一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010411094.7
文献号 : CN111394628B
文献日 : 2021-06-04
发明人 : 汤进军 , 梁翠 , 郭永春 , 陈大辉 , 高德 , 张学昌 , 张炜
申请人 : 浙大宁波理工学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:由以下质量百分比的组分组成:Si: 10.0 12.5 %, Cu:3.0 4.0%,Mg:0.7 1.2%,Ni: 2.5 3.5%, Fe: 0.5 0.7%, ~ ~ ~ ~ ~
Mn:0.20 0.30%,Cr: 0.20 0.30%, Sc: 0.10 0.15%, Zr: 0.13 0.17%, Ti: 0.13 0.17%, ~ ~ ~ ~ ~
V: 0.08~0.12%,还包括原位内生强化相含量:TiC: 1.0~1.5 %,TiB2: 0.5~0.8 %,余量为Al和不可避免的杂质;
由以下步骤制备而成:
S1.将工业纯铝锭、镁锭、Al‑Si中间合金和Al‑Cu中间合金预热至160‑180℃,保温30‑
50分钟,按合金的成分及化学计量比,计算所需原料的用量,配置合金熔体总量控制在坩埚容量的2/3;
S2.待合金原材料预热后,预留Mg、Al‑Cu中间合金和AlTi合金细化剂、AlZr合金细化剂、AlV合金细化剂,将配置好的合金原料在中频炉中730‑750℃保温熔化,待全部熔化后,熔体温度升至800℃,保持20‑30分钟,确保Al‑Fe中间合金、Al‑Ni中间合金和Al‑Sc中间合金充分熔化;
S3.待合金充分熔化混合均匀后,将合金熔体降温至760‑770℃变质处理,采用ZS‑ABP10复合磷盐变质剂进行变质处理,变质剂加入量按照0.008‑0.010 kg/kg计算,变质完后保持静置20‑30分钟,让熔渣充分上浮,撇去表面浮渣;
S4.待合金变质处理结束后,将温度升高至1150‑1200℃,将预热后Al‑Ti‑C混合粉末预制块用钟罩压入熔体内部,用旋转喷吹石墨转子搅拌,搅拌速度100‑120转/分钟,时间10‑
12分钟,使合金熔体中原位内生TiC强化相得到充分反应;
S5. 待TiC原位内生反应结束后,将温度降低至850‑900℃,将预热后KBF4和K2TiF6混合盐粉末用铝箔包裹,用钟罩压入熔体内部原位反应,用旋转喷吹石墨转子搅拌,搅拌速度
100‑120转/分钟,时间10‑12分钟,使合金熔体中TiB2和TiC内生强化相反应充分和分布均匀;
S6. 待TiB2原位内生反应结束后,加入预留Mg锭、Al‑Cu中间合金降温,调整预留中间合金总量,确保降温后的熔体温度不得低于760℃,静置15‑20分钟;
S7.待Al‑Cu中间合金熔化均匀后,将预留的AlTi细化剂、AlZr细化剂和AlV细化剂加入到熔体中,并搅拌2‑3次,静置20‑30分钟,撇去表面浮渣;
S8. 待合金熔体细化处理结束后,在750‑770℃,采用旋转喷吹工艺对熔体进行除气精炼,除气后静置15‑20分钟,撇去表面浮渣;
S9.挤压铸造模具提前预热至280~350℃,铝合金熔体温度始终保持在740~760℃范围使用,在350吨液压机挤压铸造,保压120‑150s,得到适于挤压铸造高强耐热铝合金铸坯;
S10.将铝合金挤压铸造成形结束后,采用T6热处理,固溶温度500±5℃,保温6小时,
50‑70℃热水淬火;时效温度210±10℃,保温8小时,空冷至室温,得到所述原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料;
所述变质剂加入量按照0.008‑0.010 kg/kg计算是指,每公斤铝基复合材料加入
0.008‑0.010 kg变质剂。
2.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述TiB2内生强化相以纯度99%的KBF4盐和纯度99%K2TiF6盐为原料,所述KBF4盐与K2TiF6盐的质量配比为1.05:1,所述TiC内生强化相以Ti粉和C粉为原料,所述Ti粉与C粉的质量配比为
4:1。
3.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述Al‑Si中间合金为AlSi30;所述Al‑Cu中间合金为AlCu50;所述Al‑Ni中间合金为AlNi20;
所述Al‑Fe中间合金为AlFe20;所述Al‑Sc中间合金为AlSc2中间合金。
4.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述AlTi细化剂为中间合金AlTi10;所述AlZr细化剂为中间合金AlZr10;所述AlV细化剂为中间合金AlV10。
5.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述原位内生TiB2颗粒所需的KBF4和K2TiF6混合盐粉末,低速球磨60‑90分钟混料,转速120‑
150转/分钟,球料比10:1,球磨结束后在160‑200℃,保温30‑50分钟烘干除水汽处理。
6.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述原位内生TiC颗粒所需Ti粉、C粉和Al粉原料,按照质量比4:1:5低速球磨80‑100分钟混料,转速120‑150转/分钟,球料比10:1,球磨结束后,按照预定加入量将混合粉末冷等静压压制成预制块,之后再在180‑220℃,保温30‑50分钟烘干除水汽处理。
7.如权利要求1所述的一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料,其特征在于:所述Al‑Fe中间合金、Al‑Ni中间合金和Al‑Sc中间合金熔炼温度在800℃,合金熔体浇铸温度在740~760℃。
说明书 :
一种原位双相颗粒增强富Fe活塞铝基复合材料及其制备方法
技术领域
背景技术
大。然而,为了应对我国在能源危机和环境保护方面面临着前所未有的挑战,高功率密度、
高负荷和高可靠性势必将成为柴油机今后发展的主攻方向。柴油机活塞作为高频运动部
件,标定转速由2100r/min提高到4200r/min,其喉口部位最高温度已达到350‑420℃,最高
燃烧压力从14MPa提高到22MPa,其工况环境下合金材料的高温机械性能和可靠性将直接影
响整机的技术指标和使用寿命。原位内生双相增强活塞铝基复合材料,具有质量轻、热传导
性好、热膨胀系数小,并具有足够的高温强度、耐磨耐蚀和抗蠕变性能等优良特性,是我国
高功率密度柴油机最有应用价值和产业化前景的材料体系。
入模具,得到轻金属基纳米复合材料。此发明专利纳米颗粒是通过外加的方式进入基体,存
在界面有污染,结合强度低等缺点。公开号为CN201010505574.6的中国发明专利,该专利采
用硼砂类硼化物和K2ZrF6类氟化物粉剂为反应混合盐,用熔体直接反应法在铝熔体内直接
合成制备纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料。由于该反应的反应物和生成物都很复杂,反
应过程中伴随着熔渣的产生和KF气体的释放,存在反应过程复杂,生产过程环境负荷大,有
熔渣产生和气体释放等缺点。朱和国等研究了Al‑TiO2系XD合成铝基复合材料的反应基理
(中国有色金属学报,15(2),2005,205‑209),采用纯Al和TiO2粉末,以一定化学计量比进行
配粉,球磨,冷挤压成直径为30mm,高度为10mm左右的压坯,将压坯在1000K左右的真空反应
炉中保温一段时间,冷却到室温,得到Al3Ti和Al2O3同时强化的铝基复合材料。其中强化相
Al3Ti是为粗大的棒状,细小的Al2O3颗粒在小范围偏聚,未呈弥散分布,未能得到理想的铝
基复合材料组织。公开号为CN 108251724 A的中国发明专利,该专利采用较高的Cu/Mg比,
时效热处理后,合金中主要强化相为θ‑Al2Cu相,但其高温强化效果不及δ‑Al3CuNi和T‑
Al9FeNi相,且易长大和粗化,对合金高温力学性能不利。公开号为CN 109402473A的中国发
明专利,该专利涉及一种高Fe含量Al‑Si‑Cu‑Mn‑Ti耐热铝合金,通过增加Fe、Cu和钛元素含
量提高合金耐热性能,该专利铜质量百分比含量高达6.0‑8.0%,铸造过程中容易产生成分
偏析和热裂缺陷,同时过高的Ti元素含量导致针状Al3Ti含量增加,导致合金高温力学和疲
劳性能不足。公开号为CN 103469037 A、CN108103373A、CN 103981410 A的中国发明专利,
采用较低的Cu含量,合金高温强化效果不足,耐高温性能较差。公开号为CN104498785B的中
国发明专利,引入Er、Zr元素,元素固溶度较低,添加量受限,对合金强化效果有限,合金综
合性能不足。
发明内容
方法,以解决现有材料技术中存在的合金高温性能不足等问题。
3.5%,Fe:0.5~0.7%,Mn:0.20~0.30%,Cr:0.20~0.30%,Sc:0.10~0.15%,Zr:0.13~
0.17%,Ti:0.13~0.17%,V:0.08~0.12%,还包括原位内生强化相含量:TiC:1.0~
1.5%,TiB2:0.5~0.8%,余量为Al和不可避免的杂质。
所述Ti粉与C粉的质量配比为4:1。
坩埚容量的2/3;
后,熔体温度升至800℃,保持20‑30分钟,确保Al‑Fe中间合金、Al‑Ni中间合金和Al‑Sc中间
合金充分熔化;
完后保持静置20‑30分钟,让熔渣充分上浮,撇去表面浮渣;
10‑12分钟,使合金熔体中原位内生TiC强化相得到充分反应;
度100‑120转/分钟,时间10‑12分钟,使合金熔体中TiB2和TiC内生强化相反应充分和分布
均匀;
铸坯;
粒增强富Fe活塞铝基复合材料。
金。
除水汽处理。
将混合粉末冷等静压压制成预制块,之后再在180‑220℃,保温30‑50分钟烘干除水汽处理。
物AlF3、KF可通过扒渣去除,可实现内生强化相与基体组织界面纯净稳定性好、颗粒分布均
匀、线膨胀系数小,以及铸造性能优良,可与合金基体中析出高温强化相协同增强复合材料
高温机械性性能。
设计合金成分,可使上述高温强化相集中在多元共晶和包晶平台析出,使凝固组织以网状、
花瓣状形貌析出,起到阻碍晶界滑移及位错运动的作用,避免高温组织微应力集中和疲劳
裂纹萌生,综合提高铝基复合材料耐热性能、晶界强度和抗疲劳蠕变能力;
能。
0.8~1.2%,350℃疲劳强度(107次)达到56MPa,大幅度提高铝基复合材料高温使用性能,
扩大了Al‑Si‑Cu系铸造铝合金的应用范围。
附图说明
具体实施方式
分钟后,在180℃保温50分钟去除水汽和杂质。原位内生TiB2强化相以Ti、C、Al混合粉末原
材料,按照预定质量和比例低速球磨100分钟后,冷等静压成预制块,在200℃保温50分钟去
除水汽和杂质。精炼采用ZS‑ABP10复合磷盐变质剂,细化剂采用AlTi10、AlZr10和AlV10中
间合金,采用中频炉感应熔炼,以及旋转喷吹工艺进行除气精炼。
程为:Ti(s)+C(s)=TiC(s),或者3Al+Ti=TiAl3(s),TiAl3+C=TiC(s)+3Al。根据热力学条
件,TiC原位反应在1100℃以上方能生成;(b)然后,在850‑900℃原位合成微米级TiB2,反应
方程为:K2TiF6+2KBF4=TiB2+4KF+5F2,或者2K2TiF6+2KBF4+5Al=Al3Ti+TiB2+6KF+2AlF3
+4F2,反应温度在850‑900℃。
动力,在在1100℃以下不足以让反应充分进行。
重量比在0.5‑0.8范围,TiC才能更易吸附于TiB2表面,实现原位自生强化相在铝基体中均
匀分布,提高材料组织均匀性和耐热性能。相较于单步合成法,单步合成法合成的TiC和
TiB2比例固定,无法满足0.5‑0.8范围的需求。
0.5%,Mn:0.22%,Sc:0.1%,Cr:0.2,TiC:1.0%,TiB2:0.5%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1150℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至850℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在750℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
延伸率8.3%;合金线收缩率1.1%。
0.5%,Mn:0.20%,Sc:0.15%,Cr:0.25,TiC:1.2%,TiB2:0.7%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1170℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至870℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在760℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
延伸率7.5%;合金线收缩率1.2%。
0.6%,Mn:0.25%,Sc:0.15%,Cr:0.25,TiC:1.5%,TiB2:0.7%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1200℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至880℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在750℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
103MPa,延伸率5.9%;合金线收缩率1.0%。
0.6%,Mn:0.3%,Sc:0.15%,Cr:0.3,TiC:1.3%,TiB2:0.7%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1200℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至880℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在750℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
105MPa,延伸率6.8%;合金线收缩率0.8%,350℃疲劳强度(107次)56MPa。铝基复合材料中
原位自生TiC和TiB2微纳米强化相形貌如图1和图2所示。
0.7%,Mn:0.3%,Sc:0.12%,Cr:0.25,TiC:1.5%,TiB2:0.8%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1200℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至900℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在760℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
112MPa,延伸率5.5%;合金线收缩率1%。
0.7%,Mn:0.3%,Sc:0.15%,Cr:0.25,TiC:1.4%,TiB2:0.8%,余量为Al和不可避免的杂
质,该耐热铝合金的制备方法,包括以下步骤:
至1200℃进行TiC原位内生反应,搅拌静置12分钟后扒渣,将温度降至900℃进行TiC原位内
生反应,搅拌静置12分钟后加入预留Mg锭和AlCu50中间合金,将熔体温度控制在760‑770℃
范围,静置20min。然后进行细化处理,静置25min。采用旋转喷吹工艺,在760℃对熔体进行
除气精炼10分钟,静置20分钟后撇去表面浮渣;
高Fe铝基复合材料。
109MPa,延伸率5.6%;合金线收缩率0.9%。
韧性的同时,进一步降低合金热裂倾向,具有更好的高温周期载荷适用性。
0.7%元素相对含量,使上述高温支撑强化相含量在6.2~9.6%范围本专利所述基体合金
成分,既能最大限度提高合金高温力学性能,同时兼顾合金铸造性能、室温力学性能和延伸
率等性能指标,具有较强的创新和创造性。
较差,容易引起应力集中和疲劳失效。本发明主要针对铝合金基体中富Fe耐热相主要有
Al5FeSi和Al9FeNi两种,T‑Al9FeNI却具有较好的组织形貌(网状或者颗粒状),富Fe相选择
和组织形貌与合金成分密切相关。本发明在多元合金相图和凝固路径综合计算分析设计的
基础上,进行合金体系成分设计和组织调控,使富Fe相以T‑Al9FeNI形式在共晶和包晶平台
析出,组织形貌为网状或者花瓣状,在高温使用环境最能阻碍位错移动和抑制裂纹萌生作
用。
而本发明所述基体合金成分,主要通过增加富Fe、富Ni等高温支撑强化相含量,调控凝固组
织形貌,来提高合金高温力学性能和疲劳性能,不仅能够大大降低合金制备成本,还大幅度
提高合金高温和室温伸长率,增强合金高温疲劳性能,本发明所述铝基复合材料在350℃高
温抗拉强度96~112MPa,延伸率5.5~8.3%,线收缩率0.8~1.2%,350℃疲劳强度56MPa,
具有更好的高温使用性能和疲劳性能。
基体中,减少增强颗粒偏聚与成分偏析倾向,提高合金材料组织和性能均匀性,具有一定的
创新性和先进性。本发明所述铝基复合材料采用挤压铸造工艺,大大减少或消除合金铸造
缺陷,提高铝基复合材料力学性能和生产效率。
中,减少增强颗粒偏聚与成分偏析倾向,提高合金材料组织和性能均匀性,具有一定的创新
性和先进性。
盖在本发明的保护范围之内,因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。