加陶瓷颗粒制备复合材料来提高Al-Si合金的力学性能。然而，制备的复合材料中陶瓷颗粒的尺寸通常为微米级，在提高强度的同时降低了韧性。研究表明，将增强相的尺寸从微米级降到纳米级，可以在提高强度的同时，不降低或者提高韧性。但是，纳米陶瓷颗粒由于比表面能大，且表面易污染，在金属基体中容易出现团聚，且界面结合较差。采用原位法制备纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可以有效的改善团聚和界面结合差的问题，提高复合材料的力学性能。因此，原位制备技术非常适合于纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料的制备。

发明内容

本发明主要提供了一种原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料及其制备方法，原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料中纳米TiC颗粒分布较为均匀，界面干净，结合良好。其技术方案如下：

一种原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料，所述复合材料中纳米TiC颗粒的质量百分比为0.05％＜TiC≤5.0％，基体为Al-Si合金；纳米TiC颗粒由Al粉、Ti粉和碳纳米管粉通过化学反应原位形成，然后以中间合金的形式加入Al-Si合金熔体中；所述基体Al-Si合金其各组元成分按质量百分比如下：Si 6.5-7.5％、Mg 0.25-0.45％，余量为Al。

优选的，所述TiC颗粒为原位颗粒，尺寸为纳米级，形状为近球形。

优选的，TiC颗粒的尺寸为50～100nm。

优选的，纳米TiC颗粒中Al粉的重量占比为60-90％，CNTs粉与Ti粉的质量比为0.5-1.0：1。

上述原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)中间合金制备

a.反应物压坯组成：由Al粉、Ti粉和多壁碳纳米管粉末组成，其中Al粉的重量占比为60-90％，CNTs粉与Ti粉的质量比为0.5-1.0：1；

b.混料：称取粉料，并装入球磨机中混料，使之混合均匀；

c.压制成型：把混合均匀的粉料放入模具中压制成型；

d.反应烧结：将反应物压坯放入真空炉中，加热至850～1100℃，保温10～30min，反应生成含有纳米TiC颗粒的TiC-Al中间合金；

(2)搅拌铸造

a.预热：将纳米TiC-Al中间合金放入电阻炉中，加热至400-500℃进行预热，并保温60～120分钟；