一种含二硼化钛和二硼化铌的铝基复合材料及其制备方法和柴油机活塞

摘要

本发明提供了一种含TiB2和NbB2的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将三铝化钛和二硼化铝混合，球磨，干燥，得到混合粉末；将所述混合粉末加入至铝熔体中，反应，除杂，静置；再加入铌粉，搅拌条件下进行反应，再次除杂，再次静置后浇注，得到含TiB2和NbB2的铝基复合材料锭坯；将所述含TiB2和NbB2的铝基复合材料锭坯进行淬火和时效处理，得到含TiB2和NbB2的铝基复合材料。该方法原位自生成，分阶段生成TiB2和NbB2两种化合物，作为铝基复合材料的复合增强体，使其具有较高的耐磨性和耐高温性；还具有较好的热稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种含TiB

背景技术

20世纪初，铝合金材料的密度小、热传导性好、较低的热膨胀系数等特点被人们认识，开始用来制造各种轻便零部件，广泛应用于汽车业、航天航空等领域。但铝合金材料高温强度低，强度、硬度有着自生极限，不能同时满足未来向高强度、耐腐蚀及耐高温的发展需要。

随着汽车、航空等行业的发展，促进了原位自生技术的发展。但该技术依然存在增强相均匀性差、杂质多、纯净度差、制备成品缺陷较多、强化效果不佳等的问题，进而制约了其发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含TiB

本发明提供了一种含TiB

将三铝化钛和二硼化铝混合，球磨，干燥，得到混合粉末；

将所述混合粉末加入至铝熔体中，反应，除杂，静置；再加入铌粉，搅拌条件下进行反应，再次除杂，再次静置后浇注，得到含TiB

将所述含TiB

上述方法简单、可靠、成本低、无污染，具有良好的工业应用前景。

在本发明中，所述铝熔体选自纯铝锭或铝合金；

所述铝合金的化学成分组成见表1：

表1铝合金的化学成分组成(wt％)

在本发明中，三铝化钛和二硼化铝的混合物在铝熔体中的反应式为：

AlB

在本发明中，所述三铝化钛和二硼化铝和铌按照以下反应式进行反应：

Nb+2AlB

在本发明中，所述TiB

在本发明中，所述淬火和失效处理具体为：

将所述含TiB

水淬后110～130min升温至195～205℃后保温280～320min，再55～65min升温至240～250℃后保温7.5～8.5h，冷却。

在本发明中，所述静置的温度为800～850℃；

所述再次静置的温度为760～780℃。

在本发明中，所述含TiB

在本发明中，所述含TiB

本发明提供了一种含TiB

本发明提供了一种柴油机活塞，制备原料包括上述技术方案所述的含TiB

本发明提供了一种含TiB

附图说明

图1为本发明实施例1制备的含2.5wt％TiB

图2为本发明实施例1制备的含2.5wt％TiB

图3为本发明实施例1制备的含TiB

图4为不同材料的磨损表面的SEM形貌图；

图5为含2.5wt％TiB

图6为实施例1制备的最终铝基复合材料的SEM图和金相组织图；

图7为本发明实施例2制备的含1wt％TiB

图8为本发明实施例2制备的含1wt％TiB

图9本发明实施例2制备的含1wt％TiB

图10为本发明实施例2制备的含1wt％TiB

图11为本发明实施例3制备的含4wt％TiB

图12为本发明实施例3制备的含4wt％TiB

图13为本发明实施例3制备的含4wt％TiB

图14为本发明实施例3制备的含4wt％TiB

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种含TiB

实施例1

原材料：铌粉(Nb)，分子量92.91，密度8.57g/cm

①将461gAl

②同时将10Kg基体合金放入石墨坩埚中加热至熔化后使用氩气对铝液表面进行保护，保温780℃～820℃；

表2基体合金的化学成分组成(wt％)

③然后将混合粉末加入到铝熔体中，用搅拌器以20Hz～30Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在800～850℃静置；

A1B

④将202g铌粉(Nb)原材料在150～250℃的环境下干燥3h；

⑤然后将铌粉(Nb)加入到③步骤铝熔体中，用搅拌器以20Hz～30Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在760～780℃静置一段时间后浇注，获得含TiB

Nb+2AlB

⑥将含TiB

淬火工艺：2h升温→480℃，1h保温→1h升温→500℃，3h保温+水淬；

时效工艺：2h升温→200℃，5h保温→1h升温→245℃，8h保温→炉冷。

图1为本发明实施例1制备的含2.5wt％TiB

图2为本发明实施例1制备的含2.5wt％TiB

由图1和图2可以看出：原位自生法得到的TiB

图3为本发明实施例1制备的含TiB

含TiB

表3铝基复合材料在350℃下的抗拉强度及延伸率

本发明对铝基复合材料的磨损性能进行测试，见表3：

表4不同材料的磨损性能测试结果

表4中，基体合金成分指表1所示；

NbB

TiB

图4为不同材料的磨损表面的SEM形貌图，外加载荷30N、滑动速度为350rpm；其中，(a)、(d)和(g)为NbB

本发明对含2.5wt％TiB

表5复合材料的线膨胀系数的测试结果

表6复合材料浇注成直径为150mm的活塞的体积稳定性测试结果

表7实施例1制备的复合材料的成分组成(wt％)

所述复合材料中，wt.％TiB

图5为含2.5wt％TiB

图6为最终铝基复合材料的金相组织图和金相组织图。

表8复合材料的性能测试结果

实施例2

①将184gAl

②同时将10Kg基体合金放入石墨坩埚中加热至熔化后使用氩气对铝液表面进行保护，保温780℃～820℃；

表9基体合金的化学成分组成(wt％)

③然后将混合粉末加入到铝熔体中，用搅拌器以20Hz～25Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在820～850℃静置；

AlB

④将81g铌粉(Nb)原材料在150～250℃的环境下干燥3h；

⑤然后将铌粉(Nb)加入到③步骤铝熔体中，用搅拌器以20Hz～25Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在770～790℃静置一段时间后浇注，获得含TiB

Nb+2AlB

⑥将含TiB

淬火工艺：2h升温→480℃，1h保温→1h升温→500℃，3h保温+水淬；

时效工艺：2h升温→200℃，5h保温→1h升温→245℃，5h保温→炉冷。

表10实施例2制备的复合材料的成分组成(wt％)

表11实施例2制备的复合材料的性能测试结果

实施例3

①将737gAl

②同时将10Kg基体合金放入石墨坩埚中加热至熔化后使用氩气对铝液表面进行保护，保温780℃～820℃；

表12基体合金的化学成分组成(wt％)

③然后将混合粉末加入到铝熔体中，用搅拌器以25Hz～30Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在800～830℃静置；

AlB

④将323g铌粉(Nb)原材料在150～250℃的环境下干燥3h；

⑤然后将铌粉(Nb)加入到③步骤铝熔体中，用搅拌器以25Hz～30Hz的速度搅拌，反应一个小时后，并对熔体进行搅拌除杂，清除反应完成后浮于熔体表面的残渣。铝熔体在750～770℃静置一段时间后浇注，获得含TiB

Nb+2AlB

⑥将含TiB

淬火工艺：2h升温→480℃，1h保温→1h升温→500℃，3h保温+水淬；

时效工艺：2h升温→215℃，5h保温→炉冷。

表13实施例3制备的复合材料的成分组成(wt％)

由以上实施例可知，本发明提供了一种含TiB

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。