一种基于超声及机械振动复合制备纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料的方法

摘要

一种基于超声及机械振动复合制备纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料的方法，首先将纳米氮化铝颗粒与铝粉末按质量比为1:1～2:3混合60～70rpm球磨50～60h；将混合粉末放入坩锅内加热至660～670℃；空冷、碾碎，过筛；将铝合金放入坩锅内熔化，700～750℃时，按纳米氮化铝颗粒的加入量为铝合金熔体的1～4wt.%的量，将上述过筛后的混合粉末5～10min加入到铝合金熔体中，同时引入20KHz、1～3KW高能超声，之后继续超声5～10min；将熔体温度5～15℃/min降至合金半固态温度区间，并施加机械振动处理，功率1.5KW、频率400～600Hz及振幅0.5～1.5mm。本发明得到的铝基纳米复合材料组织中初生ɑ-Al相细小且分布均匀，纳米氮化铝颗粒分布均匀，无团聚现象，工艺成本低、简单；安全可靠；操作方便。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，特别涉及铝基复合材料半固态浆料的制备方法。

背景技术

半固态合金在成形过程中充型平稳，产生的热应力低，缩孔、缩松缺陷少，净近成形。颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高、高耐磨性、高的减振性等许多优点。氮化铝颗粒因其具有良好的物理化学，机械及热性能，是理想的增强相，为广大学者所关注。微米颗粒可以改善基体的屈服强度及极限抗压强度，但使基体的延展性变差。纳米颗粒能在保持较低含量下明显提高基体的弹性模量、屈服强度、抗磨性及高温蠕变性，因而逐渐受到重视。大量研究发现纳米陶瓷颗粒与铝合金熔体的润湿性差，且在熔体中的状态不稳定。而通过传统的工艺制备纳米复合材料存在纳米颗粒易团聚、含量不高、工艺复杂、成型受限等问题使得铝基纳米复合材料的性能提高的潜力受到很大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米氮化铝颗粒增强铝基复合材料半固态浆料的制备方法

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的制备方法为：首先将纳米氮化铝颗粒与铝粉末混合进行球磨50～60h，其中纳米氮化铝颗粒与铝粉末的质量比为1:1～2:3，球磨速度为60～70rpm；将混合粉末放入坩锅内加热，温度控制在660～670℃；空冷、碾碎，过筛，其中网孔尺寸为1000～850μm；将铝合金放入坩锅内加热、熔化，在温度700～750℃时，按纳米氮化铝颗粒的加入量为铝合金熔体的1～4wt.%的量，将上述过筛后的混合粉末加入到铝合金熔体中，加入时间为5～10min，在加入过程中引入高能超声到铝合金熔体中，超声频率20KHz、功率1～3KW，之后继续超声处理5～10min；将熔体温度降至合金半固态温度区间，降温速率为5～15℃/min，此过程施加机械振动处理，振动功率1.5KW、频率400～600Hz及振幅0.5～1.5mm；即可获得纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料。

纯铝颗粒塑性较好，容易被陶瓷颗粒压入。低能球磨尽可能很好地分散颗粒又可以避免有害的化学反应。熔体表面张力的作用可以使小颗粒很难加入而大颗粒因其自身重力可以很容易克服这种抗力。超声对熔体产生的空化、声流对颗粒的润湿及分散有很大的促进作用。机械振动产生的正弦波能够在介质传播，且有强烈冲击力产生。

本发明所述的纳米氮化铝及铝的颗粒尺寸优选纳米氮化铝30～100nm，铝58～75μm。

本发明得到的铝基纳米复合材料组织中初生ɑ-Al相细小且分布均匀，纳米氮化铝颗粒分布均匀，无团聚现象。此工艺成本低、简单；安全可靠；操作方便。

附图说明

图1为本发明制备制备的半固态A356铝基纳米复合材料浆料的显微组织。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

首先将纳米氮化铝颗粒与铝粉末混合进行球磨60h，其中纳米氮化铝颗粒与铝粉末的质量比为2:3，球磨速度为70rpm；将混合粉末放入坩锅内加热，温度控制在660℃；空冷、碾碎，过筛，其中网孔尺寸为850μm；将7075铝合金放入坩锅内加热、熔化，在温度700℃时，按纳米氮化铝颗粒的加入量为铝合金熔体的1wt.%的量，将上述过筛后的混合粉末加入到7075铝合金熔体中，加入时间为5min，在加入过程中引入高能超声到铝合金熔体中，超声频率20KHz、功率1KW，之后继续超声处理5min；将熔体温度降至635℃，降温速率为5℃/min，此过程施加机械振动处理，振动功率1.5KW、频率400Hz及振幅0.5mm；即可获得纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料。

实施例2。

首先将纳米氮化铝颗粒与铝粉末混合进行球磨50h，其中纳米氮化铝颗粒与铝粉末的质量比为1:1，球磨速度为60rpm；将混合粉末放入坩锅内加热，温度控制在670℃；空冷、碾碎，过筛，其中网孔尺寸为1000μm；将6063铝合金放入坩锅内加热、熔化，在温度750℃时，按纳米氮化铝颗粒的加入量为铝合金熔体的2wt.%的量，将上述过筛后的混合粉末加入到6063铝合金熔体中，加入时间为10min，在加入过程中引入高能超声到铝合金熔体中，超声频率20KHz、功率2KW，之后继续超声处理5min；将熔体温度降至652℃，降温速率为10℃/min，此过程施加机械振动处理，振动功率1.5KW、频率500Hz及振幅0.5mm；即可获得纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料。

实施例3。

首先将纳米氮化铝颗粒与铝粉末混合进行球磨60h，其中纳米氮化铝颗粒与铝粉末的质量比为1:1，球磨速度为70rpm；将混合粉末放入坩锅内加热，温度控制在660℃；空冷、碾碎，过筛，其中网孔尺寸为850μm；将A356铝合金放入坩锅内加热、熔化，在温度700℃时，按纳米氮化铝颗粒的加入量为铝合金熔体的1wt.%的量，将上述过筛后的混合粉末加入到A356铝合金熔体中，加入时间为5min，在加入过程中引入高能超声到铝合金熔体中，超声频率20KHz、功率1KW，之后继续超声处理5min；将熔体温度降至605℃，降温速率为15℃/min，此过程施加机械振动处理，振动功率1.5KW、频率600Hz及振幅1.5mm；即可获得纳米氮化铝增强铝基复合材料半固态浆料。

附图1为实施例3条件下获得的的半固态A356铝基纳米复合材料浆料的组织，图中可见，所获得的铝基复合材料组织中没有粗大的树枝初生晶出现，初生ɑ-Al相被超声空化效应及机械振动产生的强大冲击力击碎，明显细化。超声空化及声流作用使得纳米氮化铝粉末在熔体中均匀分布。