阅读说明：本技术 一种低温制备原位纳米颗粒增强铝基复合材料的方法 (Method for preparing in-situ nanoparticle reinforced aluminum matrix composite at low temperature ) 是由 陈飞 王彬彬 赵玉涛 张津荣 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及铝基复合材料领域,特指一种低温制备原位纳米颗粒增强铝基复合材料的方法。本发明借助低温条件下660℃-670℃的放热化学反应实现复合材料的原位合成,解决了传统原位反应温度高,能耗高,基体合金元素烧损的难题；通过在原位反应最集中的位置,即铝熔体表面,施加高速机械搅拌以抑制颗粒团聚的形成并改善颗粒分散性和尺寸,可原位合成纳米级ZrB-2颗粒增强铝基复合材料,从而显著提高基体的力学性能。(The invention relates to the field of aluminum-based composite materials, in particular to a method for preparing an in-situ nanoparticle reinforced aluminum-based composite material at a low temperature. The invention realizes the in-situ synthesis of the composite material by means of the exothermic chemical reaction at 660-670 ℃ under the low temperature condition, and solves the problems of high temperature, high energy consumption and burning loss of matrix alloy elements in the traditional in-situ reaction; nanoscale ZrB can be synthesized in situ by applying high speed mechanical agitation to inhibit particle agglomeration and improve particle dispersion and size at the location where the in situ reaction is most concentrated, i.e., the surface of the aluminum melt 2 Particle reinforced aluminium base composite materialThereby obviously improving the mechanical property of the matrix.)

一种低温制备原位纳米颗粒增强铝基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料领域，特指一种借助混合盐与低温铝熔体之间的放热反应以及高速机械搅拌技术原位低温合成纳米ZrB₂颗粒增强铝基复合材料的方法，所合成的复合材料具有高强度、高硬度、高塑性等优异性能。

背景技术

铝基复合材料作为一种高性能结构材料，其具有高强度、低密度、高耐磨性、低热膨胀性、优异的加工成型性、良好的焊接性能、较高的断裂韧性和抗腐蚀性能等，因而广泛应用于航空航天、军事交通和海洋工程等领域，所以铝基复合材料的研究成为了材料界的研究热点。随着科技研究的进步，一种超高温陶瓷ZrB₂作为铝基复合材料(aluminummatrix composite，AMCs)的增强体出现在人们的视野中，其具有高熔点(3250℃)，高硬度(36GPa)，高强度，高耐磨性，高化学稳定性以及优异的导热性、导电性、抗热震性，因此，ZrB₂颗粒被认为是铝基复合材料的理想增强体。铝基体中ZrB₂陶瓷颗粒的大小、形状、质量或体积分数以及空间分布决定了AMCs的性能。目前制备ZrB₂增强AMCs的方法很多，主要包括从外部将已有的ZrB₂陶瓷颗粒直接添加到熔融铝中实现两者复合的外加法以及利用外加反应物与铝熔体之间化学反应在熔体内部原位生成ZrB₂颗粒的原位合成法。相比外加法，原位合成法制备的铝基复合材料中增强体颗粒尺寸小、界面干净、增强体热力学稳定性好、界面结合强度较高等优点，加之工艺简单，成本低，因此成为商业化生产铝基复合材料的最具潜力的方法之一。

传统的原位反应法制备铝基复合材料需要在高温(850℃以上)条件下进行的，从而造成能源消耗量大，基体合金中Mg、Li、Cu、Sr等合金元素烧损，反应过程难以控制，以及工艺操作难度大等难题。此外，高温反应过程较为复杂，导致有害中间产物和亚稳态产物的生成以及增强体颗粒的过度长大，从而削弱了增强体颗粒对铝基体的强化作用，严重制约ZrB₂颗粒增强铝基复合材料产业化发展，因此，实现铝基原位复合材料的低温制备具有重要的工业应用价值。

由于原位反应过程涉及复杂的物相转变，实际应用中，反应产物并不单纯由分散颗粒构成，而是伴有大量颗粒聚集，于是得到的复合材料中伴有大量ZrB₂颗粒团聚。该颗粒团聚不同于物理学上的原子团簇，而是反应过程中形成的由ZrB₂与反应残留物构成的凝聚体(Agglomerate)，其形貌多样，尺寸通常在10-200μm之间。在复合材料中，颗粒团聚割裂基体，引起应力集中，促进裂纹萌生，大幅降低复合材料的力学、机加工等性能。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种低温条件下，原位合成纳米级ZrB₂颗粒强化铝基复合材料的方法。本发明具体制备方法如下:

1)将两种工业级氟盐KBF₄和K₂ZrF₆进行烘干处理以去除其中吸附的水汽和结晶水，在电阻炉或感应炉中低温熔炼铝合金基体；

2)根据目标复合材料中ZrB₂颗粒含量，确定并称取两种氟盐，之后将氟盐在研钵或混料机中混合均匀；

3)当铝熔体温度达到660℃-670℃时，去除表面熔渣，开始在铝熔体表面施加高速机械搅拌形成表层漩涡，并且立刻将KBF₄和K₂ZrF₆混合盐加入铝熔体表层漩涡中；

4)保温、搅拌结束之后，去除铝熔体上层的液态反应副产物，进行升温、精炼、浇铸。

步骤(1)中，KBF₄和K₂ZrF₆的烘干温度为200±10℃，烘干时间大于2小时，烘干设备为鼓风干燥箱；铝合金基体低温熔炼温度控制在纯铝熔点附近，即660-670℃。

步骤(2)中，目标复合材料中ZrB₂增强体颗粒质量分数范围在3％～7％之间，KBF₄和K₂ZrF₆按照反应式6KBF₄+3K₂ZrF₆+10Al＝3ZrB₂+K₃AlF₆+9KAlF确定，保持B:Zr摩尔比为2:1，氟盐混合方法为手工混合，或采用混料机混合。

步骤(3)中，搅拌强度为1000转/分钟，搅拌时长为15分钟。

步骤(3)中，混合盐经加料管加入熔体表面的漩涡中，混合盐温度预热至150-200℃，诱发混合盐与低温铝熔体之间的发生放热反应形成纳米ZrB₂颗粒。

步骤(4)中，搅拌结束后，立即去除铝熔体表面副产物，将熔体温度升至720℃后进行精炼，并进行金属模铸造，得到原位纳米颗粒增强铝基复合材料。

本发明的优点：借助低温条件下(660℃-670℃)的放热化学反应实现复合材料的原位合成，解决了传统原位反应温度高，能耗高，基体合金元素烧损的难题；通过在原位反应最集中的位置，即铝熔体表面，施加高速机械搅拌以抑制颗粒团聚的形成并改善颗粒分散性和尺寸，可原位合成纳米级ZrB₂颗粒增强铝基复合材料，从而显著提高基体的力学性能。由于采用低温、原位反应，整个合成过程操作简单、快速，对于实现产业化有很大的意义。除此之外，本次实验机械搅拌装置简单、便于操作，适合工业生产应用。因此，在原位反应最集中的位置，即铝熔体表面，施加高速机械搅拌抑制颗粒团簇的产生具有重要实用价值。

附图说明

图1为ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料的显微组织。

(a)ZrB₂颗粒含量为0％；(b)ZrB₂颗粒含量为3％；(c)ZrB₂颗粒含量为5％；(d)ZrB₂颗粒含量为7％。

图2为ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料在拉伸断口处的显微组织。

(a)ZrB₂颗粒含量为0％；(b)ZrB₂颗粒含量为3％；(c)ZrB₂颗粒含量为5％；(d)ZrB₂颗粒含量为7％。

图3为ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料的应力-应变曲线。

图4为ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料的拉伸力学性能。

图5为ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料的硬度。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

制备ZrB₂颗粒强化铝基复合材料，称取工业纯铝1.5kg，然后在665℃下，一边搅拌一边将烘干且研磨好的KBF₄和K₂ZrF₆混合盐加入铝熔体中反应，机械搅拌强度为1000转/分钟，机械搅拌时间15min。

保温、机械搅拌15分钟之后，升温浇铸，所得原位自生成纳米级ZrB₂颗粒质量分数为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料及拉伸断口处的显微组织分别如图1和图2所示。ZrB₂颗粒均匀分布于基体中，没有出现严重的颗粒团聚。复合材料断口呈现典型的韧性断裂特征，表面均匀分布大量韧窝，没有出现脆性断裂组织。说明本方法可以制备出强、塑性结合良好的铝基复合材料。

实施例2

将本方法制备的ZrB₂颗粒质量分数分别为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料标准试样在型号为DDL100的电子万能试验机上进行拉伸试验，其中拉伸速率为3mm/min。复合材料的应力-应变曲线如图3所示，力学性能如图4所示。可见，本方法制备的复合材料的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)均明显高于基体，说明本方法制备的复合材料具有较高的强度。

实施例3

采用型号为HV-30硬度计对ZrB₂颗粒质量分数分别为0％、3％、5％和7％的铝基复合材料的硬度进行测量，其中试验力为5kg，持续时间为15s，测量结果如图5所示。可见，本方法制备的不同颗粒含量的复合材料硬度均明显高于基体，其中最高硬度达到165HV，说明本方法制备的复合材料具有较高的硬度。

上述实施例的可知，借助低温条件下(660℃-670℃)的放热化学反应实现复合材料的原位合成，有助于解决传统原位合成技术的温度高，能耗高，基体合金元素烧损等难题。其次，在低温下生成的ZrB₂颗粒尺寸细小、分散均匀，可显著提高基体的综合力学性能。除此之外，由于采用低温、原位反应，整个合成过程操作简单、快速，对于实现产业化有很大的意义。