一種制備Al-Ti-B-O系鋁基原位復合材料的方法
【專利摘要】一種制備Al-Ti-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于：將經過預處理的TiO2、B2O3粉末和處于近液相線溫度的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，將TiO2、B2O3粉末與Al-Ti合金熔體混合均勻，通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的模具擠出成絲狀或者桿狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-Ti-B-O系鋁基原位復合材料。該方法工藝過程簡單，便于工業化生產，所得復合材料中Al3Ti顆粒形狀、尺寸易于控制。
【專利說明】—種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁基復合材料，具體而言為涉及一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法。
技術背景
[0002]目前，應用最廣泛的鋁細化劑是Al-5Ti_B中間合金，它的應用是鋁加工業技術進步的重要標志之一；優良的細化劑可以使得晶粒達到一級，進而改善鋁及其合金的強度，提高塑性，使得加工成材率顯著提高；但是，Α1-5Τ?-Β仍然存在諸如細化效果衰退、TiB2粒子集聚等技術問題。
[0003]研究表明，在鋁鈦硼中間合金中加入稀土，可以改善其細化作用，從而提高鋁及其合金的質量；另外，稀土本身也具有細化鋁及其合金組織的能力，近年來，國內福州大學、蘭州理工大學、中南大學等單位都在研究Al-T1-B-RE中間合金細化劑，提出稀土能提高Al-T1-B的細化能力和延長作用時間，但缺乏對T1、B和RE的相互作用、微觀組織進行系統研究，也沒有闡明提高細化能力和長效性的具體原因，對細化機理沒有達成統一的認識；清華大學與包頭鋁業集團合作，開發出不同成分的稀土鋁鈦硼中間合金，確定了向Α15--1Β中加入稀土的理想添加量，他們通過研究指出，在A15Ti4RElB細化劑中Ti2Al2tlRE為復雜的面心立方結構，晶格參數為1.469 nm，有8組可以和Al晶體匹配的位向關系，具有比TiAl3更強的形核能力，因A15Ti4RElB中間合金具有比Α15--1Β更加優異的細化能力；同時，Al-T1-B-RE 中間合金中的Ti2Al2tlRE比Al3Ti溶解溫度高，其結構的復雜性使得其分解速度比Al3Ti慢，在鋁液中的存活時間長；另外，Ti2Al2tlRE溶解過程中釋放出的稀土原子增大了鋁液的粘度，降低了未溶第二相的沉淀速度，最終使A15Ti4RElB具有很好的細化長效性。
[0004]然而，在實際使用中，也正是由于需要比較高的RE添加量才能發揮良好的細化效果，使得細化處理后的鋁及鋁合金熔體的粘度提高，不利于熔體中渣、氣的排出，因此，該復合細化劑的使用受到了限制，迫切需要開發新型復合細化劑，以便在解決第二相顆粒穩定性的同時保證不明顯影響熔體特性。

【發明內容】

[0005]本發明提出一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其原理是:在鋁-鈦合金近液相線溫度，通過雙螺旋流變擠壓裝置使鋁-鈦合金熔體獲得較高的剪切速率和較高的湍流強度，從而將鋁-鈦合金熔體與同時加入的Ti02、B2O3粉末混合均勻，然后將混合物擠出成絲或者桿狀，再連續進行低溫反應，最終獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料，其中通過在鋁-鈦合金中添加少量稀土元素促進低溫化學反應，而由于反應溫度低又保證了所生成的AlTi3、Al203尺寸細小。
[0006]一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:將經過預處理的TiO2, B2O3粉末和處于近液相線溫度的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，將Ti02、B203粉末與Al-Ti合金熔體混合均勻，通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的模具擠出成絲狀或者桿狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料。
[0007]所述的經過預處理的Ti02、B2O3粉末，是指經過30(T400°C、3(T50min干燥的形狀為球性或者近似球形，尺寸為0.5^10 μ m的Ti02、B203粉末，雜質含量不大于0.3wt.% ;Ti02、B2O3粉末分別占Al-Ti合金熔體質量的4.0~5.0wt.%、2.5~3.0wt.%。
[0008]所述的處于近液相線溫度的Al-Ti合金熔體，是指含Ti為0.5^1.0wt.%、含混合稀土金屬為0.3^0.5wt.%，其余為Al，溫度處于液相線溫度上下各10°C范圍內的Al-Ti合金。
[0009]所述的加入到雙螺旋流變擠壓裝置，是指常規的用于半固態漿料制備和擠壓成型的裝置，該裝置由模具鋼制造，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度與加入的Al-Ti合金熔體溫度保持一致。 [0010]所述的將Ti02、B203粉末與Al-Ti合金熔體混合均勻，是指Ti02、B203粉末與Al-Ti合金熔體在雙螺旋流變擠壓裝置中通過螺旋的攪拌擠壓實現均勻混合。
[0011]所述的出口端的模具，是指采用熱作模具鋼制作的入口內徑為15~18mm、出口內徑為8~12mm的擠壓模具，使用過程中溫度控制在30(T350°C。
[0012]所述的連續送入到處于一定溫度的保溫爐，是指由雙螺旋流變擠壓裝置出口端的模具擠出的絲狀或者桿狀材料直接送入保溫爐，送入的速度與擠出速度一致，控制在2飛m/min,保溫爐的溫度控制在55(T570°C，有效加熱長度為2(T30 m,絲狀或者桿狀材料在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行多次變向連續運動，直至保溫時間達到5(Tl20min。
[0013]所述的低溫反應，是指在氮氣保護下在保溫爐內反應，反應溫度為55(T570°C，反應時間為5(Tl20min。
[0014]本發明方法實現了 Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的連續制備，工藝過程簡單，便于工業化生產，所得復合材料中Al3Ti顆粒形狀、尺寸易于控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1采用本發明方法制備的復合材料的顯微組織。
具體實施例
[0016]本發明可以根據以下實例實施，但不限于以下實例；在本發明中所使用的術語，除非有另外的說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義；應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的范圍；在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。
[0017]實施例1
本實施例具體實施一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其過程為:將經過300°C、50min干燥的形狀為球性，尺寸均為0.5 μ m的Ti02、B2O3粉末和溫度為600°C的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，并通過螺旋的攪拌擠壓作用實現均勻混合；其中，TiO2, B2O3粉末雜質含量不大于0.3wt.%，加入量分別占Al-Ti合金熔體質量的
4.0wt.%、2.5wt.% ；A1-Ti合金中含Ti為0.5wt.%、含Ce系混合稀土金屬為0.3wt.%，其余為Al ;螺旋擠出裝置為由模具鋼制作的用于半固態漿料制備和擠壓成型的常用裝置，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度與保持在600°C。
[0018]通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的擠壓模具擠出成桿狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料；擠壓模具采用熱作模具鋼制作，入口內徑為18mm、出口內徑為12mm，使用過程中溫度控制在300°C ;桿狀材料送入保溫爐的速度與擠出速度一致，控制在5m/min，保溫爐的溫度控制在570°C，有效加熱長度為30 m，桿狀材料在氮氣保護下在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行9次變向連續運動，直至保溫時間達到50min，最終獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料。
[0019]圖1為采用本發明方法制備的復合材料的顯微組織；分析表明，圖中黑色顆粒為Al3T、灰色顆粒為Al2O3，前者平均尺寸為5 μ m，后者平均尺寸為2 μ m。
[0020]實施例2
本實施例具體實施一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其過程為:將經過400°C、30min干燥的形狀為近似球形，尺寸均為10 μ m的Ti02、B203粉末和溫度為620°C的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，并通過螺旋的攪拌擠壓作用實現均勻混合；其中，TiO2, B2O3粉末雜質含量不大于0.3wt.%，加入量分別占Al-Ti合金熔體質量的5.0wt.%、3.0wt.% ；A1-Ti合金中含Ti為1.0wt.%、含La系混合稀土金屬為0.5wt.%，其余為Al ;雙螺旋流變擠壓裝置為由模具鋼制造的用于半固態漿料制備和擠壓成型的常用裝置，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度保持為620°C。
[0021]通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的擠壓模具擠出成絲狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料；擠壓模具采用熱作模具鋼制作，入口內徑為15mm、出口內徑為8mm，使用過程中溫度控制在350°C ;絲狀材料送入保溫爐的速度與擠出速度一致，控制在2m/min，保溫爐的溫度控制在550°C，有效加熱長度為20m，絲狀材料在氮氣保護下在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行12次變向連續運動，直至保溫時間達到120min，最終獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料，顯微組織與實施例I類似；分析表明，該 鋁基原位復合材料中，Al3T顆粒平均尺寸為4 μ m，Al2O3顆粒平均尺寸為1.5 μ m。
[0022]實施例3
本實施例具體實施一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其過程為:將經過350°C、40min干燥的形狀分別為球性和近似球形，尺寸分別為5 μ m和2 μ m的Ti02、B2O3粉末和溫度為610°C的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，并通過螺旋的攪拌擠壓作用實現均勻混合；其中，TiO2^B2O3粉末雜質含量不大于0.3wt.%，加入量分別占Al-Ti合金熔體質量的4.5wt.%、2.8wt.% ;Al_Ti合金含Ti為0.7wt.%、含Ce系混合稀土為0.4wt.%，其余為Al ;雙螺旋流變擠壓裝置為由模具鋼制造的用于半固態漿料制備和擠壓成型的常用裝置，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度保持為610°C。
[0023]通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的擠壓模具擠出成絲狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料；擠壓模具采用熱作模具鋼制作，入口內徑為16mm、出口內徑為9mm，使用過程中溫度控制在325°C ;絲狀材料送入保溫爐的速度與擠出速度一致，控制在3m/min，保溫爐的溫度控制在560°C，有效加熱長度為27m，絲狀材料在氮氣保護下在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行9次變向連續運動，直至保溫時間達到80min，最終獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料，顯微組織與實施例I類似；分析表明，該鋁基原位復合材料中，Al3T顆粒平均尺寸為4.5μπι，Α1203顆粒平均尺寸為1.5 μ m。
[0024]實施例4
本實施例具體實施一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其過程為:將經過380°C、35min干燥的形狀為近似球形，尺寸分別為0.5 μ m和3 μ m的Ti02、B2O3粉末和溫度為615°C的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，并通過螺旋的攪拌擠壓作用實現均勻混合；其中，Ti02、B2O3粉末雜質含量不大于0.3wt.%，加入量分別占Al-Ti合金熔體質量的4.8wt.%、2.8wt.% ;Al_Ti合金含Ti為1.0wt.%、含La系混合稀土為0.4wt.%，其余為Al ;雙螺旋流變擠壓裝置為由模具鋼制造的用于半固態漿料制備和擠壓成型的常用裝置，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度保持為615°C。
[0025]通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的擠壓模具擠出成桿狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料；擠壓模具采用熱作模具鋼制作，入口內徑為17mm、出口內徑為11mm，使用過程中溫度控制在330°C ;桿狀材料送入保溫爐的速度與擠出速度一致，控制在4m/min，保溫爐的溫度控制在565°C，有效加熱長度為28m，桿狀材料在氮氣保護下在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行11次變向連續運動，直至保溫時間達到75min，最終獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料，顯微組織與實施例I類似；分析表明，該鋁基原位復合材料中，Al3T顆粒平均尺寸為4.5 μ m，Al2O3顆粒平均尺寸為Iym左右。`
【權利要求】
1.一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:將經過預處理的TiO2, B2O3粉末和處于近液相線溫度的Al-Ti合金熔體一起加入到雙螺旋流變擠壓裝置中，將Ti02、B203粉末與Al-Ti合金熔體混合均勻，通過雙螺旋流變擠壓裝置出口端的模具擠出成絲狀或者桿狀，連續送入到處于一定溫度的保溫爐，通過低溫反應獲得Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料。
2.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的經過預處理的Ti02、B2O3粉末，是指經過300-400?、30-50π?η干燥的形狀為球性或者近似球形，尺寸為0.5~10 μ m的Ti02、B203粉末，雜質含量不大于0.3wt.% ;Ti02、B203粉末分別占Al-Ti合金熔體質量的4.0~5.0wt.%、2.5~3.0wt.%。
3.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的處于近液相線溫度的Al-Ti合金熔體，是指含Ti為0.5^1.0wt.%、含混合稀土金屬為0.3^0.5wt.%，其余為Al，溫度處于液相線溫度上下各10°C范圍內的Al-Ti合金。
4.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的加入到雙螺旋流變擠壓裝置，是指常規的用于半固態漿料制備和擠壓成型的裝置，該裝置由模具鋼制造，與鋁熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中溫度與加入的Al-Ti合金熔體溫度保持一致。
5.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的將Ti02、B2O3粉末與Al-Ti合金熔體混合均勻，是指Ti02、B2O3粉末與Al-Ti合金熔體在雙螺旋流變擠壓裝置中通過螺旋的攪拌擠壓實現均勻混合。
6.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的出口端的模具，是指采用熱作模具鋼制作的入口內徑為15~18mm、出口內徑為8^12mm的擠壓模具，使用過程中溫度控制在30(T350°C。
7.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的連續送入到處于一定溫度的保溫爐，是指由雙螺旋流變擠壓裝置出口端的模具擠出的絲狀或者桿狀材料直接送入保溫爐，送入的速度與擠出速度一致，控制在2~5m/min，保溫爐的溫度控制在55(T570°C，有效加熱長度為2(T30 m,絲狀或者桿狀材料在保溫爐中通過轉向輥改變方向在爐內進行多次變向連續運動，直至保溫時間達到5(Tl20min。
8.如權利要求1所述的一種制備Al-T1-B-O系鋁基原位復合材料的方法，其特征在于:所述的低溫反應，是指在氮氣保護下在保溫爐內反應，反應溫度為55(T570°C，反應時間為5(Tl20min。
【文檔編號】C22C21/00GK103643087SQ201310551965
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】陳剛, 趙玉濤, 楊睿, 肖潔, 倪張帝 申請人:江蘇大學