[发明专利]一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，属于铸造金属基复合材料领域。材料的基体为铝或铝合金，增强相为纳米级SiC颗粒与其他纳米颗粒。本发明还提供了制备以上复合材料的方法，首先，在真空或氩气保护下，将纳米SiC粉、其他一种或多种纳米颗粒、微米级铝或铝合金粉混合制备出毫米级复合颗粒。然后，将毫米级复合颗粒压成预制中间合金块，再添加到铝或铝合金熔体中，经过精炼、除气处理，扒去浮渣及氧化物夹杂，并施加机械搅拌和超声振动，促进纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，制备纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合材料。本发明充分发挥了多相混杂增强的互补作用及优点，显著改善了金属基复合材料的各项性能。

技术领域

本发明属于铸造金属基复合材料及其制备领域，涉及一种外加纳米颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

金属基纳米复合材料(Metal Matrix Nanocomposites，MMNCs)具有质量轻、比强度及比刚度高、耐磨性好等优异的性能，在航天、航空、军事以及汽车等工业领域受到越来越广泛的关注。一般来说，微米级的陶瓷颗粒主要用来提高材料硬度和耐磨性，但是当增强颗粒含量较高时，材料的韧性降低，这在一定程度上影响了金属基复合材料的应用。而向基体金属中加入少量的纳米增强颗粒，不仅能显著提高材料的强度，还可获得较高的韧性。目前，这种纳米颗粒增强型金属基复合材料，已引起人们极大的重视，并成为金属基复合材料近年来的研究热点。

传统铝基复合材料的铸造制备方法主要有两种，一是外加法，即将单一增强颗粒外加到基体合金熔液中；二是原位法，即在基体合金熔液中通过原位反应生成单一的增强相来提高基体的某种性能，或得到综合性能较好的材料。

事实上，两种方法都存在各自的缺点，譬如：原位法反应温度高，反应速度快、不易控制，合成的陶瓷颗粒尺寸难以控制在纳米级别范围内，并且原位法只能合成有限种类的陶瓷颗粒；而外加法的主要难点在于纳米陶瓷颗粒与金属基体的润湿性差，纳米陶瓷颗粒难以加入到金属熔体中去，其次，纳米陶瓷颗粒在金属基体中容易团聚，导致力学性能差，从而阻碍了该方法的发展。

文献检索发现，申请号为200610041896.3(公开号为CN 100412216C)的中国专利申请介绍了一种高温耐热混杂颗粒增强铝基复合材料及复合制备方法，制备了由原位反应生成的纳米级Al₃Ti、TiB₂颗粒和液态搅拌引入的微米级SiC颗粒混杂增强铝基复合材料，但该工艺的缺点是原位反应速度不易控制及合成的纳米级颗粒尺寸较难控制，增强相的含量有限，未能很好发挥增强颗粒的增强效果及协同作用，而且清理反应盐渣时易将SiC颗粒清理掉等。

申请号为201210543760.8(公开号为CN 103866154B)的中国专利申请介绍了一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，主要是将微米级陶瓷颗粒与纳米级颗粒相混合，而且增强相和基体的混合粉体用锡箔纸包裹压入熔体中，制备出微纳米颗粒增强相弥散分布的金属基复合材料。但该方法中待锡箔纸熔化后，颗粒增强相会团聚状往上浮，聚集表层，氧化严重；通过锡箔纸包裹混合粉体压入熔体的量有限，导致自然混合时间较长。因此会使熔体长时间处在高温下，颗粒与基体界面加剧，也会延长熔体与空气接触的时间，氧化反应严重，会导致熔体夹杂物较多。

申请号为201510345500.3(公开号为CN 104911416B)的中国专利介绍了一种TiB₂颗粒与Mg₂Si混杂增强铝基复合材料的制备方法，其方法是原位合成，而且增强颗粒都是微米级，增强效果有限。

目前，原位自生法混杂增强铝基复合材料研究较多，而外加颗粒混杂增强研究较少。而且，现有的方法中，存在众多问题，难以在制备工艺和材料的最终性能间兼顾。

发明内容