[发明专利]反应合成Ti5Si3颗粒梯度增强铸造铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备方法，特别是涉及金属间化合物颗粒梯度增强的铝基复合材料的制备方法。

背景技术

近年来，颗粒增强金属基复合材料的研究多集中在整体强化之上。但是在很多工况下，并不要求材料整体都要进行颗粒增强。此外，整体强化时增强颗粒体积分数易受限制，因为金属液的流动性随着增强颗粒体积分数的提高而下降，当颗粒体积分数超过10％时，难以浇注成型形状复杂的铸件；而且，整体强化成本较高，因为不需要颗粒增强的部分也进行了颗粒增强，浪费了增强体。因此，梯度增强金属基复合材料的开发受到越来越多的重视。

梯度增强金属基复合材料的研究主要集中在钢基体之上，增强颗粒多为陶瓷颗粒，原因是由于钢液熔炼温度高，较易引发反应物压坯的化学反应，从而形成所需的增强体。如专利02109101.3中采用Al、Ti和C粉制成预制块，在铸型内反应形成原位陶瓷颗粒TiC，制备局部增强钢基复合材料。由于铝液的熔炼温度相对较低，因此，反应物体系的选择受到较多限制，目前的研究工作相对较少。发表在“Materials Science and Engineering A，2008；473：166-171”上的文章将900℃纯铝液浇注到铸型内引发Al、Ti和C粉体系压坯的反应，制备了局部陶瓷颗粒TiC增强的铝基复合材料，为梯度增强铝基复合材料的制备奠定了一定的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的金属间化合物颗粒梯度增强铝基复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是：采用Cu、Ti和Si粉，通过铸型内浇铸高温铝液引燃反应物压坯的燃烧合成反应，形成原位Ti₅Si₃金属间化合物颗粒，制备Ti₅Si₃金属间化合物颗粒梯度增强铝基复合材料。具体工艺过程包括反应物压坯的制备和铸型内的燃烧合成反应原位形成金属间化合物增强颗粒两个阶段：

1.反应物压坯的制备：

a.压坯组成：压坯由粉料粒度小于50微米的Cu、Ti和Si粉组成，其中Cu粉的含量为摩尔百分比10％≤Cu≤40％，Ti和Si粉的比例按摩尔比为Ti∶Si＝5∶3；

b.混料：将上述配制好的Cu、Ti和Si粉装入球磨混料机中，混料6±1小时，使之混合均匀；

c.压制成型：把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯密度为压坯理论密度的66±3％；

2.原位金属间化合物增强颗粒的形成：

a.预处理：将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至350±100℃，烘干除气4±1小时；

b.原位金属间化合物增强颗粒的形成：将预处理后的压坯置于铸型内铸件需要增强的特定区域或位置，随后将820±30℃高温铸造铝合金溶液浇注到铸型内，引燃压坯内的燃烧合成反应，形成Ti₅Si₃金属间化合物增强颗粒，从而制备出原位Ti₅Si₃金属间化合物颗粒梯度增强铸造铝基复合材料。

本发明与目前已有的技术相比具有以下特点：

本发明提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的金属间化合物颗粒梯度增强铝基复合材料的制备方法，即采用Cu、Ti和Si粉反应形成原位Ti₅Si₃金属间化合物颗粒，用以提高铸件服役区域或位置的硬度和耐磨性，而基体材料本身则保持其原有的韧性。基体材料可以选用纯铝，也可以选用铸造铝合金。

1)采用Cu、Ti和Si粉作为反应物体系，引燃温度低，铝液的熔炼温度完全能够引发该体系的燃烧合成反应；

2)金属间化合物Ti₅Si₃颗粒反应形成，表面洁净，与基体结合好，增强效果显著；

3)添加的Cu粉在反应后既可以作为合金元素固溶于基体进行合金强化，也可以和基体Al反应形成Al₂Cu起到强化作用。

具体实施方式

实施例

取粒度小于50微米的Cu、Ti和Si粉作为反应物，其中Cu粉的含量为摩尔百分比分别为：10％、20％、30％、40％，Ti和Si粉的比例按摩尔比为Ti∶Si＝5∶3；将上述配制好的粉料分别装入球磨混料机中混合均匀，然后压制成坯，其密度为压坯理论密度的66±3％；将压坯放入真空炉内，加热至400℃，除气4小时，然后置于铸型内铸件需要增强的特定区域，并将约850℃的铸造铝合金Al-7.5Zn-1.6Cu-0.8Mg熔液浇注到铸型内，引燃压坯内的燃烧合成反应，原位形成Ti₅Si₃金属间化合物增强颗粒，从而制备出原位Ti₅Si₃金属间化合物颗粒梯度增强铸造铝基复合材料。