CN100519009C - 一种定向增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种定向增强铝基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种定向增强铝基复合材料的制备方法。该方法将铝粉或铝合金粉或铝合金成分粉、短纤维状陶瓷相、聚乙烯醇溶液均匀混合，得到复合材料粉体浆料；再将复合材料粉体浆料放入定向挤制模具进行定向挤制，制备出短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料生坯细丝；细丝烘干干燥后，将细丝沿长度方向叠放，压力成形铝基复合材料生坯块体；最后将铝基复合材料生坯块体置于氢气或氩气保护气氛炉或真空炉中烧结，得到短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料。该材料陶瓷相的含量范围宽、与铝合金基体的界面反应小，定向分布程度高，有利于发挥短纤维状陶瓷相的纵向性能优势；另外实现定向分布过程不对陶瓷相的表面产生损害；制备装置简单、操作方便。

Description

一种定向增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备领域，具体是指一种定向增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
早在20世纪80年代，人们就已经认识到晶须或短纤维等增强体在金属基复合材料基体中的分布，若由三维随机状态变成单向排布，则晶须或短纤维的增强效果将大大提高。目前，通过对铝基复合材料的二次加工(如轧制、挤压等)虽然能够实现晶须或短纤维在垂直受力方向上的定向有序排列，但这种方法晶须或短纤维的定向度不高，且容易对晶须或短纤维造成损害。基于此点，人们开始尝试不需二次挤压即使晶须或短纤维定向分布的方法。姚奎毅等人在刊物《机械工程材料》中发表了题为“SiC晶须在高压静电场作用下单向排列的研究”的论文，提出了一种在高压静电场作用下，经过预处理的SiC晶须在含有适量非离子表面活性剂的氟里昂(R-113)中单向排列的工艺，但作者未提出如何将该方法与复合材料的复合过程结合起来。此外，杜军等人在刊物《摩擦学学报》中发表了题为“短纤维取向对Al2O3f+Cf/ZL109复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响”的论文，该文提到采用挤压铸造法制备Al2O3f+Cf/ZL109复合材料，由于预制体在制备过程中受单向压力，使得短纤维在复合材料中的分布呈现一定的方向性。但短纤维增强体的定向度仍然不高。在此基础上，李文方等人在刊物《材料科学与工程》中题为“硅酸铝/ZL109复合材料的纤维定向及其磨损特征”论文中提出了一种混合浆料挤压成型法，具体是将硅酸铝、添加剂与粘结剂组成的混合浆料放入模具中挤压制成硅酸铝定向分布的预制件，然后通过液体压力浸渗法制成复合材料。但该种方法受液体压力浸渗法制备金属基复合材料工艺本身特点的限制，挤压铸造过程中预制块易发生变形、铸渗后表面粗糙度大，微观结构不均匀，晶粒尺寸粗大和界面反应严重等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种定向增强铝基复合材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种定向增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤及其工艺条件：
(1)铝基复合材料粉料的制备：
按照配方称量配料，短纤维状陶瓷相占陶瓷相和铝粉或铝合金粉或铝合金成分粉总体积的10～70％，金属粉的粒度范围10～80微米之间，同一批次用粉粒径差<15％；
(2)聚乙烯醇溶液的配制：
用聚合度为1500～2000的聚乙烯醇，配制成质量浓度为4～6％的聚乙烯醇溶液；
(3)铝基复合材料粉体浆料的制备：
按铝基复合材料粉料∶聚乙烯醇溶液＝100∶6～15的质量比，将步骤(1)制得的铝基复合材料粉料加入步骤(2)制得的聚乙烯醇溶液中，混合均匀后，得到铝基复合材料粉体浆料；
(4)铝基复合材料生坯细丝的制备：
将铝基复合材料粉体浆料放入定向挤制模具喷嘴内径为0.7～1.5mm的定向挤制模具进行定向挤制，制备出短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料生坯细丝；
(5)后处理：
铝基复合材料生坯细丝烘干干燥后，沿长度方向叠放，压力成形铝基复合材料生坯块体，将铝基复合材料生坯块体置于氢气或氩气气氛炉或真空炉中烧结，得到短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料。
步骤(1)所述短纤维状陶瓷相为SiC晶须或Si3N4晶须或Al2O3短纤维。
步骤(5)所述的烘干干燥的温度为220～250℃，保温3～5h；压力成形的压力在500～700MPa之间。
步骤(5)所述的氢气或氩气气氛炉或真空炉中烧结的温度为640～700℃，保温1～3h。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、与铝基复合材料通过挤压或轧制等二次加工后形成增强体定向分布相比较，本发明制备的铝复合材料中晶须或短纤维增强体的定向分布程度高，且不对增强体产生损害。
2、与混合浆料挤压成型法制备增强体定向分布的预制件，然后液体压力浸渗制备增强体定向增强的铝基复合材料的方法相比较，本发明制备的铝基复合材料增强体与基体的界面清洁、界面反应小。
3、本发明适用范围宽，可通过对铝基复合材料基体及其粉体浆料的组成、定向挤制模具的喷嘴内径等调整增强体的定向度，以适应不同的性能需求。
4、本发明可归类于粉末冶金法制备铝基复合材料，铝基复合材料的组织细小，化学成份均匀，强化作用明显，性能良好。
5、本发明制备装置简单、操作方便，易于工业化。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1：
本实施例是一种定向增强铝基复合材料的制备方法，该制备方法的步骤及工艺条件如下：
在本实施例中，铝基复合材料基体采用铝合金成分粉，其组成：按质量百分比计，粒径20μm、20％的Si粉，粒径20μm、3％的Cu粉，其余为粒径15μm的Al粉；短纤维状陶瓷相为Al2O3短纤维。按Al2O3短纤维：Al-20Si-3Cu铝合金成分粉＝1∶6质量比混合配成铝基复合材料粉料，Al2O3短纤维占Al2O3短纤维与Al-20Si-3Cu铝合金成分粉总体积的10％。用聚合度1750的聚乙烯醇配制成质量浓度为4％的聚乙烯醇溶液。按铝基复合材料粉料：聚乙烯醇溶液＝100∶8的质量比，向铝基复合材料粉体中加入聚乙烯醇溶液，搅拌均匀，制成铝基复合材料粉体浆料。然后将铝基复合材料粉体浆料放入定向挤制模具进行定向挤制，定向挤制模具的喷嘴内径为1mm，得到铝基复合材料生坯细丝。最后在空气炉中进行烘干，烘干温度230℃，保温5小时；再将生坯细丝沿长度方向定向叠放，放入压制模具中，控制压制压力为500MPa，得到铝基复合材料生坯块体；在氩气气氛炉中进行烧结，烧结温度为670±10℃，保温1小时，获得Al2O3短纤维定向增强的铝基复合材料块体材料。
实施例2：
在本实施例中，铝基复合材料基体采用Al粉，粒径60μm。短纤维状陶瓷相为SiC晶须。按SiC晶须∶Al粉＝63.6∶216质量比混合配成铝基复合材料粉料，SiC晶须占SiC晶须和Al粉总体积的20％。用聚合度2000的聚乙烯醇配制成质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液。按聚乙烯醇溶液∶铝基复合材料粉料＝6.5∶100的质量比，向铝基复合材料粉体中加入聚乙烯醇溶液，混合搅拌均匀，制成铝基复合材料粉体浆料。然后将铝基复合材料粉体浆料放入定向挤制模具进行定向挤制，定向挤制模具的喷嘴内径为0.8mm，得到铝基复合材料生坯细丝。最后在空气炉中进行烘干，烘干温度250℃，保温4小时；再将生坯细丝沿长度方向定向叠放，放入压制模具中，控制压制压力为650MPa，得到铝基复合材料生坯块体；在氢气气氛炉中进行烧结，烧结温度为680±10℃，保温2小时，获得SiC晶须定向增强的铝基复合材料块体材料。
实施例3：
在本实施例中，铝基复合材料基体采用2024铝合金粉，粒径30μm。短纤维状陶瓷相为Si3N4晶须。按Si3N4晶须∶2024铝合金粉＝159∶135质量比混合配成铝基复合材料粉料，Si3N4晶须占Si3N4晶须和2024铝合金粉总体积的50％。用聚合度1870的聚乙烯醇配制成质量浓度为4.5％的聚乙烯醇溶液。按聚乙烯醇溶液∶铝基复合材料粉料＝10∶100的质量比，向铝基复合材料粉体中加入聚乙烯醇溶液，混合搅拌均匀，制成铝基复合材料粉体浆料。然后将铝基复合材料粉体浆料放入定向挤制模具进行定向挤制，定向挤制模具的喷嘴内径为1.3mm，得到铝基复合材料生坯细丝。最后在空气炉中进行烘干，烘干温度245℃，保温5小时；将生坯细丝沿长度方向定向叠放，放入压制模具中，控制压制压力为700MPa，得到铝基复合材料生坯块体；在真空炉中进行烧结，烧结温度为650±10℃，保温3小时，获得Si3N4晶须定向增强的铝基复合材料块体材料。

Claims (4)

1、一种定向增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤及其工艺条件：
(1)铝基复合材料粉料的制备：
按照配方称量配料，短纤维状陶瓷相占陶瓷相和铝粉或铝合金粉或铝合金成分粉总体积的10～70％，金属粉的粒度范围10～80微米之间，同一批次用粉粒径差<15％；
(2)聚乙烯醇溶液的配制：
用聚合度为1500～2000的聚乙烯醇，配制成质量浓度为4～6％的聚乙烯醇溶液；
(3)铝基复合材料粉体浆料的制备：
按铝基复合材料粉料∶聚乙烯醇溶液＝100∶6～15的质量比，将步骤(1)制得的铝基复合材料粉料加入步骤(2)制得的聚乙烯醇溶液中，混合均匀后，得到铝基复合材料粉体浆料；
(4)铝基复合材料生坯细丝的制备：
将铝基复合材料粉体浆料放入定向挤制模具喷嘴内径为0.7～1.5mm的定向挤制模具进行定向挤制，制备出短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料生坯细丝；
(5)后处理：
铝基复合材料生坯细丝烘干干燥后，沿长度方向叠放，压力成形铝基复合材料生坯块体，将铝基复合材料生坯块体置于氢气或氩气气氛炉或真空炉中烧结，得到短纤维状陶瓷相定向增强的铝基复合材料。
2、根据权利要求1所述的一种定向增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述短纤维状陶瓷相为SiC晶须或Si3N4晶须或Al2O3短纤维。
3、根据权利要求1所述的一种定向增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的烘干干燥的温度为220～250℃，保温3～5h；压力成形的压力在500～700MPa之间。
4、根据权利要求1所述的一种定向增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的氢气或氩气气氛炉或真空炉中烧结的温度为640～700℃，保温1～3h。
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短纤维定向增强金属基复合材料的制备及性能研究. 黄岳山.材料开发与应用，第14卷第6期. 1999
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