含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法 【技术领域】
本发明属金属材料领域，特别涉及一种含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法，该合金可用作复合材料或铝合金晶粒细化剂。
背景技术
在金属(如铝、镁等)基体中加入陶瓷颗粒强化相从而获得的金属基复合材料，由于具有优异的力学和物理性能，如高的比模量、比强度、和热力学稳定性能，在航空航天和汽车业具有广阔的应用前景。目前金属基复合材料所用的强化陶瓷相主要包括TiC、TiB2、SiC、Al2O3、CB4等。其中用TiC或Al2O3作为增强相的复合材料由于具有较好的高温化学稳定性，高的硬度和耐磨性而得到广泛的研究。目前已经出现了多种制备方法，较早研究的是外加法，即将已经合成的陶瓷颗粒通过搅拌铸造、挤压铸造等方法加入到金属基体中，这样得到的复合材料存在强化相和基体润湿性差、易发生界面化学反应、结合不良等缺点，目前正逐步被原位反应法所取代。原位反应法相对于外加法虽然在粒子表面清洁性、粒子与基体相容性、粒子尺寸控制等方面显示出其优点，大大提高了复合材料性能，但仍然存在工艺复杂、成本高的问题。申请号为02135971.7的中国专利给出了一种在铝熔体中原位生成TiC和Al2O3粒子的方法，该方法利用含有CO2、CH4、Ar、O2的混合气体将含有石墨粉、钛粉、氟钛酸钾、铝粉的混合粉末吹入铝合金液中发生反应从而原位生成增强粒子。该法需要气体发生和控制装置，大大增加了生产工艺地复杂性和生产成本，且生成的粒子数量有限，其中钛的质量含量不超过2％。文献[A.O.Kunrath，T.R.Strohaecker，J.J.Moore，Scripta Materialia，1996，Vol.34，No.2，PP.189-194]将Al、TiO2、C三种组元的粉末混合后在真空炉中加热通过自蔓延高温反应可得到Al-TiC-Al2O3复合材料。这种方法需要真空装置，不易得到密实的金属基体，显然不适合于规模化实际生产。
含有TiC颗粒和适量钛(在铝基体中主要以TiAl3化合物形式存在)的铝合金加入到各种铝合金中，可以细化铝合金的晶粒组织，从而提高其力学和表面性能。目前出现的几种制备含有TiC粒子的铝合金细化剂的工艺方法，同上述复合材料制备方法一样，也存在工艺复杂、生产成本高的难题。如专利号为ZL98119378.1的中国专利给出了用K2TiF6粉末、C粉和少量活化剂搅拌入铝液的方法，文献[A.Banerji，W.Reif，MetallurgicalTransactions A，vol.17A，1986：2127-2137]报导了将石墨粉强烈搅拌到Al-Ti合金液中的方法。两种方法均需外加机械搅拌装置，反应时间长，反应温度高，且前者在反应过程中还产生有毒的氟化物气体，在最终产品中容易残留盐类夹杂物。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种操作简便、工艺稳定、成本低、无污染的制备含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的方法。
本发明是通过以下方法实现的：
含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)称取二氧化钛粉、碳粉、纯铝粉及基体铝合金，其中二氧钛粉和碳粉占四种组元质量的百分比分别为3-35％、0.01-4％，纯铝粉的质量为前三种粉末总质量的10-60％，余量为基体铝合金；
(2)将三种粉末用球磨机球磨，使之充分混合，再用加热炉在100-150℃、氩气保护条件下预热；
(3)将步骤(1)中称取的基体铝合金在感应电炉中加热到800-1200℃使之熔化并保温3-10分钟，再将步骤(2)中准备好的混合粉末直接加入到熔化的基体铝合金中，利用感应电炉的电磁搅拌作用将混合粉末搅拌浸入合金液中，使二氧化钛、碳和铝三种组元在合金熔体中发生原位化学反应；反应3-10分钟后，进行精炼、除气，然后将合金液浇注到铸模中即得含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金。
上述含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法，其特征是步骤(2)中混合粉末在球磨过程中用氩气保护，磨球与混合粉末质量比为(4-20)∶1，球磨罐转速为200-550转/分钟，球磨时间为1-8小时。
上述含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法，其特征是步骤(2)中球磨后的混合粉末的颗粒直径在20μm以下，混合粉末在加热炉中的预热时间为10-120分钟。
所述的含有TiC和Al2O3粒子的铝基合金的制备方法，其特征是制备用作复合材料的铝合金时，步骤(1)中二氧化钛粉与碳粉的摩尔数量比保持1∶1；制备用作晶粒细化剂的铝合金时，步骤(1)中二氧化钛粉与碳粉的摩尔数量比保持大于1∶1。
混合粉末中含有一定量的铝粉的目的是为了促进混合粉末与铝液的润湿性，调节反应速度和生成的颗粒的尺寸。混和粉末加入铝液中后发生如下化学反应：
(1)
(2)
(3)
(4)
复合材料基体中只生成TiC、Al2O3两种粒子，基体可选用任意一种商品铝合金，所得产品可进一步加工做成各种部件产品，如发动机活塞、各种结构件等。晶粒细化剂基体中除了含有TiC、Al2O3两种粒子外，还含有一定量的过量的钛。这些钛在合金凝固后主要以TiAl3化合物的形式存在，在细化过程中也起到重要的作用，会大大提高TiC的细化效率。细化剂产品可用于细化各种工业纯铝、变形铝合金、及铸造铝合金，其基体可根据细化对象的不同选择不同的铝合金。其中所含的Al2O3粒子在细化剂的加入量范围内(0.1-0.2％)不会对待细化的铝合金产生任何影响，在铸造铝合金中提高加入量，可起到晶粒细化和粒子强化的双重作用。
由于TiC和Al2O3粒子是在铝熔体中经原位反应直接生成，表面洁净、无污染，在基体中分布均匀，尺寸在0.1-2μm之间。所得复合材料产品具有较高的综合力学性能，细化剂产品有较高的细化效率，以0.2％的加入量可将普通工业纯铝晶粒尺寸从4000μm细化到200μm以下。
本发明采用廉价的TiO2和C粉末原料，无需其它气体发生或控制装置，不需任何搅拌或真空装置，用普通的熔炼工艺就可实现，无污染、成本低、工艺简单、生产效率高，因而适合于规模化工业生产和应用。
【具体实施方式】
下面给出本发明的三个最佳实施例：
实施例一.称取纯度为99.5％的纯铝粉5Kg，99.0％的TiO2粉10.10Kg，99.50％的石墨粉1.5050Kg，将三者混合后用球磨机在氩气保护条件下以300转/分钟的转速球磨10小时，其中磨球与粉末的质量比为10∶1；然后将球磨后的混合粉末用电阻炉在110℃、氩气保护条件下预热一小时，备用。用中频感应炉熔化185Kg 99.7％的工业纯铝至950℃，保温3分钟，然后将上述混合粉末加入。在感应炉中的电磁搅拌力作用下，混合粉末被搅拌进铝熔体中发生化学反应，8分钟后，进行精炼、除气，浇注后可得Al-7.5％TiC-8.5％Al2O3复合材料。
实施例二.实施例一中，用Al-7％Si合金代替工业纯铝，可得TiC-Al2O3粒子强化的Al-Si基复合材料。
实施例三.称取纯度为99.5％的纯铝粉14Kg，99.0％的TiO2粉20.2Kg，99.5％的石墨粉1.01Kg，并混合，然后用球磨机在氩气保护条件下以500转/分钟的转速球磨5个小时，其中磨球与粉末的质量比为5∶1；然后将混合粉末用电阻炉在110℃、氩气保护条件下预热一小时，备用。用中频感应炉熔化99.7％的工业纯铝170Kg至1000℃，保温2分钟后加入混合粉末，反应5分钟，精炼、除气后浇注得到Al-4％Ti-2.5％TiC-8.5％Al2O3晶粒细化剂。用此细化剂以KBI环模法细化99.7％的工业纯铝，仅0.2％的加入量可使晶粒尺寸从未细化前的4000μm细化到200μm。