一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法
【專利摘要】本發明一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法，涉及鋁基合金，是采用原位自生反應法和快速凝固技術制得薄帶狀CeB6/Al納米原位鋁基復合材料孕育劑的方法，步驟是：稱取所需用量的商購Al?2.8%B中間合金和商購Al?20.2%Ce中間合金，按Al?2.8%B中間合金:Al?20.2%Ce中間合金＝22:7的重量比進行配料；全部配料放入高真空感應熔煉爐的坩堝內進行熔煉，制得塊狀Al?B?Ce中間合金；快速凝固處理制得原位自生薄帶狀CeB6/Al納米原位鋁基復合材料孕育劑。該方法克服了現有技術中孕育劑中的增強顆粒不能在基體上彌散分布或彌散程度還不理想、顆粒在熔體中的聚集沉淀和顆粒尺寸大的缺陷。
【專利說明】
一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法
技術領域
[0001 ]本發明的技術方案涉及鋁基合金，具體地說是一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法。
【背景技術】
[0002]在鋁及鋁合金熔體中加入孕育劑是一種公認的，讓晶粒由柱狀晶到等軸晶轉變的方法之一。由于其良好的經濟性，孕育劑的加入量很少，一般加入基體的千分之幾到百分之幾。因此，在過去的幾十年中，這種方法在工業生產中得到大量應用。然而，這些孕育劑的制備都是通過傳統方法，如粉末冶金法、噴射成型法和各種鑄造技術等，然后將制備出的增強相，如SiC、B4C、Al203等顆粒加入處于熔融狀態或粉末狀態的基體材料中，這種方法加入的增強相被稱為外加的。外加法制備的孕育劑存在增強體顆粒尺寸粗大、熱力學不穩定、界面結合強度低等缺點。
[0003 ] CN201210 313 36 2.7公開了一種原位鋁基復合材料孕育劑的制備方法，所制備的孕育劑是AlN-TiN/Al孕育劑，采用的是等離子氮化處理的方法制備的，將中間步驟中所得Al-1OT1-1B合金放入石墨坩禍內，然后將一個中間有洞的石墨蓋子蓋在這個坩禍上面，由等離子噴槍產生等離子射流以等離子火焰形式噴出并通過上述石墨蓋子上的孔洞與在石墨坩禍內的Al-1OT1-1B合金接觸，此反應的生產效率很低，且每次反應必須把石墨坩禍打碎才可取出生成物。其中所用等離子噴槍的功率為21KW，電弧電壓為70V，電弧電流為300A，該方法成本高且能耗也高。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法，是采用原位自生反應法和快速凝固技術制得薄帶狀CeB6/Al納米原位鋁基復合材料孕育劑的方法，該方法克服了現有技術中孕育劑中的增強顆粒不能在基體上彌散分布或彌散程度還不理想、顆粒在熔體中的聚集沉淀和顆粒尺寸大的缺陷。
[0005]本發明解決該技術問題所采用的技術方案是:一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法，是采用原位自生反應法和快速凝固技術制得薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑的方法，步驟如下:
[0006]第一步，配料:
[0007]稱取所需用量的商購A1-2.8%B中間合金和商購Al-20.2%Ce中間合金，按Al-2.8 中間合金:Al-20.2 %Ce中間合金=22:7的重量比進行配料，上述百分數為重量百分數；
[0008]第二步，合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金:
[0009]將第一步稱取的全部配料放入MZG系列高真空感應熔煉爐的坩禍內進行熔煉，真空度為5 X 10—3Pa，將A1-2.8 % B中間合金和A1-20.2 % Ce中間合金加熱至熔化溫度1600K，保溫6分鐘，整個熔煉期間坩禍需要用循環水冷卻，由此合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金；
[0010]第三步，快速凝固處理制得原位自生鋁基復合材料孕育劑:
[0011]將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入LZK-12A型真空快淬爐內進行快速凝固處理，真空度為5 X 10—3Pa，在抽真空后通入氬氣保護，將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40m/s，其冷卻速率達14?107K/S，制備出寬為2?5毫米，厚為0.03?0.1毫米、長為5?30毫米的薄帶狀CeB6/Al鋁基復合材料孕育劑。
[0012]上述一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法，所涉及的原料和設備通過公知途徑獲得，操作工藝是本技術領域的技術人員能夠掌握的。
[0013]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明的突出的實質性特點如下:
[0014](I)本發明利用了原位自生方法生成孕育劑。所謂原位自生，是說增強體顆粒非外部加入，而是由基體組分間通過化學反應，在基體內原位生成一種或幾種增強相。
[0015](2)從理論上說CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑的生成原理是，根據Bramfit提出的晶格錯配度理論，當錯配度小于6%時，異質形核細化效果最好；當錯配度介于6%?12%時，形核顆粒的細化效果次之；當錯配度大于12%時，形核顆粒的細化效果很差。CeB6是一種很好的陰極發射材料，用在質譜儀和電子顯微鏡中，而在本發明中將其作為一種鋁的優秀的形核核心尚屬首次。CeB6為立方晶系，點陣常數a = 0.4141nm，其晶體結構與Al(面心立方，a = 0.4049nm)相近，晶體錯配度小于4%，因此可以作為α(ΑΙ)異質形核的有效的形核核心。
[0016]與現有技術相比，本發明的顯著進步如下:
[0017](I)與現有技術CN201210313362.7相比，本發明中采用的是用感應加熱低溫合成CeB6/Al孕育劑，加熱溫度1600K，制備中節能而且成本低廉，易實現大規模生產應用。另外，AlN-TiN/Al孕育劑的制備是通過鉬輪的旋轉達到細化增強顆粒尺寸的目的，鉬輪的冷卻速率小于104K/s，得到的增強相的尺寸為微米級，而本發明中所使用的真空快淬爐是銅輪，相比鉬輪有更快的冷卻速度和轉速，冷卻速率高達107K/s，因此可以極大的細化增強顆粒的尺寸且改善了在基體中的彌散程度，得到的增強相的尺寸為納米級。
[0018](2)本發明的鋁基復合材料孕育劑是通過原位自生反應生成的，與現有技術相比具有以下的優點:首先，原位生成技術對于增強顆粒的尺寸和分布是可控的，通過改變制備母合金的條件和快速凝固處理技術，可以獲得人們所期望得到的增強顆粒。其次，由于這些增強體CeB6是直接在基體上生成的，因此，①CeB6顆粒的表面干凈無污染且與基體潤濕性較好，這就使得增強體與基體之間具備了較好的界面結合性能;②無界面反應，熱穩定性好；③增強顆粒細小，可達到亞微米甚至納米級。
[0019](3)本發明方法是將Al-Ce中間合金和Al-B中間合金作為原料來制備薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑，采用了優于現有技術的原位合成方法在真空電弧爐內合成，直接在鋁基體上形成原位的CeB6增強顆粒，制備出塊狀的CeB6/Al復合材料。由于原位合成溫度低于CeB6的熔點，反應時間極短，防止了稀土元素Ce的揮發，節約了孕育劑材料的生產成本，因此本發明方法的效率極高且降低了生產成本。
[0020](4)本發明方法還采用真空快淬爐內進行快速凝固處理的方法，用真空電弧爐制備出鑄態合金后，利用型號為LZK-12A型真空快淬爐進行快速凝固處理，真空度為5X10—3Pa，在抽真空后通入氬氣保護。將中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40m/s，其冷卻速率為14?107K/S，由此制得的薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑中的形核粒子CeB6相的尺寸被極大地細化，這有利于獲得更多的形核核心，從而提尚細化效果。
[0021](5)本發明方法最終制得的原位鋁基復合材料孕育劑具有尺寸更為細小和分布更為彌散的形核粒子，其在鋁基復合材料中的原位增強顆粒在基體上彌散分布，克服了現有技術中的孕育劑顆粒不能在基體上彌散分布或彌散程度還不理想、顆粒在熔體中的聚集沉淀和顆粒尺寸大的缺陷。
【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0023]圖1(a)為電弧爐熔煉得到的塊狀孕育劑的X-射線衍射圖。
[0024]圖1(b)為薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑的X-射線衍射圖。
[OO25 ]圖2 (a)為塊狀CeB6/Al復合材料的掃描電子顯微鏡圖像。
[0026]圖2(b)為薄帶狀CeB6/Al復合材料的掃描電子顯微鏡圖像。
【具體實施方式】
[0027]圖1(a)所示實施例顯示了電弧爐熔煉得到的塊狀孕育劑的X-射線衍射圖。
[0028]圖1(b)所示實施例顯示了薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑的X-射線衍射圖。
[0029]從圖1(a)和圖1(b)可見，本發明方法制得的CeB6/Al納米原位鋁基復合材料孕育劑是由α(Α1)相和CeB6相組成，值得注意的是，快速凝固處理，并沒有讓孕育劑中產生其他無關相，相組成沒變化。由于原位合成溫度低于CeB6的熔點，反應時間極短，從這個角度來說，合成過程很節能，而且效率是很高的。
[0030]實施例1
[0031]第一步，配料:
[0032]稱取Ilg的商購Α1-2.8%Β中間合金和3.5g商購Al-20.2%Ce中間合金進行配料，上述百分數為重量百分數；
[0033]第二步，合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金:
[0034]將第一步稱取的全部配料放入MZG系列高真空感應熔煉爐的坩禍內進行熔煉，真空度為5 X 10—3Pa，將A1-2.8 % B中間合金和A1-20.2 % Ce中間合金加熱至熔化溫度1600K，保溫6分鐘，整個熔煉期間坩禍需要用循環水冷卻，由此合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金，將由此制備得到的塊狀合金用電火花切割機進行切割，切出長為lcm、寬為lcm、厚度0.5cm的樣品，將切割后的試樣分別在320#、400#、600#的水磨砂紙上進行磨制，然后用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，采用Philips X7 Pert 30型多功能X-射線儀(XRD)CuKa射線，鑒別孕育劑中所含相；
[0035]第三步，快速凝固處理制得原位自生鋁基復合材料孕育劑:
[0036]將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入LZK-12A型真空快淬爐內進行快速凝固處理，真空度為5 X 10—3Pa，在抽真空后通入氬氣保護，將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40m/s，其冷卻速率達107K/S，制備出寬為2毫米，厚為0.03毫米、長為5毫米的薄帶狀CeB6/Al鋁基復合材料孕育劑，將由此制備得的薄帶孕育劑用2000#SiC砂紙進行磨制，用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，采用Philips X7 Pert 30型多功能X-射線儀(XRD)CuKa射線，鑒別孕育劑中所含相。
[0037]圖2(a)為塊狀CeB6/Al復合材料的掃描電子顯微鏡圖像，圖2(b)為薄帶狀CeB6/Al復合材料的掃描電子顯微鏡圖像。其中暗黑色的為鋁基體，上面分布的為CeB6顆粒。從圖2(a)可以看出，大量增強顆粒在基體上團簇分布，尺寸大小不一，顆粒尺寸分布范圍在幾微米到幾十微米之間。從圖2(b)可以看出，其中CeB6顆粒在鋁基體中彌散分布，尺寸大小均一，且顆粒尺寸為50nm左右。
[0038]實施例2
[0039]第一步，配料:
[0040]稱取22g商購Al-2.8 中間合金和7g商購A1-20.2 % Ce中間合金進行配料，上述百分數為重量百分數；
[0041 ]第二步，合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金:
[0042]將第一步稱取的全部配料放入MZG系列高真空感應熔煉爐的坩禍內進行熔煉，真空度為5 X 10—3Pa，將A1-2.8 % B中間合金和A1-20.2 % Ce中間合金加熱至熔化溫度1600K，保溫6分鐘，整個熔煉期間坩禍需要用循環水冷卻，由此合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金，將制得的塊狀合金用電火花切割機進行切割，切出長為Icm，寬為I cm，厚度0.5cm的樣品，將切割后的試樣分別在320#、400#、600#、800#、1200#和2000#水磨砂紙上進行磨制，然后進行機械拋光處理，用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，使用S-4800型掃描電鏡對試樣的表面形貌進行觀察；
[0043]第三步，快速凝固處理制得原位自生鋁基復合材料孕育劑:
[0044]將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入LZK-12A型真空快淬爐內進行快速凝固處理，真空度為5 X 10—3Pa，在抽真空后通入氬氣保護，將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40m/s，其冷卻速率達104K/S，制備出寬為5毫米，厚為0.1毫米、長為30毫米的薄帶狀CeB6/Al招基復合材料孕育劑，將制得的薄帶孕育劑用1200#和2000#SiC砂紙進行磨制，用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，使用S-4800型掃描電鏡對試樣的表面形貌進行觀察。
[0045]實施例3
[0046]第一步，配料:
[0047]稱取44g商購A1_2.8%B中間合金和14g商購Al_20.2%Ce中間合金進行配料，上述百分數為重量百分數；
[0048]第二步，合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金:
[0049]將第一步稱取的全部配料放入MZG系列高真空感應熔煉爐的坩禍內進行熔煉，真空度為5 X 10—3Pa，將A1-2.8 % B中間合金和A1-20.2 % Ce中間合金加熱至熔化溫度1600K，保溫6分鐘，整個熔煉期間坩禍需要用循環水冷卻，由此合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金，將制得的塊狀合金用電火花切割機進行切割，切出長為Icm，寬為I cm，厚度0.5cm的樣品，將切割后的試樣分別在320#、400#、600#、800#、1200#和2000#水磨砂紙上進行磨制，然后進行機械拋光處理，用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，使用S-4800型掃描電鏡對試樣的表面形貌進行觀察；
[0050]第三步，快速凝固處理制得原位自生鋁基復合材料孕育劑:
[0051]將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入LZK-12A型真空快淬爐內進行快速凝固處理，真空度為5 X 10—3Pa，在抽真空后通入氬氣保護，將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40m/s，其冷卻速率達105K/S，制備出寬為3毫米，厚為0.06毫米、長為15毫米的薄帶狀CeB6/Al鋁基復合材料孕育劑，將制得的薄帶孕育劑用1200#和2000#SiC砂紙進行磨制，用酒精通過超聲震蕩洗去試樣表面雜質，使用S-4800型掃描電鏡對試樣的表面形貌進行觀察。
[0052]上述實施例中所涉及的原料和設備通過公知途徑獲得，操作工藝是本技術領域的技術人員能夠掌握的。
【主權項】
1.一種原位自生鋁基復合材料孕育劑的制備方法，其特征在于:是采用原位自生反應法和快速凝固技術制得薄帶狀CeB6/Al納米原位自生鋁基復合材料孕育劑的方法，步驟如下: 第一步，配料: 稱取所需用量的商購Al-2.8%B中間合金和商購Al-20.2%Ce中間合金，按A1-2.8%B中間合金:Al-20.2%Ce中間合金= 22:7的重量比進行配料，上述百分數為重量百分數； 第二步，合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金: 將第一步稱取的全部配料放入MZG系列高真空感應熔煉爐的坩禍內進行熔煉，真空度為5 X 10—3Pa,將A1-2.8%B中間合金和Al-20.2%Ce中間合金加熱至熔化溫度1600 K，保溫6分鐘，整個熔煉期間坩禍需要用循環水冷卻，由此合金熔煉制得塊狀Al-B-Ce中間合金； 第三步，快速凝固處理制得原位自生鋁基復合材料孕育劑: 將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入LZK-12A型真空快淬爐內進行快速凝固處理，真空度為5 X 10—3 Pa，在抽真空后通入氬氣保護，將第二步制得的塊狀Al-B-Ce中間合金放入銅坩禍中，通過移動極頭的火焰將坩禍內的中間合金熔化并吹入到高速旋轉的銅輪上，利用高的轉速達到極快的冷卻速度，銅輪的轉速為40 m/s，其冷卻速率達14?17 K/S，制備出寬為2?5毫米，厚為0.03?0.1毫米、長為5?30毫米的薄帶狀CeB6/Al鋁基復合材料孕育劑。
【文檔編號】C22C32/00GK105950921SQ201610368287
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】崔春翔, 劉水清, 王新, 趙立臣
【申請人】河北工業大學