[发明专利]一种利用内生纳米TiB2颗粒强化铝合金的方法

摘要

本发明涉及一种利用内生纳米TiB₂颗粒强化铝合金的方法，包括以下步骤：(1)含有内生纳米TiB₂颗粒的强化剂的制备；(2)未强化合金的制备；(3)内生纳米TiB₂颗粒强化剂强化处理铝合金；(4)强化后的铝合金热处理；该技术方案步骤较为简单，方案合理，TiB₂纳米颗粒在熔体内分散均匀。经过强化处理后的铝合金的屈服强度、抗拉强度、塑性等都有较为明显的提高。强化后铝合金具有高强韧性。这一强化技术方案强化效果好，少量强化剂的加入即可使铝合金的拉伸性能大幅提高，这一技术方案为铝合金的薄壁轻量化提供了新的技术途径和解决思路，可以广泛应用于汽车、航空航天等领域，具有重要的实际生产应用价值。

主权项

1.一种利用内生纳米TiB₂颗粒强化铝合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)含有内生纳米TiB₂颗粒的强化剂的制备：(1a)硼粉球磨活化预处理：将硼粉放入球磨罐中，用球磨机将硼粉以200～300r/min的速度球磨活化处理1～3h；(1b)反应压坯的制备：i、称取所需的粒度13～48μm的铝粉，球磨处理后粒度为0.5～1μm的硼粉以及粒度为13～45μm的钛粉，粒度为45μm的铜粉备用；ii、将铝粉、钛粉、硼粉、铜粉按以下几种配比配制成100g混合粉末制成Al‑Ti‑B‑Cu压坯，其中，Ti/B质量比为2.22:1或1.85:1；铝粉的含量为85～75wt.％；钛粉含量为6.88～13.77wt.％；硼粉含量为3.12～7.03wt.％；铜粉的含量为0～5wt.％，具体如下：①Al‑Ti‑B–Cu体系中反应生成纳米TiB₂陶瓷颗粒的质量分数为10wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：85克；钛粉：6.88克；硼粉：3.12克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB₂陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1；②Al‑Ti‑B–Cu体系中反应生成纳米TiB₂陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％，体系中铜元素的含量为5wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：75克；钛粉：13.77克；硼粉：6.23克；铜粉：5克；配制成100克混合粉末；纳米TiB₂陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1；③Al‑Ti‑B体系中反应生成纳米TiB₂陶瓷颗粒的质量分数为20wt.％；体系中铝粉、钛粉、硼粉、铜粉各自重量分别为：铝粉：80克；钛粉：12.97克；硼粉：7.03克；铜粉：0克；配制成100克混合粉末；纳米TiB₂陶瓷颗粒中Ti/B质量比为1.85:1；ⅲ.将配制好的不同组分的粉料与氧化锆磨球放入混料机中，罐中盛有直径分别为5mm、7mm、11mm、15mm、20mm、22mm的ZrO₂球，每种10个，ZrO₂球质量共800g；混料机以30～60r/min的速度均匀混合8～32h；其中氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；ⅳ.将球磨混料的粉料取出，将球磨混好的粉料用铝箔包好，在液压机上冷压制成Φ30圆柱形压坯，高35～45mm；致密度为60～75％；(1c)压坯烧结原位反应：ⅰ.用石墨纸将步骤(1b)中制得的Φ30圆柱形压坯包裹好放入到石墨模具中；ⅱ.将石墨模具和Φ30圆柱形压坯放入到真空热爆炉中，关闭炉门，后抽真空至炉内压力低于10Pa；ⅲ.开始加热，加热速度设置为25～40K/min；加热升温至1183K,然后将温度降到1073K后保温10min，保温过程中同时对圆柱形压坯施加轴向25～55MPa压力，保压时间20～60s；反应后并经轴向压力致密化的圆柱形复合材料随炉在真空中冷却至室温；(2)未强化铝合金的制备：(2a)将预先称量好的铝合金放置于坩埚中并随坩埚一起放入坩埚式电阻熔炼炉内，升温至1023K；铝合金的成分为：Al‑7.1Si‑3.8Cu‑0.1Fe；(2b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05‑0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3)内生纳米TiB₂颗粒强化剂强化处理铝合金：(3a)在将称量好的合金放入坩埚中随坩埚一起放入炉内后，升温至1123K；(3b)待合金完全熔化后并保温30min，加入0.05～0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温10min；(3c)将含有TiB₂陶瓷颗粒的强化剂加入到合金液中，TiB₂陶瓷颗粒的实际加入量为0.1wt.％～1.0wt.％，采用机械搅拌处理熔体60～180s；其中，TiB₂陶瓷颗粒中的Ti/B质量比为2.22:1或1.85:1；(3d)对混合合金液采用超声处理熔体5～20min，促进含有TiB₂陶瓷颗粒强化剂的均匀分散，强化处理时间为10～20min；(3e)对超声处理后的熔体进行第二次机械搅拌处理，时间为60～120s；(3f)将搅拌处理后的金属液浇铸到金属型模具内，得到纳米TiB₂陶瓷颗粒强化铝合金的板状试样；(4)强化后的铝合金热处理：(4a)将强化后的铝合金在高温烘箱中进行固溶处理，固溶温度783K，固溶时间为6～15h，固溶处理后进行冷水淬火；(4b)在电热鼓风干燥箱中进行时效处理，时效温度438K，时效时间为8～18h。