[发明专利]一种金属间化合物颗粒Al3-M增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明一种金属间化合物Al₃-M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和金属熔炼加工技术领域。

背景技术

目前，颗粒增强金属基复合材料的制备工艺和方法主要是粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、熔体浸渗法、原位反应法和搅拌铸造法。粉末冶金法是把增强颗粒与微细纯净的金属粉末进行机械混合以后，在模具中压制，然后加热进行烧结，使增强相与金属基体聚集成一体，制成增强颗粒/金属复合材料的方法。粉末冶金法的优点主要在于制备过程中金属基体不必经过全熔的高温状态，因而能够避免铸造法带来的诸如强烈氧化、基体与增强颗粒界面处发生过量反应等问题，而且增强颗粒在基体内分布均匀。粉末冶金法对基体金属种类没有限制，可以任意改变增强物与基体的配比，制得高体积分数的增强颗粒增强金属基复合材料。但是粉末冶金工艺设备复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。在生产过程中存在粉末燃烧、爆炸等危险，不易大规模工业化生产。搅拌铸造法使通过机械搅拌把增强颗粒加入到金属熔体中，并使之在金属基体中分散均匀的方法。根据铸造时金属形态不同可分为全液态搅拌（即一边搅拌金属液，一边加入增强相）、半固态搅拌铸造（在半固态金属熔体中一边搅拌金属液，一边加入增强相）和搅熔铸造（在半固态金属中加入增强相，搅拌一定时间后再升温至基体合金液相线温度以上，并再搅拌一定时间）三种。搅拌铸造法设备简单，生产效率高，但由于增强体和铝熔体之间润湿性差，搅拌并不能改善增强体和铝熔体之间的润湿性，故铸件气孔较多，颗粒分布不均匀，容易形成偏聚。

原位自生反应颗粒在基体内部原位合成，基体界面结合好且界面干净；可获得不同种类、不同数量的原位增强颗粒，增强颗粒的原位合成同铸造结合起来工艺简便、成本低，但该方法存在着所制备的复合材料质量分数不高。

研究表明，适当的合金元素可通过减小熔融金属的表面张力和液/固界面张力，或减弱或抑制液/固界面上的反应而改善熔融金属对增强体表面的润湿性。理论和实验证明，促进润湿的金属多半属于化学活性较强的金属。研究发现，对于铝基复合材料来说，在改善增强体与熔融基体的润湿性及增强体在熔融基体中的均匀分布方面，镁作为一种合金元素，比Ce、La、Zr、Ti、Bi、Pb、Zn、Cu等有更好的效果。镁既是强表面活性剂，也是强脱氧剂，能与增强体表面上的氧反应，减薄其气体层，改善润湿性，减少增强颗粒或纤维结块趋势。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：200910239051.9，公开日为2011.06.29，发明名称为：铝基复合材料的制备方法，该专利采用将纳米陶瓷颗粒加入到半固态铝基金属熔体中搅拌后升温到液态得到液态的混合浆料，再采用超声处理后浇注得到铝基复合材料。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种制备金属间化合物Al₃-M颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用分步先行提高铝熔体中镁浓度添加金属间化合物颗粒的方法非常好的解决了金属间化合物增强颗粒与金属液不浸润的问题；同时提供了采用该方法制备的金属间化合物Al₃-M颗粒增强的铝基复合材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种金属间化合物Al₃-M颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，向复合粉中添加复合粉总重0.1%-0.4%的硬脂酸，然后在氩气氛保护下球磨50-70h，球料比20:1-40:1，球磨转速300-600r/min；

（2）球磨好的复合粉在真空烘箱100-150℃下烘3-5h，后随炉冷却；

（3）将50-80wt%的铝合金熔化并过热到800-850℃，保温待用；

（4）将剩余的20-50wt%的铝合金熔化至半固态并补加纯镁，然后在氩气氛保护下将占铝合金总质量1-3%的复合粉加入半固态铝合金熔体中，边加边搅拌，共计搅拌20-30min；所述补加纯镁的量为全部铝合金所需的镁名义含量的二倍；

（5）将步骤（3）过热的铝合金熔体冲入到步骤4的半固态铝合金熔体中，调整温度至浇注温度690-710℃，经铸造得到金属间化合物Al₃-M颗粒增强的铝基复合材料。

作为优选，所述步骤（3）熔化并过热到800-850℃的铝合金占铝合金总质量的55-70%；所述步骤（4）熔化至半固态的铝合金占铝合金总质量的30-45%。