專利名稱：原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬基復合材料的制備技術領域，即采用原位合成顆粒增強鋁基復合材料或其漿料與鋅或鋅合金液體混合制備原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法。
背景技術：
近年來，由于鋅鋁合金優異的性能/價格比，國內外學者對鋅鋁合金開展了大量的研究工作，其研究范圍非常廣泛，不斷取得新的進展，其中一個重要的方面就是鋅基復合材料的開發應用。目前開發應用的鋅基復合材料多為外加顆粒增強鋅基復合材料，主要采用熔體攪拌法制備(如《鑄造》2003年第4期的《高能超聲作用下SiCp/ZA27復合材料的制備及性能》)。但是采用熔體攪拌法制備金屬基復合材料的過程中，由于陶瓷增強顆粒與液態金屬的潤濕性差，使得小尺寸、高含量增強體在熔體中彌散困難，分布不均；復合過程通常還伴隨著有害化學反應的發生，使材料沖擊韌性下降。針對這些情況，已開發出不少復合工藝，如利用比較成熟的粉末冶金法、機械合金化法等獲得了界面反應不嚴重、增強體含量較高，能均勻分布的金屬基復合材料，但缺點是成本較高，而且對于鋅合金適用性也比較差。為此，尋求一種能顯著改善顆粒/熔體潤濕性、促進顆粒在熔體中均勻分散，工藝簡便、成本低廉的鋅基復合材料制備方法非常必要。
施忠良(Zhong-liang Shi)等人(見Structure control of in-situ silicon particle reinforcedZn-27Al composite materials.Journal of Materials Processing Technology，1997417-420)提出采用過共晶Al-Si合金半固態漿料與Zn-Al合金熔體混合的方法原位制備鋅基復合材料，獲得了硅顆粒分布良好的鋅基復合材料。但是該方法本身有其局限性，生成的顆粒只能是硅顆粒，而且體積分數也受到了極大的限制。因此，如何利用原位生成復合材料增強顆粒/熔體界面潤濕好的優點，同時拓寬所生成的增強顆粒的類型，并有效控制增強顆粒的體積分數，就成了開發新型鋅基復合材料及其制備技術的關鍵。

發明內容
本發明的目的是提出一種原位顆粒增強鋅基復合材料的制備技術，即采用原位合成顆粒增強鋁基復合材料或其漿料與鋅或鋅合金液體混合制備原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法。
具體而言為首先采用熔體反應方法制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將鋅或鋅鋁合金熔化。將鋅熔化時，根據要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中所要求的增強顆粒體積分數、該鋅基復合材料基體合金中鋁的質量百分含量以及已制備出的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料中增強顆粒的體積分數，確定在鋅熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料的量；而熔化鋅鋁合金時，還要同時考慮鋅鋁合金中鋁的質量百分含量，從而確定在鋅鋁合金熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料的量。將定量出的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料加入到鋅或鋅鋁合金熔體中，緩慢攪拌，以不引起合金熔體劇烈翻騰為限，制備出原位顆粒增強鋅基復合材料。
鋅基復合材料的基體合金一般為高鋁鋅基合金，如ZA22、ZA27或ZA35。
根據實際需要，也可以先制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料坯料，然后根據要求對鋁基復合材料坯料進行重熔，制備原位顆粒增強鋅基復合材料。還可以直接把原位合成顆粒增強鋁基復合材料坯料加入到鋅或鋅鋁合金液體中重熔，制備原位顆粒增強鋅基復合材料。在混合或直接重熔過程中，要對熔體進行必要的攪拌，以防止增強顆粒出現團聚現象。
該制備技術的主要優點有1)原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料與鋅或鋅合金液體直接混合，有利于增強顆粒的均勻分散；2)生成原位增強顆粒的化學反應溫度受鋅或鋅合金的制約小，有利于選擇合適類型的增強顆粒，如可以制備出分別采用Al2O3、TiB2+Al3Ti、ZrB2+Al3Zr以及Al2O3+ZrB2+Al3Zr各類顆粒增強的原位顆粒增強鋅基復合材料；3)通過控制加入的鋁基復合材料本身的增強顆粒體積分數以及鋁基復合材料在鋅基合金中的加入量，可以有效地控制鋅基復合材料中原位增強顆粒的體積分數。
總之，通過上述制備技術，可以成功制備增強顆粒體積分數可控、分布均勻的原位顆粒增強鋅基復合材料。


圖1 8.5％Al2O3顆粒增強鋅基復合材料的SEM照片具體實施方式
根據本發明所述技術方案選取具體實施例進行說明如下
實施例1首先采用熔體反應方法，在純鋁中720℃添加Al2(SO4)3，通過機械攪拌方法使其均勻分散在鋁熔體中，并在該溫度下通過化學反應制備出含Al2O3顆粒15％(體積分數)的原位合成Al2O3顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將1300克純鋅熔化。要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料的基體選擇ZA27合金，ZA27合金的成分要求為Al為25％～28％、Cu為1.5％～2.5％、Mg為0.01％～0.03％。根據這一成分要求、原位合成Al2O3顆粒增強鋁基復合材料漿料以及要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中要求的增強顆粒體積分數，各組成材料的加入量要求如表1所示。將顆粒增強鋁基復合材料漿料與鋅液均勻混合，即制備出基體為ZA27合金的原位顆粒增強鋅基復合材料。所制備的原位顆粒增強鋅基復合材料掃描電鏡(SEM)照片如圖1，鋅基復合材料中Al2O3增強顆粒的實際體積分數為8.5％。
表1制備Al2O3p/ZA27復合材料所使用的各種材料的量

實施例2首先對熔體反應方法，在純鋁中720℃添加Al2(SO4)3，通過機械攪拌方法使其均勻分散在鋁熔體中，并在該溫度下通過化學反應制備出的含15％(體積分數)Al2O3顆粒的反應合成顆粒增強鋁基復合材料坯料進行重熔，同時將1200克ZA6鋅鋁合金熔化。要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料的基體選擇ZA35合金，ZA35合金的成分要求為Al為34％～36％、Cu為2.3％～2.5％、Mg為0.02％～0.04％。根據這一成分要求、原位合成Al2O3顆粒增強鋁基復合材料漿料以及要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中要求的增強顆粒體積分數，各組成材料的加入量要求如表2所示。將顆粒增強鋁基復合材料漿料與ZA6鋅鋁合金熔體均勻混合，制備出基體為ZA35合金的原位顆粒增強鋅基復合材料。所制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中Al2O3增強顆粒的實際體積分數為8.0％。
表2制備Al2O3p/ZA35復合材料所使用的各種材料的量

實施例3首先采用熔體反應方法，在純鋁中720℃添加K2TiF6和KBF4的混合鹽，并通過機械攪拌方法使其均勻分散在鋁熔體中，然后在850℃左右通過化學反應制備出(TiB2+Al3Ti)混合顆粒體積分數為10％的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將1300克純鋅熔化。要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料的基體選擇ZA27合金，ZA27合金的成分要求為Al為25％～28％、Cu為1.5％～2.5％、Mg為0.01％～0.03％。根據這一成分要求、原位合成(TiB2+Al3Ti)顆粒增強鋁基復合材料漿料以及要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中要求的增強顆粒體積分數，各組成材料的加入量要求如表3所示。將顆粒增強鋁基復合材料漿料與鋅液均勻混合，制備出基體為ZA27合金的原位顆粒增強鋅基復合材料。所制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中(TiB2+Al3Ti)增強顆粒的實際體積分數為5.2％。
表3制備(TiB2+Al3Ti)p/ZA27復合材料所使用的各種材料的量

實施例4首先采用熔體反應方法，在純鋁中720℃添加Zr(CO3)2，并通過機械攪拌方法使其均勻分散在鋁熔體中，然后在850℃左右通過化學反應制備制備出(Al2O3+Al3Zr)混合顆粒體積分數為15％的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將將1300克純鋅熔化。要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料的基體選擇ZA27合金，ZA27合金的成分要求為Al為25％～28％、Cu為1.5％～2.5％、Mg為0.01％～0.03％。根據這一成分要求、原位合成(Al2O3+Al3Zr)顆粒增強鋁基復合材料漿料以及要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中要求的增強顆粒體積分數，各組成材料的加入量要求如表4所示。將顆粒增強鋁基復合材料漿料與鋅液均勻混合，出基體為ZA27合金的原位顆粒增強鋅基復合材料。所制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中(Al2O3+Al3Zr)增強顆粒的實際體積分數為8.3％。
表4制備(Al2O3+Al3Zr)p/ZA27復合材料所使用的各種材料的量

權利要求
1.原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法，其特征在于首先采用熔體反應方法制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將鋅或鋅鋁合金熔化；將鋅熔化時，根據要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中所要求的增強顆粒體積分數、該鋅基復合材料基體合金中鋁的質量百分含量以及已制備出的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料中增強顆粒的體積分數，確定在鋅熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料的量；而熔化鋅鋁合金時，還要同時考慮鋅鋁合金中鋁的質量百分含量，從而確定在鋅鋁合金熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料的量；將定量出的鋁基復合材料漿料加入到鋅或鋅鋁合金熔體中，緩慢攪拌，以不引起合金熔體劇烈翻騰為限，制備出原位顆粒增強鋅基復合材料。
2.根據權利要求1所述的一種原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法，其特征在于鋅基復合材料基體合金為高鋁鋅基合金。
3.一種原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法，其特征在于先將權利要求1中所述的熔體反應方法制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料制備成坯料后根據要求對鋁基復合材料坯料進行重熔，同時將鋅或鋅鋁合金熔化；將鋅熔化時，根據要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中所要求的增強顆粒體積分數、該鋅基復合材料基體合金中鋁的質量百分含量以及已制備出的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料中增強顆粒的體積分數，確定在鋅熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料重熔漿料的量；而熔化鋅鋁合金時，還要同時考慮鋅鋁合金中鋁的質量百分含量，從而確定在鋅鋁合金熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料重熔漿料的量；將定量出的鋁基復合材料漿料加入到鋅或鋅鋁合金熔體中，緩慢攪拌，以不引起合金熔體劇烈翻騰為限，制備出原位顆粒增強鋅基復合材料。
4.一種原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法，其特征在于先將權利要求1中所述的熔體反應方法制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料制備成坯料然后直接加入到鋅或鋅鋁合金液體中重熔；加入到鋅中重熔時，根據要制備的原位顆粒增強鋅基復合材料中所要求的增強顆粒體積分數、該鋅基復合材料基體合金中鋁的質量百分含量以及已制備出的原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料中增強顆粒的體積分數，從而確定在鋅中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料坯料的量；加入到鋅鋁合金中重熔時，還要同時考慮鋅鋁合金中鋁的質量百分含量，從而確定在鋅鋁合金熔體中需要加入的原位合成顆粒增強鋁基復合材料坯料的量；重熔過程中，要對熔體進行攪拌，以不引起合金熔體劇烈翻騰為限，制備出原位顆粒增強鋅基復合材料。
全文摘要
一種原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法，涉及金屬基復合材料的制備技術領域，首先采用熔體反應方法制備出原位合成顆粒增強鋁基復合材料漿料，同時將鋅或鋅鋁合金熔化。根據要制備的鋅基復合材料中所要求的增強顆粒體積分數、該鋅基復合材料基體合金中鋁的含量以及已制備出的鋁基復合材料漿料中增強顆粒的體積分數，如先熔化的是鋅鋁合金還要考慮該鋅鋁合金的成分，從而確定在鋅或鋅鋁合金中需要加入的鋁基復合材料漿料的量，將定量出的鋁基復合材料漿料加入到鋅或鋅鋁合金熔體中，并通過緩慢攪拌，制備出顆粒增強鋅基復合材料。本發明生成原位增強顆粒的化學反應溫度受鋅或鋅合金的制約小，可以有效地控制鋅基復合材料中增強顆粒的體積分數。
文檔編號C22C1/00GK101016594SQ200710020458
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月1日 優先權日2007年3月1日
發明者趙玉濤, 陳剛 申請人:江蘇大學