[发明专利]一种低温催化制备铝基原位复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备技术领域，通过在反应混合盐中配入催化剂，目的在于实现铝基复合材料的低温催化制备。

背景技术

铝基复合材料集中了铝基体和增强相的优点，具有高的比强度、比刚度、高耐磨等优良性质，是新材料研发中的重要组成部分。从颗粒引入方法看，有外加和内生两种，内生颗粒具有界面清洁、颗粒尺寸小等优点，相应地衍生了诸多原位内生方法。这其中，熔体直接反应法是将含有颗粒元素的反应盐粉末在合成温度下加到铝/铝合金熔体中，使之充分反应，在熔体中制备内生颗粒，可直接浇注形状复杂的铸件。因而具有工艺简单、成本低、周期短，易于工业化生产等优点，被业内人士一致认为是有希望实现工业化应用的新技术。

从现有文献报道看，在金属基复合材料研究领域，研究热点主要集中在以下几方面：

1、研发新型复合体系，比如Al-O、Al-Ti-C、Al-Ti/Zr-B、Al-Ti/Zr等，目前主要的增强相颗粒包括金属间化合物、氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等；

2、根据体系特点优化制备工艺，一般包括：反应温度、反应时间、反应物种类和适宜添加量等；

3、通过多种途径优化反应条件，包括使用外加物理场，比如超声场、电磁场或声磁耦合场。

但是，从工业规模应用前景看，要推进复合材料在工业制备，需要克服并解决以下几个关键“瓶颈”难题：

1、要求铝液有较高温度。反应盐要和铝液发生反应，并生成热力学稳定的强化相，需要较高的反应温度。从目前文献报道看，一般都要求铝液过热100-150℃，即初始熔体温度要求在800-1000℃。因为铝在高温时会吸气并产生夹杂，并随温度升高吸气加重，铝液质量严重恶化。同时在高过热条件下，颗粒长大驱动力大，部分颗粒容易长成大尺寸夹杂相。所以如果能在较低温度条件下制备铝基复合材料，则会推进复合材料工业应用进程；

2、要求较长的反应时间。固态反应盐和铝液间要完成原位反应，需要较长的时间实现固相和液相之间的接触、传质和反应。时间范围一般在25-50min，制备周期长，而且铝液在高温下滞留时间长，加大了吸气和烧损。如果能在较短时间内制备复合材料，则会推进复合材料工业应用进程。

3、文献检索表明，与该技术相关的发明专利有：国家发明专利200810134310.4，提出通过多元熔剂组合法来降低金属基复合材料合成温度，是将一种或多种低熔点物质作为助熔剂配入混合盐中，使反应盐在原位反应温度下熔化呈液态，液-液相反应的效率高于固-液相反应，液-液相发生反应的温度也低于同类反应盐以固-液相状态发生反应的温度，即可以使原位反应温度降低。其不足之处有：加入的氟盐助熔成分会进一步加深氟盐对人体和环境的危害，而且加入的氟盐会和反应盐发生部分反应，导致部分反应盐失效，影响颗粒收得率；二者，对于某些高熔点反应盐，比如某些碳酸盐类，加入的助熔剂并不能使其在反应温度条件下从固态转变成液态，降低反应温度的效果不明显。本发明与其不同之处在于：在混合盐中配入石墨类或尖晶石类催化剂，不会污染环境，同时对反应盐种类和熔点高低没有限制，加入催化剂后降低合成温度的机制和依据是催化理论，即：有效降低反应物分子活化能，提高反应效率、缩短合成时间。

综上所述，本发明将化学领域中常用的催化技术应用到金属材料制备领域，用于实现金属基复合材料的低温催化制备，使原位合成过程具有短时、高效的特征，满足现代工业的“节能、高效”要求，有助于推动高性能金属基复合材料的工业制备进程。

发明内容

本发明的内容是提供多种类型催化剂，将一定种类、一定量的催化剂掺入到反应盐中，确保二者均匀混合，能起到降低反应温度、提高反应速率、缩短反应时间的作用，是一种低耗、高效制备高性能金属基复合材料的新方法

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一步：原料的准备。

准备反应盐，控制其预热温度在200-250℃、粒度在200目，以及按照反应方程式计算配加比例，在配制好的反应盐中加入催化剂，所述催化剂为：碳纳米管、人造石墨、铝镁尖晶石或天然石墨，催化剂加入量占反应盐总量的比例为：1-5wt.％，；充分研磨混合后得到混合盐粉体，备用；铝或铝合金锭在熔铝炉中熔化，温度较常规合成温度低40-80℃。

第二步：合成复合材料。

用钟罩将预热过的混合盐粉体加入高温熔体中，充分搅拌，确保粉体与熔体有充分接触。一定反应时间后，完成原位反应，此时清除表层少量浮渣。精炼后浇注，随模冷却。