一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法

摘要

本发明公开了一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法，在半连续铸造的基础上，在熔融金属上方均匀撒上反应盐，进而得到所需的复合材料。此法通过纳米陶瓷颗粒的自由沉降来获得所需成分的合金，故在反应过程中无需搅拌，可有效避免的由于搅拌导致的缩松缩孔和卷气；其次，反应盐均匀分布于熔融金属表面，故反应过程中产生的中间化合物不会进入熔融金属，可以有效避免合金中的夹渣等缺陷；最后经半连续铸造制成的铸锭外表面质量也远远优于传统铸造方法。本发明制备的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料内部无气孔及夹渣，增强相在合金内部分布均匀，因此合金具有高的强度和刚度，可广泛应用于汽车、通讯、轨道交通、航空航天等领域。

权利要求

1.一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法，其特征在于：在半连续铸造的基础上，在熔融金属上方均匀撒上反应盐，通过纳米陶瓷颗粒的自由沉降来获得所需成分的合金，进而得到所需的复合材料；包括如下步骤：步骤1：将保温炉内熔融铝液经除气与过滤后导入反应器内；

步骤2：将所需的KBF4和K2TiF6称重、混合、烘干、搅拌后备用；

步骤3：将步骤2制得的混合盐均匀抛洒在铝熔体表面，静置保温反应一段时间后，除去反应副产物；

步骤4：将步骤3得到的熔体注入结晶器，同时进行超声波处理；

步骤5：待步骤4熔体在石墨环处凝固后，引锭头下降，得到铝基复合材料半连续铸棒；

步骤2中，混合盐中KBF4和K2TiF6质量比为0.8:1~1:1.2；

步骤3中，铝熔体表面混合盐厚度应在4 20mm范围内；反应器保温温度为850‑1100℃，~

保温时间：铝液高度(mm)/（0.3 0.5）min；

~

步骤4中，超声波处理频率为13 23kHz，超声波处理功率为0.5 1.5kw。

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2.根据权利要求1所述的半连续制备方法，其特征在于：步骤1中，保温炉内保温温度为750‑1000℃。

3.根据权利要求1所述的半连续制备方法，其特征在于：步骤2中，混合盐烘干温度120‑180℃，烘干时间6‑12h，混料时间36‑48h，保温温度250‑

350℃。

4.根据权利要求1所述的半连续制备方法，其特征在于：步骤4中，引锭头下降速率为20‑60/min。

5.根据权利要求1所述的半连续制备方法，其特征在于：步骤5中，冷却水压力为0.1 0.3MPa，水温为20‑40℃。

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说明书

一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法，是通过纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

背景技术

[0002] 颗粒增强铝基复合材料具有轻的质量，较高的比强度、比刚度，良好的耐磨性。按颗粒引入方式的不同，颗粒增强铝基复合材料可分为外加法和原位自生法两种。传统的外
加颗粒制备方法获得的颗粒尺寸一般较大，润湿性差，且与基体结合强度低，容易发生团聚
偏析等问题。相比于外加法，原位自生的增强相尺寸细小，能够保证铝基复合材料具有良好
的高温性能和韧性、较高的强度和弹性模量；同时原位自生增强相与基体间具有干净的界
面、强的界面结合键以及良好的相容性。

[0003] 经过数十年发展，目前已形成了自蔓延高温合成法、放热反应法、混合盐反应法、接触反应法、熔体反应法、反应机械合金化技术、无压浸渗法等多种制备工艺，但是相对成
熟的技术是混合盐反应法。混合盐反应法在制备过程中反应产生的熔渣和中间化合物难以
清除干净，容易在合金内部形成夹渣；另外反应生成的强化相也容易在合金内部形成团聚。
目前大多数工艺通过引入搅拌来缓解这一问题，尽管能够有效分散熔融合金中的增强相，
但是在搅拌过程不可避免的会出现卷气和夹渣等问题，这对铸造合金的组织和性能影响重
大。

发明内容

[0004] 本发明针对目前实际生产中所使用的混合盐反应法的不足，旨在提供一种颗粒增强复合材料的半连续制备方法。本发明制备的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料内部无气孔
及夹渣，增强相在合金内部分布均匀，因此合金具有高的强度和刚度，可广泛应用于多个领
域。

[0005] 本发明颗粒增强复合材料的半连续制备方法，是在半连续铸造的基础上，在熔融金属上方均匀撒上反应盐，进而得到所需的复合材料。此法通过纳米陶瓷颗粒的自由沉降
来获得所需成分的合金，故在反应过程中无需搅拌，可有效避免的由于搅拌导致的缩松缩
孔和卷气；其次，反应盐均匀分布于熔融金属表面，故反应过程中产生的中间化合物不会进
入熔融金属，可以有效避免合金中的夹渣等缺陷；最后经半连续铸造制成的铸锭外表面质
量也远远优于传统铸造方法。具体包括如下步骤：

[0006] 步骤1：将保温炉内熔融铝液经除气与过滤后导入反应器内；

[0007] 步骤2：将所需的KBF4和K2TiF6称重、混合、烘干、搅拌后备用；

[0008] 步骤3：将步骤2制得的混合盐均匀抛洒在铝熔体表面，静置保温反应一段时间后，除去反应副产物；

[0009] 步骤4：将步骤3得到的熔体注入结晶器，同时进行超声波处理；

[0010] 步骤5：待步骤4熔体在石墨环处凝固后，引锭头下降，得到铝基复合材料半连续铸棒。

[0011] 优选的，步骤1中，保温炉内保温温度为750‑1000℃。

[0012] 优选的，步骤1中，反应器内铝液高度不超过反应器的2/3。

[0013] 优选的，步骤2中，混合盐中KBF4和K2TiF6质量比为0.8:1～1:1.2。

[0014] 优选的，步骤2中，混合盐烘干温度120‑180℃，烘干时间6‑12h，混料时间36‑48h，保温温度250‑350℃。

[0015] 优选的，步骤3中，反应器保温温度为850‑1100℃，保温时间：铝液高度(mm)/(0.3～0.5)min。

[0016] 优选的，步骤3中，铝熔体表面混合盐厚度应在4～20mm范围内。

[0017] 优选的，步骤4中，超声波处理频率为13～23kHz，超声波处理功率为0.5～1.5kw。

[0018] 优选的，步骤4中，引锭头下降速率为20‑60/min。

[0019] 优选的，步骤5中，冷却水压力为0.1～0.3MPa，水温为20‑40℃。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明利用混合盐在铝液表面反应生成强化相TiB2，随后通过TiB2的自由沉降获得所需成分的合金，这样我们只需通过控制沉降时间得到所需的强化相的比例，避免了传
统机械搅拌带来的卷气和夹渣，最后通过半连续铸造获得晶粒细小、颗粒分布均匀的铝基
复合材料。本发明的制备方法工艺简单，原料价格低，制备所得的铝基复合材料具有高的强
度和刚度，可广泛应用于汽车、通讯、轨道交通、航空航天等领域。

附图说明

[0022] 图1为半连续铸造方法使用的装置结构示意图。图中，1为保温炉；2为除气&过滤装置；3超为声处理器；4为反应器；5为混合盐；6为熔融铝液；7为结晶器；8为冷却水；9为耐热
材料；10为石墨环；11为引锭头。

[0023] 图2为下述实施例扫描样品取样部位示意图。

[0024] 图3为实施例1中制备的1％TiB2原位增强铝合金扫描电子显微镜图像(20KX)。其中(a)图为样品上部扫描图，(b)图为样品下部扫描图，图中样品上、下部强化相含量基本相
同，分布也较为均匀。

[0025] 图4为实施例2中制备的3％TiB2原位增强铝合金扫描电子显微镜图像(20KX)。其中(a)图为样品上部扫描图，(b)图为样品下部扫描图，图中样品上、下部强化相含量基本相
同，分布也较为均匀。

[0026] 图5为实施例3中制备的3％TiB2原位增强铝合金扫描电子显微镜图像(20KX)。其中(a)图为样品上部扫描图，(b)图为样品下部扫描图。样品上、下部强化相分布都较为均
匀，但是由于保温时间不足，样品下部强化相含量明显较少。

[0027] 图6为实施例4中制备的3％TiB2原位增强铝合金扫描电子显微镜图像(20KX)。其中(a)图为样品上部扫描图，(b)图为样品下部扫描图。由于保温时间过长，图中样品上、下
部强化相含量及分布差异较大，样品上部强化相分布较为均匀，样品下部强化相含量过高，
甚至有团聚发生。

[0028] 图7为实施例5中制备的5％TiB2原位增强铝合金扫描电子显微镜图像(20KX)。其中(a)图为样品上部扫描图，(b)图为样品下部扫描图，图中样品上、下部强化相含量基本相
同，分布也较为均匀。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施将有助于本领域的研究人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的
保护范围。

[0030] 实施例1：

[0031] 本实施例中颗粒增强复合材料的半连续制备方法，具体而言是制备直径为40mm的1％TiB2原位内生颗粒增强铝基复合材料铸棒。

[0032] 本实施例所使用的装置结构示意图如图1所示，图中，1为保温炉；2为除气&过滤装置；3超为声处理器；4为反应器；5为混合盐；6为熔融铝液；7为结晶器；8为冷却水；9为耐热
材料；10为石墨环；11为引锭头。

[0033] 本实施例的方法包括如下步骤：

[0034] 将铝锭加入炉内，熔化后升温至750℃后将铝液除气与过滤后导入反应器，反应器内铝液高度为反应器的2/5；

[0035] 将质量比例为1:0.8的KBF4和K2TiF6，在120℃烘干时间8h，混料36h，250℃保温备用；

[0036] 将混合盐均匀抛洒在铝液表面；

[0037] 将反应器内铝液在800℃静置保温40min后，除去反应副产物；

[0038] 将复合材料熔体注入结晶器，同时进行超声波处理，超声频率为13kHz，功率为0.5kw；

[0039] 待熔体在石墨环处凝固后，引锭头以20mm/min速度下降，此时冷却水的水温为20℃，水压为0.1MPa，得到直径为40mm的1％TiB2铝基复合材料半连续铸棒。

[0040] 该复合材料的力学性能：σb上＝215MPa，σ0.2上＝180MPa，δ上＝15％；

[0041] σb下＝215MPa，σ0.2下＝180MPa，δ下＝15％。

[0042] 实施例2：

[0043] 本实施例中颗粒增强复合材料的半连续制备方法，具体而言是制备直径为60mm的3％TiB2原位内生颗粒增强铝基复合材料铸棒。本实施例所使用的装置结构示意图如图1所
示。

[0044] 本实施例的方法包括如下步骤：

[0045] 将铝锭加入炉内，熔化后升温至900℃后将铝液除气与过滤后导入反应器，反应器内铝液高度为反应器的3/5；

[0046] 将质量比例为1:1的KBF4和K2TiF6，在150℃烘干时间10h，混料42h，300℃保温备用；

[0047] 将混合盐均匀抛洒在铝液表面；

[0048] 将反应器内铝液在850℃静置保温50min后，除去反应副产物；

[0049] 将复合材料熔体注入结晶器，同时进行超声波处理，超声频率为18kHz，功率为1kw；

[0050] 待熔体在石墨环处凝固后，引锭头以40mm/min速度下降，此时冷却水的水温为30℃，水压为0.2MPa，得到直径为60mm的3％TiB2铝基复合材料半连续铸棒。

[0051] 该复合材料的力学性能：σb上＝230MPa，σ0.2上＝190MPa，δ上＝14％；

[0052] σb下＝230MPa，σ0.2下＝190MPa，δ下＝14％。

[0053] 实施例3：

[0054] 本实施例中颗粒增强复合材料的半连续制备方法，具体而言是制备直径为60mm的3％TiB2原位内生颗粒增强铝基复合材料铸棒。本实施例所使用的装置结构示意图如图1所
示。

[0055] 本实施例的方法包括如下步骤：

[0056] 将铝锭加入炉内，熔化后升温至900℃后将铝液除气与过滤后导入反应器，反应器内铝液高度为反应器的3/5；

[0057] 将质量比例为1:1的KBF4和K2TiF6，在150℃烘干时间10h，混料42h，300℃保温备用；

[0058] 将混合盐均匀抛洒在铝液表面；

[0059] 将反应器内铝液在850℃静置保温30min后，除去反应副产物；

[0060] 将复合材料熔体注入结晶器，同时进行超声波处理，超声频率为18kHz，功率为1kw；

[0061] 待熔体在石墨环处凝固后，引锭头以40mm/min速度下降，此时冷却水的水温为30℃，水压为0.2MPa，得到直径为60mm的3％TiB2铝基复合材料半连续铸棒。

[0062] 该复合材料的力学性能：样品上部：σb上＝230MPa，σ0.2上＝190MPa，δ上＝14％；

[0063] 样品下部：σb下＝210MPa，σ0.2下＝170MPa，δ下＝15％。

[0064] 实施例4：

[0065] 本实施例中颗粒增强复合材料的半连续制备方法，具体而言是制备直径为60mm的3％TiB2原位内生颗粒增强铝基复合材料铸棒。本实施例所使用的装置结构示意图如图1所
示。

[0066] 本实施例的方法包括如下步骤：

[0067] 将铝锭加入炉内，熔化后升温至900℃后将铝液除气与过滤后导入反应器，反应器内铝液高度为反应器的3/5；

[0068] 将质量比例为1:1的KBF4和K2TiF6，在150℃烘干时间10h，混料42h，300℃保温备用；

[0069] 将混合盐均匀抛洒在铝液表面；

[0070] 将反应器内铝液在850℃静置保温70min后，除去反应副产物；

[0071] 将复合材料熔体注入结晶器，同时进行超声波处理，超声频率为18kHz，功率为1kw；

[0072] 待熔体在石墨环处凝固后，引锭头以40mm/min速度下降，此时冷却水的水温为30℃，水压为0.2MPa，得到直径为60mm的3％TiB2铝基复合材料半连续铸棒。

[0073] 该复合材料的力学性能：样品上部：σb上＝220MPa，σ0.2上＝185MPa，δ上＝15％；

[0074] 样品下部：σb下＝270MPa，σ0.2下＝225MPa，δ下＝11％。

[0075] 实施例5：

[0076] 本实施例中颗粒增强复合材料的半连续制备方法，具体而言是制备直径为80mm的5％TiB2原位内生颗粒增强铝基复合材料铸棒。本实施例所使用的装置结构示意图如图1所
示。

[0077] 本实施例的方法包括如下步骤：

[0078] 将铝锭加入炉内，熔化后升温至1000℃后将铝液除气与过滤后导入反应器,反应器内铝液高度为反应器的1/2；

[0079] 将质量比例为1:1.2的KBF4和K2TiF6，在180℃烘干时间12h，混料48h，350℃保温备用；

[0080] 将混合盐均匀抛洒在铝液表面；

[0081] 将反应器内铝液在1100℃静置保温45min后，除去反应副产物；

[0082] 将复合材料熔体注入结晶器，同时进行超声波处理，超声频率为23kHz，功率为1.5kw；

[0083] 待熔体在石墨环处凝固后，引锭头以60mm/min速度下降，此时冷却水的水温为40℃，水压为0.3MPa，得到直径为80mm的5％TiB2铝基复合材料半连续铸棒。

[0084] 该复合材料的力学性能：σb上＝260MPa，σ0.2上＝210MPa，δ上＝12％；

[0085] σb下＝260MPa，σ0.2下＝210MPa，δ下＝12％。。

[0086] 综上所述，本发明主要通过将熔化的铝液除气过滤后置入反应器内，将所需的KBF4和K2TiF6称重、混合、烘干、搅拌后均匀的抛撒在铝液表面。由于TiB2密度远大于铝液，
混合盐反应生成的TiB2能够通过自由沉降获得所需的复合材料熔体，待反应完成后除去反
应副产物。超声处理可以使合金的晶粒分布更加均匀，而且也能起到细化晶粒的作用。最终
通过半连续铸造的方式得到原位颗粒增强铝基复合材料铸棒。本发明得到的原位颗粒增强
铝基复合材料中的强化相能够通过自由沉降均匀地分布在铝基体内部，避免了传统的机械
搅拌导致的气孔和夹渣。本发明的制备方法工艺简单，易于控制，可实现晶粒细小、颗粒分
布均匀的原位颗粒增强铝基复合材料，铸棒的SEM如附图3～7所示。制备所得的铝基复合材
料具有高的强度和刚度，可广泛应用于汽车、通讯、轨道交通、航空航天等领域。