本發(fā)明涉及一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，以及制備的納米金屬間化合物顆粒應用于增強鋁基復合材料的方法，屬于鋁基復合材料制備和金屬熔煉加工技術領域。

背景技術：

目前，顆粒增強金屬基復合材料的制備工藝和方法主要是粉末冶金法、擠壓鑄造法、噴射沉積法、熔體浸滲法、原位反應法和攪拌鑄造法。粉末冶金法是把增強顆粒與微細純凈的金屬粉末進行機械混合以后，在模具中壓制，然后加熱進行燒結(jié)，使增強相與金屬基體聚集成一體，制成增強顆粒/金屬復合材料的方法。攪拌鑄造法使通過機械攪拌把增強顆粒加入到金屬熔體中，并使之在金屬基體中分散均勻的方法。攪拌鑄造法設備簡單，生產(chǎn)效率高，但由于增強體和鋁熔體之間潤濕性差，攪拌并不能改善增強體和鋁熔體之間的潤濕性，故鑄件氣孔較多，顆粒分布不均勻，容易形成偏聚。原位自生反應顆粒在基體內(nèi)部原位合成，基體界面結(jié)合好且界面干凈；可獲得不同種類、不同數(shù)量的原位增強顆粒，增強顆粒的原位合成同鑄造結(jié)合起來工藝簡便、成本低，但該方法存在著所制備的復合材料質(zhì)量分數(shù)不高。

經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枺?00910239051.9，公開日為2011.06.29，發(fā)明名稱為鋁基復合材料的制備方法的專利采用將納米陶瓷顆粒加入到半固態(tài)鋁基金屬熔體中攪拌后升溫到液態(tài)得到液態(tài)的混合漿料，再采用超聲處理后澆注得到鋁基復合材料。專利一種富鋁金屬間化合物增強鋁基復合材料制備方法（CN201310730267.1），將球磨后的復合金屬粉末直接加入或轉(zhuǎn)化為金屬間化合物顆粒后直接加入鋁合金熔體中，能夠得到界面良好、力學性能優(yōu)良的鋁基復合材料。由于金屬粉末經(jīng)球磨后表面不可避免地存在氧化膜，影響復合粉末與熔體之間的潤濕性，專利：一種金屬間化合物顆粒Al₃-M增強鋁基復合材料的制備方法（ZL201310730115.1）提出一種采用球磨工藝制備亞微米級的富鋁金屬間化合物Al₃M顆粒增強鋁基復合材料制備方法，該方法采用分步先行提高鋁熔體中鎂濃度添加金屬間化合物顆粒的方法非常好的解決了金屬間化合物增強顆粒與金屬液不浸潤的問題，在常規(guī)熔煉溫度下制備的發(fā)動機箱體用復合材料具有良好界面和力學性能。由于鋁粉和金屬M的粉末都是本質(zhì)塑性，在球磨過程中先會產(chǎn)生裂紋，然后會破碎，隨著球磨時間的延長將會持續(xù)冷焊，粉末厚度變薄，粉末形態(tài)變?yōu)楸∑瑺睿矫婷娣e變大，通常會加入硬脂酸，以利于減少冷焊，防止粉與粉，粉與球的粘連，但不會阻止粉末的薄片化趨勢。因此，塑性金屬粉末通過球磨很難獲得顆粒均勻納米尺寸的顆粒。且復合后的兩種金屬粉末僅球磨之后加入熔體之中，實際是在溶體的高溫作用下反應生成增強顆粒，即納米級的粉末會在反應過程中繼續(xù)長大，最終得到的鋁基復合材料的增強顆粒也就不再是納米尺度的，而是亞微米尺度或微米尺度的，將復合粉球磨成納米尺度也就沒有實際意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術的不足，所要解決的技術問題是提供一種制備納米金屬間化合物顆粒增強鋁基復合材料的制備方法,重點是如何制備納米尺度的金屬間化合物顆粒。

解決問題的基本方案是：通過對球磨之后的粉末進行熱處理使之生成脆性的Al₃M金屬間化合物，然后繼續(xù)球磨使其尺寸進一步減小至納米尺度；再添加分散劑分散加入熔體中制備鋁基復合材料。

具體的，本發(fā)明所采用的技術方案為：一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁粉和金屬M粉按摩爾比3：1配制成復合粉，在真空條件下球磨，球磨轉(zhuǎn)速300-500r/min，球磨時間10-20h，球料比10-20:1；

（2）球磨好的復合粉在真空爐中400-550℃下熱處理0.5-2h，使復合粉末反應生成脆性金屬間化合物Al₃M，后隨爐冷卻；

（3）將經(jīng)步驟（2）熱處理后的金屬間化合物在氬氣保護條件下進一步球磨使其達到納米尺度，球磨轉(zhuǎn)速300-500r/min，球磨時間10-20h，球料比10-20:1，得到納米金屬間化合物顆粒。

本發(fā)明中所述的金屬M，M為鈦、鋯、鐵、鈧或鉺中的一種。

之前已經(jīng)解釋過鋁粉和金屬M粉都屬于塑性金屬粉，想要獲得納米尺度的顆粒，不僅球磨難度大（需要高的球料比和更長的球磨時間，以及硬脂酸等助劑），而且即便獲得納米尺度的顆粒，也難以保證尺度的均勻性。因此，一般要得到納米鋁粉是不會采用單純的機械球磨的，通常是采用蒸發(fā)冷凝、機械化學、激光剝蝕等方法。

按照本發(fā)明的方法制備的納米金屬間化合物顆粒，可以用作鋁基復合材料的增強體，其中鋁及復合材料的基體可以使鋁，也可以是鋁合金。

具體制備鋁基復合材料的方法，可以按照以下步驟：

（1）將納米金屬間化合物顆粒與基體材料按質(zhì)量比1:1-4配料，采用球磨方式進行混合，使納米金屬間化合物顆粒在基體材料中均勻分散，得到復合粉末；所述基體材料為鋁粉或鋁合金粉末。

本步驟中球磨的目的是將納米金屬間化合物顆粒預先分散在基體材料中，再加入基體熔體中，才能分散的更加均勻；球磨的條件可以根據(jù)實驗自行確定，或者按照以下條件：球磨轉(zhuǎn)速50~100r/min，球磨時間5-10h，球料比5:1~10:1。

其中步驟（1）所使用的鋁合金粉末的材質(zhì)應當與下一步的基體溶體的材質(zhì)相同。

（2）將步驟（1）得到的復合粉末以粉狀或塊狀的形式加入過熱到800-850℃的基體熔體中，邊加邊攪拌，共計攪拌10-30min；

（3）最終經(jīng)精煉、靜置后調(diào)整溫度至澆注溫度690-710℃，鑄造得到金屬間化合物Al₃-M顆粒增強的鋁基復合材料。

本發(fā)明中，基體選用的鋁合金可以是鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中分散納米金屬間化合物顆粒的基體材料為與要制備的復合材料基體同材質(zhì)的合金粉末。

根據(jù)本發(fā)明的方法制備的顆粒增強鋁基復合材料，所述金屬間化合物Al₃-M顆粒的尺寸≤100nm，能夠有效地阻礙位錯運動，起到強化作用。

本發(fā)明中所述的復合材料基體合金粉末指的是，當所要制備的鋁基復合材料的基體為鋁合金時，與所要制備的鋁基復合材料的基體相同材料。

與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明具有以下有益效果。

獲得的增強體金屬間化合物顆粒尺寸更加均勻，且尺寸≤100nm；基體中增強顆粒分散更加均勻，使增強顆粒更容易進入熔體，在制備高體積分數(shù)的金屬間化合物顆粒增強金屬基復合材料方面，具有非常大的優(yōu)勢。制備的納米尺度的金屬間化合物顆粒直接加入熔體中，避免了復合粉直接添加反應造成的顆粒長大的問題，保證復合材料的增強體的粒度問納米級別。

采用本發(fā)明的方法可以較靈活地改變金屬間化合物與基體的配比，金屬件化合物的含量可以在至少0.5-5wt%的范圍內(nèi)變化，制得較高體積分數(shù)的Al₃-M金屬間化合物-金屬基復合材料，而且提高了Al₃-M金屬間化合物在金屬基體中的分散程度。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1

一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁粉和金屬M粉按摩爾比3：1配制成復合粉，在真空條件下球磨，球磨轉(zhuǎn)速500r/min，球磨時間20h，球料比10:1；

（2）球磨好的復合粉在真空爐中400℃下熱處理1.5h，使復合粉末反應生成脆性金屬間化合物Al₃M，后隨爐冷卻；

（3）將經(jīng)步驟（2）熱處理后的金屬間化合物在氬氣保護條件下進一步球磨使其達到納米尺度，球磨轉(zhuǎn)速350r/min，球磨時間15h，球料比16:1，得到納米金屬間化合物顆粒。

實施例2

一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁粉和金屬M粉按摩爾比3：1配制成復合粉，在真空條件下球磨，球磨轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間14h，球料比15:1；

（2）球磨好的復合粉在真空爐中450℃下熱處理2h，使復合粉末反應生成脆性金屬間化合物Al₃M，后隨爐冷卻；

（3）將經(jīng)步驟（2）熱處理后的金屬間化合物在氬氣保護條件下進一步球磨使其達到納米尺度，球磨轉(zhuǎn)速500r/min，球磨時間18h，球料比15:1，得到納米金屬間化合物顆粒。

實施例3

一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁粉和金屬M粉按摩爾比3：1配制成復合粉，在真空條件下球磨，球磨轉(zhuǎn)速450r/min，球磨時間10h，球料比20:1；

（2）球磨好的復合粉在真空爐中500℃下熱處理1h，使復合粉末反應生成脆性金屬間化合物Al₃M，后隨爐冷卻；

（3）將經(jīng)步驟（2）熱處理后的金屬間化合物在氬氣保護條件下進一步球磨使其達到納米尺度，球磨轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間20h，球料比10:1，得到納米金屬間化合物顆粒。

實施例4

一種制備納米金屬間化合物顆粒的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁粉和金屬M粉按摩爾比3：1配制成復合粉，在真空條件下球磨，球磨轉(zhuǎn)速380r/min，球磨時間15h，球料比10-20:1；

（2）球磨好的復合粉在真空爐中550℃下熱處理0.5h，使復合粉末反應生成脆性金屬間化合物Al₃M，后隨爐冷卻；

（3）將經(jīng)步驟（2）熱處理后的金屬間化合物在氬氣保護條件下進一步球磨使其達到納米尺度，球磨轉(zhuǎn)速400r/min，球磨時間10h，球料比20:1，得到納米金屬間化合物顆粒。

實施例5

制備鋁基復合材料的方法，可以按照以下步驟：

（1）將實施例1制備的納米金屬間化合物顆粒與鋁粉按質(zhì)量比1:1配料，采用球磨方式進行混合，使納米金屬間化合物顆粒在基體材料中均勻分散，得到復合粉末；

（2）將步驟（1）得到的復合粉末以粉狀或塊狀的形式加入過熱到800℃的基體熔體中，邊加邊攪拌，共計攪拌20min；

（3）最終經(jīng)精煉、靜置后調(diào)整溫度至澆注溫度690-710℃，鑄造得到金屬間化合物Al₃-M顆粒增強的鋁基復合材料。

實施例6

制備鋁基復合材料的方法，可以按照以下步驟：

（1）將實施例2制備的納米金屬間化合物顆粒與鋁硅合金粉末按質(zhì)量比1:2配料，采用球磨方式進行混合，使納米金屬間化合物顆粒在基體材料中均勻分散，得到復合粉末；

球磨轉(zhuǎn)速50~100r/min，球磨時間5-10h，球料比8:1；

（2）將步驟（1）得到的復合粉末以粉狀或塊狀的形式加入過熱到850℃的基體熔體中，邊加邊攪拌，共計攪拌25min；

（3）最終經(jīng)精煉、靜置后調(diào)整溫度至澆注溫度690-710℃，鑄造得到金屬間化合物Al₃-M顆粒增強的鋁基復合材料。

實施例7

制備鋁基復合材料的方法，可以按照以下步驟：

（1）將實施例3制備的納米金屬間化合物顆粒與鋁銅合金粉末按質(zhì)量比1:3配料，采用球磨方式進行混合，使納米金屬間化合物顆粒在基體材料中均勻分散，得到復合粉末；

球磨轉(zhuǎn)速50~100r/min，球磨時間5-10h，球料比10:1；

（2）將步驟（1）得到的復合粉末以粉狀或塊狀的形式加入過熱到833℃的基體熔體中，邊加邊攪拌，共計攪拌30min；

（3）最終經(jīng)精煉、靜置后調(diào)整溫度至澆注溫度690-710℃，鑄造得到金屬間化合物Al₃-M顆粒增強的鋁基復合材料。

實施例8

制備鋁基復合材料的方法，可以按照以下步驟：

（1）將實施例4制備的納米金屬間化合物顆粒與鋁鎂合金粉末按質(zhì)量比1: 4配料，采用球磨方式進行混合，使納米金屬間化合物顆粒在基體材料中均勻分散，得到復合粉末；

球磨轉(zhuǎn)速50~100r/min，球磨時間5-10h，球料比5:1；

（2）將步驟（1）得到的復合粉末以粉狀或塊狀的形式加入過熱到840℃的基體熔體中，邊加邊攪拌，共計攪拌10min；

（3）最終經(jīng)精煉、靜置后調(diào)整溫度至澆注溫度690-710℃，鑄造得到金屬間化合物Al₃-M顆粒增強的鋁基復合材料。

本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的精神或主要特征的具體形式來概述。因此，無論從哪一點來看，本發(fā)明的上述實施方案都只能認為是對本發(fā)明的說明而不能限制發(fā)明，權利要求書指出了本發(fā)明的范圍，而上述的說明并未指出本發(fā)明的范圍，因此，在與本發(fā)明的權利要求書相當?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何變化，都應認為是包括在權利要求書的范圍內(nèi)。