[发明专利]一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置和方法

权利要求书

1.一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，制备方法采用的装置包括螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具，螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具依次连通；电机通过传动装置分别与螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的齿轮连接；螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的坩埚周围设有感应加热线圈；圆锥台状坩埚截面呈倒梯形；与齿轮连接的螺旋搅拌桨伸入螺旋循环搅拌复合装置的圆锥台状坩埚型腔内，与齿轮连接的螺旋挤压杆伸入螺旋挤压装置的圆锥台状坩埚型腔内；螺旋循环搅拌复合装置的型腔最下方设有滑块，实现复合熔体的螺旋循环搅拌或进入螺旋挤压装置的调节；循环管道位于螺旋循环搅拌复合装置坩埚的外部，螺旋循环搅拌复合装置的型腔的底部通过循环管道与型腔的顶部连通；螺旋挤压装置的挤出端与模具相连；其特征在于，制备方法具体制备步骤如下：

（1）首先将铝基体合金放入螺旋循环搅拌复合装置中加热至750℃~900℃并熔化后，放入原位反应物，借助螺旋搅拌桨螺旋循环搅拌的作用实现原位纳米复合，生成纳米增强体颗粒；

（2）然后将原位复合熔体直接通入螺旋挤压装置，并在螺旋挤压装置中冷却至300~550℃，利用螺旋挤压装置中螺旋挤压杆运动产生的大变形剪切作用，实现原位合成的纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒“团簇”的破碎和基体晶粒的细化；

（3）最后通过挤出端模具成形获得所需形状的高强韧原位纳米颗粒增强铝基复合材料型材。

2.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的螺旋循环搅拌复合装置的坩埚为石墨坩埚；所述的螺旋挤压装置的坩埚为耐热模具钢坩埚；所述挤出端模具材料为耐热模具钢。

3.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述螺旋循环搅拌复合装置的坩埚、感应加热线圈、循环管道和滑块均位于承重保温外壁的内部；所述螺旋挤压装置的坩埚和感应加热线圈位于承重保温外壁的内部。

4.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的螺旋循环搅拌复合装置的螺旋搅拌桨和坩埚采用石墨制成，其中搅拌桨螺旋节距20~30mm、桨叶厚为5~8mm、转速为10~50r/min；圆锥台状坩埚内腔顶端直径为300~1500mm底端直径为20~100mm。

5.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的螺旋挤压装置的螺旋挤压杆采用耐热模具钢，其中螺旋挤压杆的螺距30~50mm、螺纹厚度为10~20mm、转速为20~100r/min；圆锥台状坩埚内腔顶端直径为100~500mm底端直径为10~25mm。

6.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的铝基体合金根据具体用途不同，选择纯铝、2系、5系、6系或7系铝合金。

7.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，纳米增强体颗粒是由引入的不同反应物在熔体中原位反应生成的Al₂O₃，ZrB₂，TiB₂中的一至多种，增强体颗粒尺寸为2~100nm，增强体占铝基复合材料的体积分数的0.2~25vol％。

8.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，反应时间为25~30min，反应过程中应伴有搅拌，最终在熔体中原位合成纳米陶瓷增强体；所述纳米增强体颗粒形成元素化合物为Co₃O₄，K₂ZrF₆，K₂TiF₆，KBF₄，Na₂B₄O₇，ZrO₂，B₂O₃，Al₂(SO₄)₃和K₂ZrF₆ 中的一至多种。