一种双相颗粒增强Al基复合材料及其制备方法

摘要

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种TiB2和Mg2Si两相颗粒增强Al基复合材料及其制备方法。所述复合材料由基体和增强相组成，基体为Al，增强相为TiB2和Mg2Si相。本发明增强相TiB2陶瓷颗粒在铝熔体中原位反应合成，在不降低Al‑Mg2Si基复合材料室温强度的同时，高温强度比Al‑Mg2Si基复合材料提高约8‑20％。该制备方法工艺简便、适合工业化生产。

权利要求

1.一种双相颗粒增强Al基复合材料，其特征在于，所述Al基复合材料由基体和增强相组成，基体为Al，增强相为TiB2和Mg2Si相，其中，TiB2质量分数为2％-5％，Mg2Si质量分数为

15％，室温增强相Mg2Si尺寸为15-25μm，形状为八面体或缺角八面体，高温增强相TiB2尺寸为0.5-5μm，形状为六角板片；

所述双相颗粒增强Al基复合材料350℃高温抗拉强度为59-66MPa ；

所述的一种双相颗粒增强Al基复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)首先按以下质量百分比准备所需原料：29-76％的纯铝、9.5％的纯镁、5.5％的纯硅、7％-53％的Al-B中间合金和1-4％的海绵Ti，按照Ti:B质量百分比为2.2:1进行配料；

(2)将按比例称好的纯铝放入熔炼炉，并通入高纯Ar保护性气体；

(3)熔炼炉升温到750℃-850℃，待纯铝熔化后，加入纯硅，待硅完全溶解在铝熔体后搅拌5-15分钟；再将温度升高到800℃-1200℃，加入Al-B中间合金和海绵Ti，Al-B中间合金中的AlB2粒子大量溶解，与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子；温度下降到750℃-850℃，施加超声外场，使TiB2颗粒在熔体中分布更加均匀；

(4)再将温度降至650℃-750℃，将纯镁压入熔体底部保温10分钟，加入0.5wt.％的C2C16除气除渣，待稳定后浇注成锭；

所述Al-B中间合金中B的质量百分比为3％-8％。

说明书

一种双相颗粒增强Al基复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料领域，具体涉及一种TiB2和Mg2Si两相颗粒增强Al基复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] Al-Mg2Si复合材料中增强相Mg2Si是在凝固过程中原位生成，与基体相容性好、界面干净、结合牢固、热稳定性好，且增强体分布均匀，制造工艺相对简单，成本低廉，使其在汽车等领域有着巨大的市场潜力和广泛的应用前景。通过控制Mg2Si的形核和生长过程或通过后续处理工艺，实现对其形貌、尺寸、分布等因素的有效控制，可显著提高复合材料的室温力学性能，但对高温性能(350℃)贡献有限。

[0003] 随着内燃机朝着大功率、低油耗、低排放、高转速、高增压的方向发展,大大增加了发动机和活塞材料的工作负荷和工作温度，对材料的高温力学性能(350℃)提出了更高的要求，但目前现有技术Al-Mg2Si复合材料的高温性能难以满足使用需求，亟待解决。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种TiB2和Mg2Si双相颗粒增强Al基复合材料及其制备方法，在不降低Al-Mg2Si基复合材料室温强度的同时，提高材料的高温强度。增强相TiB2陶瓷颗粒在铝熔体中原位反应合成，该制备方法工艺简便、适合工业化生产。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种双相颗粒增强Al基复合材料，其特征在于，所述Al基复合材料由基体和增强相组成，基体为Al，增强相为TiB2和Mg2Si相，其中，TiB2质量分数为2％-5％，Mg2Si质量分数为15％，室温增强相Mg2Si尺寸为15-25μm，形状为八面体或缺角八面体，高温增强相TiB2尺寸为0.5-5μm，形状为六角板片。

[0007] 所述双相颗粒增强Al基复合材料350℃高温抗拉强度为59-66Mpa。

[0008] 一种双相颗粒增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

[0009] (1)首先按以下质量百分比准备所需原料：29-76％的纯铝、9.5％的纯镁、5.5％的纯硅、7％-53％的Al-B中间合金和1-4％的海绵Ti，按照Ti:B质量百分比为2.2:1进行配料；

[0010] (2)将按比例称好的纯铝放入熔炼炉，并通入高纯Ar保护性气体；

[0011] (3)熔炼炉升温到750℃-850℃，待纯铝熔化后，加入纯硅，待硅完全溶解在铝熔体后搅拌5-15分钟；再将温度升高到800℃-1200℃，加入Al-B中间合金和海绵Ti，Al-B中间合金中的AlB2粒子大量溶解，与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子；温度下降到750℃-850℃，施加超声外场，使TiB2颗粒在熔体中分布更加均匀；

[0012] (4)再将温度降至650℃-750℃，将纯镁压入熔体底部保温10分钟，加入0.5wt.％的C2C16除气除渣，待稳定后浇注成锭。

[0013] 所述Al-B中间合金中B的质量百分比为3％-8％。

[0014] TiB2由于具有高熔点(2980℃)、高硬度(32GPa)、高弹性模量(529GPa)，以及良好的耐腐蚀性能，是优良的复合材料增强相，且在较高温度下仍能稳定存在。本发明的铝基复合材料中Mg与Si反应生成Mg2Si相。Al-3B中间合金中的AlB2粒子溶解后，B与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子，超声场促进TiB2粒子在熔体中的分布均匀。在保持复合材料中原有Mg2Si增强作用的同时，引入TiB2增强陶瓷粒子提高材料的高温性能，适合大规模生产和应用。

具体实施方式

[0015] 下面结合具体实施例，进一步阐述发明。

[0016] 实施例1

[0017] (1)按以下质量百分比准备好原料：纯铝62.795％、纯镁9.5％、纯硅5.5％、海绵钛1.375％，20.83％的Al-B中间合金，其中Al-B中间合金的含B量(质量百分含量)为3％；

[0018] (2)将按比例称好的纯铝锭放入熔炼炉，并通入高纯Ar保护性气体；

[0019] (3)熔炼炉升温到750℃，待纯铝熔化后，加入纯硅，待硅完全溶解在铝熔体后搅拌5-15分钟。再将温度升高到800℃,加入Al-B中间合金和海绵Ti，Al-B中间合金中的AlB2粒子大量溶解，与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子。当温度下降到750℃，施加超声外场，使TiB2颗粒在熔体中分布更加均匀；

[0020] (4)再将温度降至650℃，将纯镁压入熔体底部保温10分钟，加入0.5wt.％的C2C16除气除渣，待稳定后浇注成锭。

[0021] 所制备双相增强Al基复合材料的组成(质量百分含量)为：Al-15％Mg2Si-2％TiB2。

[0022] 实施例2

[0023] (1)按以下质量百分比准备好原料：纯铝64.1875％、纯镁9.5％、纯硅5.5％、海绵钛2.0625％，18.75％的Al-B中间合金，其中Al-B中间合金的含B量(质量百分含量)为5％；

[0024] (2)将按比例称好的纯铝锭放入熔炼炉，并通入高纯Ar保护性气体；

[0025] (3)熔炼炉升温到800℃，待纯铝熔化后，加入纯硅，待硅完全溶解在铝熔体后搅拌5-15分钟。再将温度升高到1000℃,加入Al-B中间合金和海绵Ti，Al-B中间合金中的AlB2粒子大量溶解，与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子。当温度下降到800℃，施加超声外场，使TiB2颗粒在熔体中分布更加均匀；

[0026] (4)再将温度降至700℃，将纯镁压入熔体底部保温10分钟，加入0.5wt.％的C2C16除气除渣，待稳定后浇注成锭。

[0027] 所制备双相增强Al基复合材料的组成(质量百分含量)为：Al-15％Mg2Si-3％TiB2。

[0028] 实施例3

[0029] (1)按以下质量百分比准备好原料：纯铝62.03％、纯镁9.5％、纯硅5.5％、海绵钛3.44％，19.53％的Al-B中间合金，其中Al-B中间合金的含B量(质量百分含量)为8％；

[0030] (2)将按比例称好的纯铝锭放入熔炼炉，并通入高纯Ar保护性气体；

[0031] (3)熔炼炉升温到850℃，待纯铝熔化后，加入纯硅，待硅完全溶解在铝熔体后搅拌5-15分钟。再将温度升高到1200℃，加入Al-B中间合金和海绵Ti，Al-B中间合金中的AlB2粒子大量溶解，与溶解的Ti反应，原位生成TiB2增强粒子。当温度下降到850℃，施加超声外场，使TiB2颗粒在熔体中分布更加均匀；

[0032] (4)再将温度降至750℃，将纯镁压入熔体底部保温10分钟，加入0.5wt.％的C2C16除气除渣，待稳定后浇注成锭。

[0033] 所制备双相增强Al基复合材料的组成(质量百分含量)为：Al-15％Mg2Si-5％TiB2。

[0034] 以Al-15％Mg2Si复合材料为对比例，实施例1-3及对比例的拉伸强度如下表所示：

[0035]

[0036] 本发明双相颗粒增强Al基复合材料350℃高温抗拉强度比现有技术Al-15％Mg2Si复合材料提高约8-20％，取得了预料不到的技术效果，材料高温性能大幅提高，克服了现有技术的不足，适合大规模生产和应用。

[0037] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。