一種熔鑄－原位合成α－Al的製作方法
2023-10-04 05:54:49
專利名稱：一種熔鑄－原位合成α－Al的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬基複合材料領域，特別是提供了一種熔鑄-原位合成α-Al2O3顆粒增強銅基複合材料的製備方法，可使基體合金的熔煉與增強相的生成同步進行，明顯縮短複合材料製備工藝流程、降低銅基複合材料的製造成本，可廣泛用於要求高強高導電的電子和電工技術等領域。
背景技術：
自20世紀八十年代中期開始，在應用和市場需求的推動下，金屬基複合材料的研究重點從連續纖維增強金屬基複合材料方面轉向了成本較低但具有廣泛工業應用前景的非連續纖維增強金屬基複合材料方面。近年來，原位反應合成金屬基複合材料(原位金屬基複合材料，in situ metal matrix composites，簡稱in situ MMCs)得到了迅速的發展。所謂原位合成金屬基複合材料，指的是通過物質間的化學反應(化合反應、氧化還原反應等)在金屬基體內(固態或液態)生成與基體不同的增強相，從而達到改善基體某些性能的目的。這種製備原位金屬基複合材料的方法是與外加複合方法相對應的。外加複合方法中的外加相需單獨合成，在隨後的工藝過程中加入到基體中，比如用滲透法，粉末冶金法等。而原位複合法中的增強相是在製備過程中於基體內生成的。一般而言，原位複合工藝可以產生多種形態的增強體(從連續的到非連續的增強體)，而且增強體既可以是塑性相也可以是陶瓷相。對於金屬基體而言，目前研究的重點主要是陶瓷增強相，包括氧化物、碳化物、氮化物、矽化物和硼化物等，目的是為了強化基體，提高模量。
最早的原位合成複合材料技術來源於高溫自蔓延合成技術(self-propagationhigh-temperature synthesis，SHS)。在SHS技術的啟發下，美國的Martin Marietta實驗室隨後開發了XDTM(Exothermic dispersion，XD)技術，Lanxide公司發明了DIMOXTM(Directed metal oxidation，DIMOX)技術。此後，各國紛紛開展了原位合成複合材料的研究。通過在複合材料製備的各個環節引入原位合成技術，並且大膽地將各種方法裁剪嫁接，導致各種新穎的方法相繼出現。
根據增強相形成時反應物的狀態不同，製備原位金屬基複合材料的方法通常可分為液態法和固態法兩大類。前者主要包括反應熱壓、反應燒結、SHS法和XDTM法等。後者主要包括DIMOXTM法、反應氣體注入法、合金液混合反應法、反應噴射沉積法、混合鹽反應法等。這些方法各有其優缺點。比如，SHS法具有如下優點(1)僅需一引燃熱源，反應就能自發地維持下去。因此該法耗能少，生產效率高；(2)在某些高放熱體系中，可以達到常規加熱方法達不到的高溫(3000～4000℃)，這對合成高溫材料十分有利。XDTM法的優點體現在(1)增強相顆粒在基體內分布均勻，顆粒與基體界面乾淨，結合很好；(2)增強相顆粒的體積分數可以通過原位反應參數加以調整；(3)增強相顆粒由於是通過高溫放熱反應生成的，因而在隨後的加工和高溫使用環境中都保持高度的穩定性。DIMOXTM法的優點在於(1)採用價廉量廣的鋁，氧化氣氛為空氣，加熱爐可選用普通電爐，因而成本低廉。(2)Al2O3是在壓坯中生長的，而壓坯的尺寸變化均在10％以下，因此幾乎不必進行後續加工；(3)可製成形狀複雜和較大型的複合材料部件；(4)調節工藝參數，使產品中保留一定量的Al，可以提高產品的韌性。然而，這些方法普遍存在的問題是反應生成所需增強相的同時會帶來不必要的副產物，它們容易在凝固過程中發生偏析而分布在晶粒邊界上，惡化材料的性能。
採用氧化物等廉價原材料獲得原位增強顆粒，有利於降低複合材料的製備成本。利用金屬氧化物被Al還原發生的放熱反應(鋁熱反應)製備Al2O3顆粒增強金屬基複合材料已經引起國內外研究者的重視。被研究的原位鋁熱反應中所用的氧化物包括Fe2O3、SiO2、ZnO、TiO2、Ni2O3、MnO2、CuO、SnO2等。
中國科學院固體物理所的陳剛、朱震剛等人(陳剛，朱震剛，孫國雄，金屬學報，34(5)(1998)531)研究了CuO和Al之間的反應機理，他們分別在空氣和純Al介質的條件下將CuO和Al粉混合物壓成坯，在不同溫度加熱10分鐘和30分鐘，結果發現反應存在著中間過渡產物Cu2O。
日本名古屋大學小橋真等人(小橋真，輕金屬，42(1992)138)，利用自由能高於Al2O3的一些氧化物，如CuO，SnO2，ZnO，Cr2O3等，將其中一種氧化物(MeO)攪拌到鋁合金熔液中，獲得了Al2O3/Al複合材料。
印度鑄鍛研究所的P.C.Maity等人(M.C.Maity，P.N.Chakraborty，S.C.Panigrahi，J.Mater.Sci.Letts，16(1997)1224)向鋁熔體中添加Fe2O3顆粒，生成的Al2O3顆粒尺寸在0.5-1μm。X射線衍射研究表明，Fe被置換出來以後形成了含Fe的金屬間化合物。
往金屬熔體中直接加入粉末雖然工藝簡單，但不足之處是增強體數量難以控制，尤其當粉末與金屬熔體潤溼性不良時更為嚴重。為了解決這一難題，本發明人採用將元素粉末預先壓製成塊，然後壓入金屬熔體之中，也製備出了原位複合材料(B.Yang，F.Wang，J.S.Zhang，Acta Materialia，2003，51(17)4977-4989，Bin Yang，Guoxiang Chen，Jishan Zhang，Materials Design 22(8)(2001)645)。這種利用粉末預製塊壓入金屬熔體之中，原位合成所需增強相的技術稱之為熔鑄-原位反應合成技術。
圖1示出的是發明人應用Al+CuO原位反應物獲得的5％Al2O3/Al-10Cu(wt.％)複合材料的微觀組織照片。可以看出，為了獲得5wt.％Al2O3體中帶來了約10wt.％的Cu。而且，為了進一步提高Al2O3顆粒的數量，將會有更多的Cu產出。它們以脆性網狀化合物的形式聚集在晶粒的邊界，這種組織極大地損害了複合材料的性能。為了減少、消除這種(些)不必要的過剩甚至是有害的元素，本發明將基體鋁或鋁合金換成銅，實現了預製塊在銅熔體中原位反應產生Al2O3增強相的同時對基體進行強化的目標。
發明內容
本發明的目的在於提供了一種原位α-Al2O3顆粒強化銅基複合材料的製備方法，可使基體合金的熔煉與增強相的生成同步進行，明顯縮短複合材料製備工藝流程、降低銅基複合材料的製造成本，可廣泛用於要求高強高導電的電子和電工技術等領域。
本發明的工藝過程包括製備預製塊和熔制銅基複合材料兩個階段。
1、預製塊的製備按反應式配比原材料。式中Al、CuO均為粉末狀，粒度範圍為10～100μm，純度大於96.0重量％。將Al、CuO原材料按化學計量比放入混料機中混合均勻，再將混合均勻的原料在10～30℃下壓製成型，壓力範圍為25～40MPa；2、熔制銅基複合材料將適量的純度大於99.0重量％的基體材料Cu放入中頻感應爐中加熱，加熱溫度為銅熔點以上50～150℃；再將佔熔體1～10重量％的預製塊壓入該熔體中，保溫1～30分鐘。澆入金屬型或砂型中成型，也可以利用擠壓等方法成型，獲得原位反應α-Al2O3顆粒增強銅基複合材料料。
本發明與目前普遍採用的原位合成金屬基複合材料技術相比具有如下顯著的優點1、增強顆粒利用率高，顆粒在合金基體中分布均勻。
2、工藝簡便，成本相對低廉，易於實現工業化。本發明可使基體合金的熔煉和顆粒的生成以及金屬基複合材料的製備同步進行，因而明顯縮短了複合材料的製備工藝流程、降低了材料的製備成本，易於實現工業化。
3、可反覆沿用鑄造合金中的精煉和變質處理技術，提高複合材料的綜合性能。我們已有的研究表明，熔鑄-原位合成Al2O3顆粒強化金屬基複合材料中的顆粒細小(平均直徑小於0.5μm)，顆粒不易隨基體合金中的氣泡上浮而帶至熔液表面，因而母合金熔體可反覆沿用鑄造合金中的精煉和變質處理技術，以提高複合材料的綜合性能。
圖1為本發明中的5(重量％)Al2O3/Al-10(重量％)Cu複合材料的組織掃描照片。
圖2為本發明中的原位α-Al2O3顆粒增強銅基複合材料的組織掃描照片。
具體實施例方式
實施例1製備3重量％Al2O3/銅複合材料。按Al∶CuO＝9∶35(重量％)的比例稱取純度分別為96％和98％，粒度為75μm的Al粉和CuO粉，將其混合均勻。在壓機上壓製成Φ20×30mm的圓柱形預製塊，壓制壓力為26MPa。將2公斤純銅放入中頻感應爐中熔化，並加熱至1160℃。用石墨鐘罩將0.16公斤的預製塊壓入銅液中，保溫15分鐘。熔體溫度1150℃時，澆入金屬型中，得到約3重量％Al2O3/銅複合材料。
實施例2製備6重量％Al2O3/銅複合材料。按Al∶CuO＝9∶39(重量％)的比例稱取純度分別為96％和98％，粒度為75μm的Al粉和CuO粉，將其混合均勻。在壓機上壓製成Φ20×30mm的圓柱形預製塊，壓制壓力為33MPa。將2公斤純銅放入中頻感應爐中熔化，並加熱至1170℃。用石墨鐘罩將0.32公斤的預製塊壓入銅液中，保溫20分鐘。熔體溫度1160℃時，澆入金屬型中，得到約6重量％Al2O3/銅複合材料。
實施例3製備9重量％Al2O3/銅複合材料。按Al∶CuO＝9∶37(重量％)的比例稱取純度分別為96％和98％，粒度為75μm的Al粉和CuO粉，將其混合均勻。在壓機上壓製成Φ20×30mm的圓柱形預製塊，壓制壓力為37MPa。將2公斤純銅放入中頻感應爐中熔化，並加熱至1200℃。用石墨鐘罩將0.48公斤的預製塊壓入銅液中，保溫25分鐘。熔體溫度1170℃時，澆入砂型中，得到約9重量％Al2O3/銅複合材料。
權利要求
1.一種熔鑄-原位合成α-Al2O3顆粒增強銅基複合材料的製備方法，其特徵在於工藝過程包括a、預製塊的製備按反應式配比原材料，式中Al、CuO均為粉末狀，粒度範圍為10～100μm，純度大於96.0重量％。將Al、CuO原材料按化學計量比放入混料機中混合均勻，再將混合均勻的原料在10～30℃下壓製成型，壓力範圍為25～40MPa；b、熔制銅基複合材料將純度大於99.0重量％的基體材料Cu放入中頻感應爐中加熱，加熱溫度為銅熔點以上50～150℃；再將佔熔體1～10重量％的預製塊壓入該熔體中，保溫1～30分鐘；澆入金屬型或砂型中，獲得原位反應α-Al2O3顆粒增強銅基複合材料料。
全文摘要
本發明提供了一種熔鑄－原位合成α－Al
文檔編號B22D23/04GK1782111SQ20051008672
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者崔華, 楊濱, 張濟山, 孫淼, 黃贊軍 申請人:北京科技大學