一种具有颗粒增强相的Al-Bi-Sn难混溶合金及其制备方法

本发明涉及一种具有颗粒增强相的al-bi-sn难混溶合金及其制备方法，属于有色金属合金。

背景技术：

1、难混溶合金是指两种或两种以上的金属元素在液态下混合时，由于它们之间的互溶性极差，难以通过常规的凝固方法制备成均匀的合金组织。而al基难混溶合金则是以铝为主要元素，通过添加其他难混溶的金属元素，如pb、bi、in等，来制备出具有特殊性能的新型合金材料。al基难混溶合金作为一种新型轻质高强度的金属材料，在轴瓦材料领域展现出了广阔的应用前景。特别是al-bi合金，由于其独特的微观结构和优异的性能表现，被认为是最有潜力的轴瓦材料之一。

2、al-bi合金作为一种al基难混溶合金，其特点主要体现在以下几个方面：首先，bi元素的加入使得合金成为软质富bi相与硬质富al基体所组成的复合材料，从而增强了轴瓦的耐磨性和承载能力；其次，在摩擦过程中，软质富bi相会因其较低的硬度而发生下凹，这些下凹区域能够储存润滑油，有助于形成连续的油膜，进一步改善润滑条件并减少摩擦磨损；此外，均匀弥散分布的富bi相本身具有润滑性，所制成的al-bi合金可用于制作干摩擦轴承，应用于一些物殊的工作场景。

3、然而，尽管al-bi合金具有上述诸多优点，但其广泛应用仍面临着困难，由于难混溶元素之间的互溶性极差，传统的熔炼方法往往难以实现合金的均匀化。凝固过程中bi相容易形成严重的宏观偏析，难以通过常规的凝固方法进行制备。这些问题不仅影响了合金的性能稳定性，也限制了其在工业领域的广泛应用。

4、近年来，针对al基难混溶合金的性能优化，研究人员进行了大量的探索，其中通过在合金中添加特定的异相颗粒来减轻宏观偏析，增强其机械性能和耐磨性是一种备受关注的方法。发明专利201711073537.0公开了一种具有针状增强相的al基难混溶合金及其制备方法，通过长针状al3ti化合物促进al基难混溶合金第二相弥散分布，增强了基体的硬度提高了合金的耐磨性能；发明专利201710026348.1公开了一种具有棒球复合结构颗粒的难混溶合金的制备方法，通过添加稀土金属nd，生成了富bi相包裹着棒状结构的金属间化合物ndbi2的颗粒，促使第二相弥散分布，提高了合金的自润滑性能；发明专利202111598052.x公开了一种al基复合材料及制备方法和应用，将tib2p/al复合材料和bi单质加热熔化，得到al-bi-tib2熔体，将al-bi-tib2熔体超声处理后浇铸，得到al-bi-tib2复合材料，该专利提供的制备方法显著提高了al-bi-tib2复合材料的屈服强度和抗拉强度；发明专利201911017746.2公开了一种制备均质难混溶合金的方法，该方法通过添加b、cu两组元，制备出具有长棒状alb2固相颗粒和网状al2cu相的合金，这种结构有效抑制了偏析现象，从而获得了均质且耐磨性能优异的难混溶合金。以上专利中外加颗粒添加方法是直接混合熔炼，所添加颗粒易出现聚集和偏析下沉，在实际应用中铸锭的尺寸受限；凝固时涉及超声处理的方法，对工业生产设备的要求较高，在大型生产中不易操控。

5、一些学术文章对如何利用添加颗粒降低al基难混溶合金中的宏观偏析进行了探讨。满田囡等(物理学报,2018,67(03):195-201)在研究添加ti对al-bi难混溶合金组织和性能的影响时发现，凝固过程中原位生成的长针状al3ti化合物,均匀分布在al基体中,穿插在bi相颗粒之间,阻碍了bi相颗粒的沉降及凝并，防止了bi相颗粒的碰撞及长大,制备了bi相弥散分布在al基体中的难混溶合金；张林等(金属学报,2019,55(03):399-409)在研究向al-bi难混溶合金中添加稀土生成cebi2颗粒的影响时发现，添加ce增加了凝固各时间段的富bi液滴数量,细化液滴尺寸，使液滴运动速度降低，与较快出现宏观偏析的al-bi合金相比，al-bi-ce合金中虽然有同样的粗化和偏析趋势，但进行速度相对较慢，宏观偏析较轻。

6、综上所述，现有技术均为向二元的al-bi难混溶合金中添加了颗粒，但这些颗粒的添加方法为直接添加，容易引起颗粒聚集和偏析，影响作用效果，仅添加异相颗粒对al-bi二元合金只能在一定程度上减轻宏观偏析现象，而无法完全阻止第二相的沉降。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术在处理al基难混溶合金时无法有效抑制第二相沉降行为的问题，提供了一种具有颗粒增强相的al-bi-sn难混溶合金及其制备方法。通过喷吹熔剂、在熔体中通过化学反应生成弥散颗粒，促进第二相均匀分散，同时改进合金成分，采用添加sn元素减轻al-bi-sn合金宏观偏析，与添加颗粒的效应共同发挥作用，实现均质al基难混溶合金的制备和性能优化，满足汽车轴瓦材料、以及要求轻质、干摩擦等特殊环境下的轴瓦材料使用要求。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明一方面提供一种具有颗粒增强相的al-bi-sn难混溶合金，所述合金按质量百分比，由如下组分构成：bi 3～20％，sn 5～15％，ti 0.04～0.4％，b0.02～0.2％，余量为al。

4、上述技术方案中，进一步地，所述合金的凝固组织中具有al基体、均匀弥散分布的球状富bi-sn相、以及分散在al基体和富bi-sn相中的tib2颗粒。

5、本发明另一方面提供一种上述al-bi-sn难混溶合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：

6、(1)在惰性气氛保护下，将金属al加热至完全熔化，向熔体中分别加入金属bi和sn，在温度1000～1100℃，保温3～10min，得到完全混溶的合金熔体；

7、(2)通过惰性气体向熔体内喷入熔剂粉末，熔剂在熔体中生成tib2颗粒，保温10min，同时对熔体进行搅拌，促进熔体中的富bi-sn相与tib2颗粒均匀分散，随后扒去熔体表面的熔剂浮渣，得al-bi-sn合金熔体；

8、所述熔剂粉末按重量百分比计的成分组成为：20～30％氟化钠、35～45％氟化铝，15～25％氟硼酸钾、10～20％氟钛酸钾；

9、(3)将所得al-bi-sn合金熔体浇铸，得al-bi-sn合金铸坯。

10、上述技术方案中，进一步地，步骤(1)、(2)中，所述惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。

11、上述技术方案中，进一步地，步骤(2)中，所述搅拌为机械螺旋桨搅拌或电磁搅拌。

12、上述技术方案中，进一步地，所述机械螺旋桨的参数为：搅拌转数为每分钟300～1000转。

13、上述技术方案中，进一步地，所述电磁搅拌的参数为：电流强度50～300a，频率5～16hz。

14、上述技术方案中，进一步地，步骤(2)中，所述熔剂粉末的喷吹量为熔炼合金总重量的5％。

15、上述技术方案中，进一步地，步骤(2)中，所述熔剂粉末按重量百分比计的成分组成为：26％氟化钠、41％氟化铝，19％氟硼酸钾、14％氟钛酸钾。

16、本发明的原理为：本发明所喷入熔剂粉末中的氟硼酸钾与氟钛酸钾在熔体中通过化学反应生成tib2颗粒，氟化钠与氟化铝起到促进反应和促进颗粒分散的作用。在合金的凝固过程，tib2颗粒作为形核相，促进bi-sn相难混溶液滴的弥散分布，细化了难混溶液滴的尺寸。小尺寸的难混溶液滴沉降速度较慢，因此抑制了液滴的宏观重力偏析。同时，tib2颗粒对于al基体也起到了细化晶粒的作用，增强基体的硬度。弥散分布的富bi-sn相与tib2颗粒同时提高了合金的自润滑性能与硬度。

17、传统的在铝合金中直接添加颗粒虽然能够起到一定程度的形核作用，但直接添加颗粒容易发生团聚，出现上浮或下沉，影响其作用效果。本发明通过独特的惰性气体混合熔剂喷吹方式，在熔体中通过化学反应生成tib2颗粒的方法，旨在形成均匀弥散分布的颗粒，从而促进第二相的形核，细化第二相液滴的尺寸，抑制第二相的沉降行为，从而获得第二相均匀弥散分布的合金组织。

18、本发明的有益效果为：

19、本发明所述al-bi-sn难混溶合金的制备方法，结合喷吹熔剂生成均匀弥散分布的tib2颗粒，以及搅拌的作用，制备富bi-sn相细小且弥散分布的al-bi-sn难混溶合金。本发明方法中，搅拌作用与弥散分布的tib2颗粒作用相结合，可以阻碍富bi-sn液滴的下沉运动，抑制宏观偏析；通过喷吹熔剂和化学反应在al-bi难混溶合金熔体中生成tib2颗粒，在凝固过程中促进了富bi-sn液滴形核，细化了软质的富bi-sn相尺寸，同时提高了合金al基体的硬度，增强了合金的自润滑耐磨性能。

20、本发明所制备的al-bi-sn难混溶合金组织均匀，有良好的自润滑耐磨性能，可作为轴承轴瓦材料。