一种六硼化镧增强铝硅基复合材料及其制备方法

摘要

本发明属金属材料领域，涉及一种六硼化镧增强铝硅基复合材料及其制备方法。该复合材料由基体合金和增强相组成，其特征是基体合金中含有弥散分布的六硼化镧增强相；复合材料中各组分的质量百分比为硅5.00-20.00％，镧0.68-6.82％，硼0.32-3.18％，其余为铝。其制备方法如下：首先将工业纯铝、工业结晶硅及铝-硼合金按一定的质量比置于熔炼炉中熔化并升温至800-1200℃，保温5-10分钟后向该熔体中加入适量的工业纯镧，原位反应10-15分钟后精炼、浇注，即可得到六硼化镧颗粒增强铝硅基复合材料。本发明在大气条件下，采用普通的熔炼工艺即可实现，无污染、成本低、工艺简单、生产效率高，适合规模化生产和应用。

说明书

技术领域

本发明属金属材料领域，特别涉及一种利用六硼化镧增强的铝硅基复合材 料及其制备方法。

背景技术

铝硅合金因其具有优良的铸造性能，如收缩率小、流动性高、气密性好和热 裂倾向小等，经过变质处理后，还具有良好的力学性能、物理性能和切削加工性 能，因而在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用。但节能减排的需要推动 着该铝合金材料向高比强度、高比刚度、耐高温、抗疲劳等方向发展。颗粒增强 金属基复合材料能够综合基体合金和增强相的优点，提高材料的使用性能，从而 在很大程度上解决了材料当前面临的问题。

目前国内外针对颗粒增强铝硅基复合材料的研究已有较多报道，如文献 [Banqiu Wu，Ramana G.Reddy.In-situ formation of SiC-reinforced Al-Si alloy  composites using Methane gas mixtures.Metallurgical and Materials Transaction B. 2002，33(4)：543-550]报道了一种碳化硅颗粒增强铝硅基复合材料及其制备方法， 但此工艺极其复杂，反应过程难以控制，不利于大规模生产；专利号为99114272.1 的中国专利报道了一种碳化钛增强耐磨铝合金及其制备工艺，但TiC颗粒在含硅 铝熔体中极不稳定，易分解为Al₄C₃，从而影响了其对基体合金的强化效果；文 献[Yanfeng Han，Xiangfa Liu，Xiufang Bian.In-situ TiB2particulate reinforced near  eutectic Al-Si alloy composites.Composites：Part A 2002，33：439-444]报道了一种 TiB₂颗粒增强铝硅基复合材料及其制备方法，合金中TiB₂粒子有较严重的聚集 倾向，这制约了其在工业生产中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种组织均匀、性能优良 的六硼化镧增强铝硅基复合材料，并提供一种工艺简单、环境友好、成本低、适 合工业化生产的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种六硼化镧增强铝硅基复合材料，由基体合金和增强相组成，其特征是增 强相为六硼化镧，复合材料中各组分的质量百分比为硅5.00-20.00％，镧 0.68-6.82％，硼0.32-3.18％，其余为铝。

上述六硼化镧增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

(1)按以下质量百分比准备好所需原料：5.00％-20.00％的工业结晶硅， 10.67％-63.60％的铝-硼合金，0.68％-6.82％的工业纯镧，其余为工业纯 铝；其中，铝-硼合金中的硼质量百分含量为0.50-5.00％；

(2)将工业纯铝、工业结晶硅及铝-硼合金置于熔炼炉中熔化并升温至 800-1200℃，保温5-10分钟；

(3)向该熔体中加入工业纯镧，原位反应10-15分钟后精炼、浇注，即可得 到六硼化镧颗粒增强铝硅基复合材料。

上述六硼化镧增强铝硅基复合材料的制备方法，其特征是步骤(3)中向熔 体中加入工业纯镧后，熔体中熔解的硼和镧原位反应生成六硼化镧颗粒。

六硼化镧具有高熔点、高强度、耐磨以及良好的热稳定性和化学稳定性等优 点，是铝硅基复合材料的理想增强相。同时，它与铝具有相似的晶体结构以及低 的晶格错配度，使得其对α-Al具有一定的细化作用。若将其作为铝硅合金的增 强相，则不仅能强化基体合金，还能对合金中的α-Al起到细化作用。此外，六 硼化镧在铝熔体中的形貌和尺寸是可调控的，这为其在铝硅基复合材料中的应用 进一步提供了条件。

利用本发明方法制备的六硼化镧颗粒增强铝硅基复合材料中，六硼化镧颗粒 是经原位反应直接生成，表面洁净、无污染，与基体界面结合好，且能够在基体 合金中弥散分布。粒子尺寸为1-6微米，形貌为规则的立方体。同时，由于六硼 化镧与铝具有相似的晶体结构以及低的晶格错配度。因此，生成的六硼化镧颗粒 不仅能够强化铝硅合金基体，还对α-Al有一定的细化作用。本发明在大气条件 下，采用普通的熔炼工艺即可实现，无污染、成本低、工艺简单、生产效率高， 因而特别适合规模化生产和应用。另外，通过组织优化、合金化和变质细化等方 法，可得到力学性能更加优异的六硼化镧颗粒增强铝硅合金基复合材料。

具体实施方式

下面给出本发明的三个最佳实例。

实施例1

(1)按以下质量百分比准备好所需原料：60.96％的工业纯铝、5.00％的工业结 晶硅、32.00％的铝-硼合金、2.04％的工业纯镧；其中，铝-硼合金合金中 硼的质量百分含量为3.00％。

(2)将工业纯铝、工业结晶硅及铝-硼合金置于熔炼炉中熔化并升温至800℃， 保温5分钟。

(3)向熔体中加入工业纯镧，原位反应10分钟后精炼、浇注，即可得到六硼 化镧颗粒增强的铝硅基复合材料。

用该方法制备的复合材料成分为：Al-5％Si-3％LaB₆。

实施例2

(1)按以下质量百分比准备好所需原料：14.58％的工业纯铝、13.00％的工业 结晶硅、65.60％的铝-硼合金、6.82％的工业纯镧；其中，铝-硼合金合金 中硼的质量百分含量为5.00％；

(2)将工业纯铝、工业结晶硅及铝-硼合金置于熔炼炉中熔化并升温至1000 ℃，保温10分钟；

(3)向熔体中加入工业纯镧，原位反应15分钟后精炼、浇注，即可得到六硼 化镧颗粒增强的铝硅基复合材料。

用该方法制备的复合材料成分为：Al-13％Si-10％LaB₆。

实施例3

(1)按以下质量百分比准备好所需原料：36.84％的工业纯铝、20.00％的工业 结晶硅、39.75％的铝-硼合金、3.41％的工业纯镧；其中，铝-硼合金合金 中硼的质量百分含量为4.00％；

(2)将工业纯铝、工业结晶硅及铝-硼合金置于熔炼炉中熔化并升温至1200 ℃，保温5分钟；

(3)向熔体中加入工业纯镧，原位反应10分钟后精炼、浇注，即可得到六硼 化镧颗粒增强的铝硅基复合材料。

用该方法制备的复合材料成分为：Al-20％Si-5％LaB₆。