本发明涉及一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，以及制备的纳米金属间化合物颗粒应用于增强铝基复合材料的方法，属于铝基复合材料制备和金属熔炼加工技术领域。
背景技术：
目前，颗粒增强金属基复合材料的制备工艺和方法主要是粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、熔体浸渗法、原位反应法和搅拌铸造法。粉末冶金法是把增强颗粒与微细纯净的金属粉末进行机械混合以后，在模具中压制，然后加热进行烧结，使增强相与金属基体聚集成一体，制成增强颗粒/金属复合材料的方法。搅拌铸造法使通过机械搅拌把增强颗粒加入到金属熔体中，并使之在金属基体中分散均匀的方法。搅拌铸造法设备简单，生产效率高，但由于增强体和铝熔体之间润湿性差，搅拌并不能改善增强体和铝熔体之间的润湿性，故铸件气孔较多，颗粒分布不均匀，容易形成偏聚。原位自生反应颗粒在基体内部原位合成，基体界面结合好且界面干净；可获得不同种类、不同数量的原位增强颗粒，增强颗粒的原位合成同铸造结合起来工艺简便、成本低，但该方法存在着所制备的复合材料质量分数不高。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：200910239051.9，公开日为2011.06.29，发明名称为铝基复合材料的制备方法的专利采用将纳米陶瓷颗粒加入到半固态铝基金属熔体中搅拌后升温到液态得到液态的混合浆料，再采用超声处理后浇注得到铝基复合材料。专利一种富铝金属间化合物增强铝基复合材料制备方法（CN201310730267.1），将球磨后的复合金属粉末直接加入或转化为金属间化合物颗粒后直接加入铝合金熔体中，能够得到界面良好、力学性能优良的铝基复合材料。由于金属粉末经球磨后表面不可避免地存在氧化膜，影响复合粉末与熔体之间的润湿性，专利：一种金属间化合物颗粒Al3-M增强铝基复合材料的制备方法（ZL201310730115.1）提出一种采用球磨工艺制备亚微米级的富铝金属间化合物Al3M颗粒增强铝基复合材料制备方法，该方法采用分步先行提高铝熔体中镁浓度添加金属间化合物颗粒的方法非常好的解决了金属间化合物增强颗粒与金属液不浸润的问题，在常规熔炼温度下制备的发动机箱体用复合材料具有良好界面和力学性能。由于铝粉和金属M的粉末都是本质塑性，在球磨过程中先会产生裂纹，然后会破碎，随着球磨时间的延长将会持续冷焊，粉末厚度变薄，粉末形态变为薄片状，平面面积变大，通常会加入硬脂酸，以利于减少冷焊，防止粉与粉，粉与球的粘连，但不会阻止粉末的薄片化趋势。因此，塑性金属粉末通过球磨很难获得颗粒均匀纳米尺寸的颗粒。且复合后的两种金属粉末仅球磨之后加入熔体之中，实际是在溶体的高温作用下反应生成增强颗粒，即纳米级的粉末会在反应过程中继续长大，最终得到的铝基复合材料的增强颗粒也就不再是纳米尺度的，而是亚微米尺度或微米尺度的，将复合粉球磨成纳米尺度也就没有实际意义。
技术实现要素：
本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种制备纳米金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法,重点是如何制备纳米尺度的金属间化合物颗粒。
解决问题的基本方案是：通过对球磨之后的粉末进行热处理使之生成脆性的Al3M金属间化合物，然后继续球磨使其尺寸进一步减小至纳米尺度；再添加分散剂分散加入熔体中制备铝基复合材料。
具体的，本发明所采用的技术方案为：一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，在真空条件下球磨，球磨转速300-500r/min，球磨时间10-20h，球料比10-20:1；
（2）球磨好的复合粉在真空炉中400-550℃下热处理0.5-2h，使复合粉末反应生成脆性金属间化合物Al3M，后随炉冷却；
（3）将经步骤（2）热处理后的金属间化合物在氩气保护条件下进一步球磨使其达到纳米尺度，球磨转速300-500r/min，球磨时间10-20h，球料比10-20:1，得到纳米金属间化合物颗粒。
本发明中所述的金属M，M为钛、锆、铁、钪或铒中的一种。
之前已经解释过铝粉和金属M粉都属于塑性金属粉，想要获得纳米尺度的颗粒，不仅球磨难度大（需要高的球料比和更长的球磨时间，以及硬脂酸等助剂），而且即便获得纳米尺度的颗粒，也难以保证尺度的均匀性。因此，一般要得到纳米铝粉是不会采用单纯的机械球磨的，通常是采用蒸发冷凝、机械化学、激光剥蚀等方法。
按照本发明的方法制备的纳米金属间化合物颗粒，可以用作铝基复合材料的增强体，其中铝及复合材料的基体可以使铝，也可以是铝合金。
具体制备铝基复合材料的方法，可以按照以下步骤：
（1）将纳米金属间化合物颗粒与基体材料按质量比1:1-4配料，采用球磨方式进行混合，使纳米金属间化合物颗粒在基体材料中均匀分散，得到复合粉末；所述基体材料为铝粉或铝合金粉末。
本步骤中球磨的目的是将纳米金属间化合物颗粒预先分散在基体材料中，再加入基体熔体中，才能分散的更加均匀；球磨的条件可以根据实验自行确定，或者按照以下条件：球磨转速50~100r/min，球磨时间5-10h，球料比5:1~10:1。
其中步骤（1）所使用的铝合金粉末的材质应当与下一步的基体溶体的材质相同。
（2）将步骤（1）得到的复合粉末以粉状或块状的形式加入过热到800-850℃的基体熔体中，边加边搅拌，共计搅拌10-30min；
（3）最终经精炼、静置后调整温度至浇注温度690-710℃，铸造得到金属间化合物Al3-M颗粒增强的铝基复合材料。
本发明中，基体选用的铝合金可以是铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中分散纳米金属间化合物颗粒的基体材料为与要制备的复合材料基体同材质的合金粉末。
根据本发明的方法制备的颗粒增强铝基复合材料，所述金属间化合物Al3-M颗粒的尺寸≤100nm，能够有效地阻碍位错运动，起到强化作用。
本发明中所述的复合材料基体合金粉末指的是，当所要制备的铝基复合材料的基体为铝合金时，与所要制备的铝基复合材料的基体相同材料。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果。
获得的增强体金属间化合物颗粒尺寸更加均匀，且尺寸≤100nm；基体中增强颗粒分散更加均匀，使增强颗粒更容易进入熔体，在制备高体积分数的金属间化合物颗粒增强金属基复合材料方面，具有非常大的优势。制备的纳米尺度的金属间化合物颗粒直接加入熔体中，避免了复合粉直接添加反应造成的颗粒长大的问题，保证复合材料的增强体的粒度问纳米级别。
采用本发明的方法可以较灵活地改变金属间化合物与基体的配比，金属件化合物的含量可以在至少0.5-5wt%的范围内变化，制得较高体积分数的Al3-M金属间化合物-金属基复合材料，而且提高了Al3-M金属间化合物在金属基体中的分散程度。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，在真空条件下球磨，球磨转速500r/min，球磨时间20h，球料比10:1；
（2）球磨好的复合粉在真空炉中400℃下热处理1.5h，使复合粉末反应生成脆性金属间化合物Al3M，后随炉冷却；
（3）将经步骤（2）热处理后的金属间化合物在氩气保护条件下进一步球磨使其达到纳米尺度，球磨转速350r/min，球磨时间15h，球料比16:1，得到纳米金属间化合物颗粒。
实施例2
一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，在真空条件下球磨，球磨转速300r/min，球磨时间14h，球料比15:1；
（2）球磨好的复合粉在真空炉中450℃下热处理2h，使复合粉末反应生成脆性金属间化合物Al3M，后随炉冷却；
（3）将经步骤（2）热处理后的金属间化合物在氩气保护条件下进一步球磨使其达到纳米尺度，球磨转速500r/min，球磨时间18h，球料比15:1，得到纳米金属间化合物颗粒。
实施例3
一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，在真空条件下球磨，球磨转速450r/min，球磨时间10h，球料比20:1；
（2）球磨好的复合粉在真空炉中500℃下热处理1h，使复合粉末反应生成脆性金属间化合物Al3M，后随炉冷却；
（3）将经步骤（2）热处理后的金属间化合物在氩气保护条件下进一步球磨使其达到纳米尺度，球磨转速300r/min，球磨时间20h，球料比10:1，得到纳米金属间化合物颗粒。
实施例4
一种制备纳米金属间化合物颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）将铝粉和金属M粉按摩尔比3：1配制成复合粉，在真空条件下球磨，球磨转速380r/min，球磨时间15h，球料比10-20:1；
（2）球磨好的复合粉在真空炉中550℃下热处理0.5h，使复合粉末反应生成脆性金属间化合物Al3M，后随炉冷却；
（3）将经步骤（2）热处理后的金属间化合物在氩气保护条件下进一步球磨使其达到纳米尺度，球磨转速400r/min，球磨时间10h，球料比20:1，得到纳米金属间化合物颗粒。
实施例5
制备铝基复合材料的方法，可以按照以下步骤：
（1）将实施例1制备的纳米金属间化合物颗粒与铝粉按质量比1:1配料，采用球磨方式进行混合，使纳米金属间化合物颗粒在基体材料中均匀分散，得到复合粉末；
（2）将步骤（1）得到的复合粉末以粉状或块状的形式加入过热到800℃的基体熔体中，边加边搅拌，共计搅拌20min；
（3）最终经精炼、静置后调整温度至浇注温度690-710℃，铸造得到金属间化合物Al3-M颗粒增强的铝基复合材料。
实施例6
制备铝基复合材料的方法，可以按照以下步骤：
（1）将实施例2制备的纳米金属间化合物颗粒与铝硅合金粉末按质量比1:2配料，采用球磨方式进行混合，使纳米金属间化合物颗粒在基体材料中均匀分散，得到复合粉末；
球磨转速50~100r/min，球磨时间5-10h，球料比8:1；
（2）将步骤（1）得到的复合粉末以粉状或块状的形式加入过热到850℃的基体熔体中，边加边搅拌，共计搅拌25min；
（3）最终经精炼、静置后调整温度至浇注温度690-710℃，铸造得到金属间化合物Al3-M颗粒增强的铝基复合材料。
实施例7
制备铝基复合材料的方法，可以按照以下步骤：
（1）将实施例3制备的纳米金属间化合物颗粒与铝铜合金粉末按质量比1:3配料，采用球磨方式进行混合，使纳米金属间化合物颗粒在基体材料中均匀分散，得到复合粉末；
球磨转速50~100r/min，球磨时间5-10h，球料比10:1；
（2）将步骤（1）得到的复合粉末以粉状或块状的形式加入过热到833℃的基体熔体中，边加边搅拌，共计搅拌30min；
（3）最终经精炼、静置后调整温度至浇注温度690-710℃，铸造得到金属间化合物Al3-M颗粒增强的铝基复合材料。
实施例8
制备铝基复合材料的方法，可以按照以下步骤：
（1）将实施例4制备的纳米金属间化合物颗粒与铝镁合金粉末按质量比1: 4配料，采用球磨方式进行混合，使纳米金属间化合物颗粒在基体材料中均匀分散，得到复合粉末；
球磨转速50~100r/min，球磨时间5-10h，球料比5:1；
（2）将步骤（1）得到的复合粉末以粉状或块状的形式加入过热到840℃的基体熔体中，边加边搅拌，共计搅拌10min；
（3）最终经精炼、静置后调整温度至浇注温度690-710℃，铸造得到金属间化合物Al3-M颗粒增强的铝基复合材料。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。