[发明专利]一种原位三元纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法

说明书

本发明提供一种原位三元纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法。该方法采用原位反应生成技术，以含有生成增强颗粒形成元素的粉剂作为反应物，结合低频旋转磁场/超声场调控技术，采用纳米颗粒中间合金重熔制备铝基复合材料。本发明制备的三元纳米颗粒增强AA6016基复合材料，其颗粒平均粒度为65nm，比较单元和双相纳米颗粒有明显细化现象。室温力学性能测试表明，本发明制备的三元纳米颗粒增强AA6016基复合材料，与基体铝合金相比，抗拉强度提高了27.46％‑33.5％，延伸率提高了23.56％‑30.89％，在航空、航天、尖端武器、汽车工业、精密仪器等领域以及其他民用工业存在很大的应用潜力。

技术领域

本发明提供一种原位三元纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料制备技术领域。

背景技术

近年来，随着环境污染、能源缺乏问题日益凸显和汽车轻量化制造的需求的增加，航空航天、轨道交通、新能源汽车等高技术领域对原位铝基复合材料的需求潜力巨大，且对其综合性能的要求也越来越高。因此进一步提高原位铝基复合材料的综合力学性能和成形加工性能，已成为目前亟待解决的问题。

原位颗粒增强铝基复合材料，是通过将含有增强相颗粒形成元素的固体粉末反应盐在某一温度下加入熔融的铝合金表面，然后搅拌使其充分进行，从而在铝熔体中生成增强颗粒。原位复合材料与传统合成制备技术制备的材料相比具有以下特点：(1)增强体颗粒是从基体中原位形核长大的热力学稳定相，因此，在高温下作用时，增强相颗粒不会发生分解或者转化为其它化合物。(2)通过合理选择化合物的类型、成分，可以有效的控制原位生成增强体的种类、大小和数量。(3)原位内生颗粒与基体界面结合良好，相比外加颗粒尺寸更加细小，并且容易实现在铝基体中均匀分布，从而使得原位铝基复合材料弹性模量、抗拉强度得到明显提升。但是，目前这类技术还不够完善，主要表现在以下方面：(1)反应体系少，大多集中在Al-Ti-x(Al-Ti-O、Al-Ti-B)系，且体系的反应温度较高，不仅反应合成的增强相形貌难以控制，而且也会严重恶化铝液。(2)纳米颗粒尺寸小，比表面积效应十分明显，导致颗粒与颗粒之间更容易团聚，在铝熔体中难以分散。(3)颗粒与基体的润湿性差，二元纳米颗粒收得率低。

对现有技术文献和综述文献调研表明，原位双相纳米颗粒取得了一些进展，如中国专利201811286812.1本发明通过Zr和H₃BO₃体系，采用熔体直接反应技术并结合电磁调控技术制备了ZrB₂和Al₂O₃双相纳米增强颗粒,解决了颗粒分布不均匀的问题，形成了分布均匀且尺寸为50-100nm的方形ZrB2颗粒和圆形Al₂O₃颗粒，复合材料经过T6热处理后，强度提高了23.4％，伸长率提高了62％，抗冲击性能提高了38％。中国专利201811286813.6以硼砂(Na₂B₄O₇)和氟锆酸钾(K₂ZrF₆)粉末作为混合反应盐制备ZrB₂和Al₂O₃双相纳米增强颗粒，采用机械搅拌调控其铝合金熔炼过程并加入稀土中间合金，细化基体晶粒，利用声磁耦合调控复合材料的原位反应过程，以及在凝固过程中施加超声振动，使得二元纳米颗粒尺寸更小，分布更加均匀，使得复合材料的强度和韧性都得到了明显提升。目前通过原位反应技术制备出的纳米颗粒增强相主要集中在单元，但鲜有相关文献报道原位熔体反应制备多元纳米颗粒增强铝基复合材料，所以急需开发一种新型的反应体系和方法来解决多元纳米颗粒反应制备和颗粒收得率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种原位三元纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，结合电磁调控技术和超声分散技术，把TiB₂增强颗粒以中间合金的形式加入到(ZrB₂+Al₂O₃)纳米颗粒增强AA6111基复合材料，获得晶粒细小，颗粒分散均匀且颗粒尺寸控制在20～80纳米的高强度、高模量的三元纳米颗粒增强铝基复合材料。