[发明专利]一种改善铝基复合材料中原位纳米颗粒分布的方法

说明书

本发明涉及原位铝基复合材料，具体而言为涉及一种改善铝基复合材料中原位纳米颗粒分布的方法。将经过预热的纳米尺寸固体反应物加入到处于近液相线温度的铝合金中，固体反应物与铝合金在锥形混合器的驱动下从锥形混合器的外壁进入内腔，通过锥形混合器的旋转研磨进行混合，由锥形混合器顶部流出，混合均匀的固体反应物与铝合金混合料在高温区进行化学反应，反应得到的铝基复合材料浆料进入收集熔池，加入适量的稀土元素，并通过超声分散保证复合材料浆料中原位纳米颗粒均匀分布。

技术领域

本发明涉及原位铝基复合材料，具体而言为涉及一种改善铝基复合材料中原位纳米颗粒分布的方法。

技术背景

与外加颗粒增强铝基复合材料相比，原位颗粒增强铝基复合材料中颗粒增强体热力学稳定高、与铝或铝合金基体界面结合好、表面洁净无脆性产物，具有广阔的应用前景。目前，原位颗粒增强铝基复合材料的主要制备方法包括气-液熔体反应法、固-液熔体反应法、自蔓延高温合成法等。其中，熔体反应法制备过程可控、反应获得的复合材料易于采用传统工艺成型、制备成本低，受到材料工作者的重视。研究人员通过在熔体原位反应过程中引入电磁场、超声场等，调控熔体的化学反应，以控制反应产物形态、尺寸和在基体中的分布均匀性等，取得了一定的效果。但是，无论是电磁场还是超声场均存在作用强度和作用范围方面的限制；同时，熔体原位反应的温度太高，设备维护难度大、成本高，而且铝及铝合金熔体吸气严重，使铝基复合材料基体品质下降。同时，原位增强颗粒的尺寸达到纳米量级时，其增强作用可进一步提高，因此原位纳米颗粒增强铝基复合材料强度高、塑韧性好、抗疲劳能力强。国内外研究均表明，由于原位纳米颗粒的表面能大，容易团聚，目前在铝熔体中可有效分散的原位纳米颗粒体积分数均在3％以下，这一限制已成为原位纳米颗粒增强铝基复合材料应用的最大障碍。

因此，迫切需要提出一种原位铝基复合材料的制备方法，在保证熔体中化学反应完全的基础上，还能保证生成的纳米增强颗粒尺寸、形态和在基体中的分布可控，同时制备成本较低、操作容易。

发明内容

本发明提出一种改善铝基复合材料中原位纳米颗粒分布的方法，其原理是：通过锥形混合器将固体反应物与处于近液相线的铝合金进行混合，锥形混合器由耐高温增韧陶瓷制作，通过旋转研磨可以实现固体反应物在铝合金中的均匀分散；然后在高温区域进行化学反应，获得的铝基复合材料浆料中添加适量的稀土元素，利用稀土元素的表面活性，使其通过富集在铝与原位纳米颗粒之间的界面上，达到阻止纳米颗粒重新团聚的目的；铝基复合材料浆料通过超声作用分散，在此过程中通过电磁搅拌保持浆料的流动，以促使超声作用覆盖整个铝基复合材料浆料。

一种改善铝基复合材料中原位纳米颗粒分布的方法，其特征在于：将经过预热的固体反应物加入到处于近液相线温度的铝合金中，固体反应物与铝合金在锥形混合器的驱动下从锥形混合器的外壁进入内腔，通过锥形混合器的旋转研磨进行混合，由锥形混合器顶部流出，混合均匀的固体反应物与铝合金混合料在高温区进行化学反应，反应得到的铝基复合材料浆料进入收集熔池，加入适量的稀土元素，并通过超声分散保证复合材料浆料中原位纳米颗粒均匀分布。

所述的经过预热的固体反应物，是指经过250～300℃、30～50min加热处理的能在铝合金熔体中生成氧化物、碳化物、硼化物的反应物粉末，加入量按生成体积分数2～5％的原位增强颗粒计算。

所述的处于近液相线温度的铝合金，是指温度处于液相线温度附近正负10℃范围内的铝合金。

所述的锥形混合器，是指采用氧化钇增韧氧化铝陶瓷制作的混合器，由内腔为漏斗形的底座和放置在底座内的锥形旋转部分组成，整个混合器除驱动旋转轴外均埋入铝熔体中，工作时由驱动旋转轴带动锥形旋转部分旋转，其旋转方向与底座上通孔切入底座的方向一致，在将固体反应物与铝合金的混合物通过底座上的通孔吸入的同时实现研磨混合。