CN101104899A

CN101104899A - 采用TiB2颗粒的高强塑性铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101104899A
Application number: CNA2007100725909A
Authority: CN
Inventors: 姜龙涛; 武高辉; 修子扬; 苟华松
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: CN100485067C

Abstract

采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料及其制备方法，它涉及铝基复合材料及其制备方法。它解决了现有铝基复合材料塑性和韧性低，难以实现二次加工的问题。本发明按体积百分比由二硼化钛增强体颗粒为10～25％、铝颗粒为25～35％、其余为基体铝合金制成。本发明的方法为：一、取二硼化钛增强体颗粒、铝颗粒、其余为基体铝合金；二、采用机械式干法混合得到增强体粉末备用；三、将增强体粉末置于模具内压制成块；四、将模具加热；五、将铝合金熔化并浇铸到模具内；六、对浇铸有铝熔液的模具在压力机上施压，保持压力时间并冷却；七、脱模取出铸锭，即制备出本发明的增强铝基复合材料。本发明的铝基复合材料塑性高、耐磨性好和易于二次加工成型。

Description

采用TiB2颗粒的高强塑性铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及增强铝基复合材料及其制备方法，尤其是涉及高强塑性颗粒铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强的金属基复合材料不仅具备了纤维和晶须增强的金属基复合材料的一些优良特性，而且兼有增强体价格便宜、制备工艺相对简便、易于二次加工、性能具有各向同性和耐磨等优点，因此应用十分广泛。在比强度、比模量要求不特别高的环境中，如航空、航天结构件、汽车、摩托车零部件、纺织机械等领域，颗粒增强复合材料已经显示出传统金属材料无法比拟的优越性。因此，它将有望在这些领域部分替代传统材料。虽然对铝基复合材料的研究十分广泛，但目前规模化应用仍然难于实现，主要是因为与传统材料相比，颗粒增强复合材料仍存在一些问题急需解决，其中塑性和韧性较低是限制其作为结构件规模化应用的一个主要原因。因此近年来改善颗粒增强铝基复合材料塑性和韧性已成为这个方向的研究热点之一。大量的研究表明，脆性增强体的加入使合金的塑性和韧性均有不同程度的下降，尤其是材料的塑性与相应的未增强基体合金相比，低了一个数量级以上，这种现象不仅使得其作为结构件的安全性难以保证，更难以实现二次加工，使得一些结构复杂的零件成型困难。研究表明，金属基复合材料的塑性与以下因素相关：增强体的性质、颗粒的粒度分布，颗粒形状、与基体合金之间的界面结合状况以及基体合金的塑性、时效行为等，其中颗粒的性质，与基体之间的相容性，界面状态成为影响复合材料塑性的主要因素。研究还表明，TiB₂陶瓷颗粒不仅具有仅次于金刚石的硬度和模量，而且具有与铝之间良好的浸润性，且不易与铝之间发生界面反应，是一种理想的铝合金增强体。近年来，TiB2颗粒增强铝基复合材料的研究日益增多，大都集中在对制备方法的研究上，主要涉及到制备方法为：自蔓延高温合成(SHS)、机械合金化(MA)、反应烧结(XDTM)、混合盐反应法(LSM)、熔体接触反应法、无压浸渗法、搅拌铸造法等制备方法。目前这些材料及制备方法中的TiB₂颗粒形态、含量、基体合金的选择、颗粒与基体的化学反应产物等没有或不可能得到有效控制。美国文献US 6290748 B1中公开了TiB₂颗粒增强铝基复合材料的两种制备方法，属于上述搅拌铸造与混合盐反应法的结合。第一种方法是先将TiB₂陶瓷相分散在液态铝(合金)中，然后将TiB₂陶瓷相与外加的冰晶石或其他的氟化物粉末混合，然后将混合物与铝(合金)在700～1000℃熔融，凝固成复合材料。第二种方法是在惰性气氛中通过熔融铝或合金元素(Mg/Ca)与一定量的氟化物(较原位生成法中量少)还原反应生成不同尺寸的TiB₂晶体，TiB₂的尺寸分布由添加的氟化物和铝合金的成分以及制备温度所决定。这两种方法的优点在于基体可选种类多，可以生成最高体积分数超过50％的TiB₂/Al复合材料(体积分数0～60％，颗粒的尺寸可以从微米到纳米)；缺点在于对气氛(湿度、氧含量等)要求严格，对设备和环境的要求较高，尤其不可避免的是复合材料中存在反应物的残留，成份复杂，从而影响材料性能，尤其是对塑性的影响较大。

发明内容

本发明为了解决现有颗粒增强铝基复合材料韧性低的问题：由于脆性增强体的加入使合金的塑性和韧性均有不同程度的降低，尤其是材料的塑性与相应的未增强基体合金相比，降低了一个数量级以上，这种现象不仅使得其作为结构件的安全性难以保证，更难以实现二次加工，使得一些结构复杂的零件成型困难；另一方面，现有TiB₂/Al复合材料制备工艺对气氛(湿度、氧含量等)要求严格，对设备和环境的要求较高，因而不可避免的在复合材料中存有反应物的残留，成份复杂，从而影响材料性能，尤其是韧性低。本发明提供了一种采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明的铝基复合材料由二硼化钛增强体颗粒、铝颗粒和基体铝合金组成，按体积百分比二硼化钛增强体颗粒为10～25％、铝颗粒为25～35％和余量为基体铝合金制成。

TiB₂增强体的粒径为0.5～5μm，铝颗粒的粒径为5～10μm。

基体铝合金为Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。

本发明采用TiB₂颗粒制备高强塑性增强铝基复合材料的方法的步骤如下：

步骤一、按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为10～25％、铝颗粒为25～35％；

二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒粒径为5～10μm；

步骤二、将步骤一的原料粉体采用机械式干法混合得到增强体粉末备用；

步骤三、将步骤二的增强体粉末置于模具内压制成预制块；

步骤四、将步骤三装有增强体粉末预制块的模具加热至450℃～600℃；

步骤五、将余量的基体铝合金加热至750℃～850℃，将铝熔液浇铸到步骤四的模具内；

步骤六、对步骤五浇铸有铝熔液的模具在压力机上施加5～30Mpa的压力，使基体铝熔液体浸渗到增强体粉末颗粒之间的孔隙中，待铝熔液完全浸渗增强体粉末颗粒之间的孔隙中后保持压力10～20分钟并冷却；

步骤七、冷却后，脱模取出铸锭，即制备出本发明的采用TiB₂颗粒制备高强度高塑性铝基复合材料。

本发明利用压力浸渗法制备的TiB₂颗粒增强铝基复合材料，不仅可以有效的控制复合材料中杂质的产生(主要可以避免原位反应法或混合盐法等反应物残留的问题)，而且利用本发明制备的复合材料由于TiB₂颗粒与铝合金有良好的界面结合，复合材料具有高强度、高塑性的优点；与现有的利用原位自生的方法制备的增强铝基复合材料相比，该种增强铝基复合材料不仅具有比刚度高、比强度高的特性，而且塑性能够得到明显的提高(表1给出了几种采用TiB₂颗粒高强度、高塑性增强铝基复合材料的性能)。本发明采用TiB₂颗粒的铝基复合材料成分简单、洁净，塑性高、耐磨性好和易于二次加工成型，符合规模化生产的要求。本发明的复合材料的制备方法采用压力浸渗技术，工艺简单，成本低，致密度高，材料性能高且质量稳定。

附图说明

图1是本发明的复合材料的扫描电镜照片下TiB₂颗粒均匀分布于铝合金基体中的示意图，图2是挤压示意图。图2中1是压头，2是铸腔，3是下部型腔，4是模具，5是电炉。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式由二硼化钛增强体颗粒、铝颗粒和基体铝合金组成，按体积百分比二硼化钛增强体颗粒占10～25％，平均粒径为0.5～5μm；铝颗粒占25～35％，平均粒径为5～10μm；其余为基体铝合金，基体铝合金为Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。

具体实施方式二：本实施方式按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为10％、铝颗粒为35％、其余为基体铝合金制成。

具体实施方式三：本实施方式按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为25％、铝颗粒为25％、其余为基体铝合金制成。

具体实施方式四：本实施方式按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为17.5％、铝颗粒为30％、其余为基体铝合金制成。

具体实施方式五：本实施方式方法的步骤如下：

步骤三、将步骤二的增强体粉末置于模具内压制成预制块；

步骤六、对步骤五浇铸有铝熔液的模具在压力机上施加5～30Mpa的压力，使基体铝熔液体浸渗到增强体粉末颗粒之间的孔隙中，待铝熔液体完全浸渗增强体粉末颗粒之间的孔隙中后保持压力10～20分钟并冷却；

步骤七、冷却后，脱模取出铸锭，即制备出采用TiB₂颗粒制备高强度高塑性增强铝基复合材料。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于步骤一按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为10％、铝颗粒为35％、其余为基体铝合金；二硼化钛增强体颗粒的粒径为1μm，铝颗粒粒径为5μm；步骤四将模具加热至525℃；步骤五将基体铝合金加热至850℃；步骤六压力机上施加10Mpa的压力，保持压力20分钟。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于步骤一按体积分数百分比取二硼化钛增强体颗粒为17.5％、铝颗粒为30％、其余为基体铝合金；二硼化钛增强体颗粒的粒径为3μm，铝颗粒粒径为7μm；步骤四将模具加热至450℃；步骤五将基体铝合金加热至800℃；步骤六压力机上施加20Mpa的压力，保持压力15分钟。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于步骤一按体积分数百分比取二硼化钛增强体颗粒为25％、铝颗粒为25％、其余为基体铝合金；二硼化钛增强体颗粒的粒径为5μm，铝颗粒粒径为9μm；步骤四将模具加热至600℃；步骤五将基体铝合金加热至750℃；步骤六压力机上施加30Mpa的压力，保持压力10分钟。其它步骤与具体实施方式五相同。

表一、采用TiB₂颗粒制备高强度、高塑性增强铝基复合材料的性能指标(T6处理)

材料名称	弹性模量GPa	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	延伸率(％)
材料名称	弹性模量GPa	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	延伸率(％)	(15Vol％TiB₂+30Vol％Al)_P/6061Al	107.1	298.8	364.1	11.2
(20Vol％TiB₂+25Vol％Al)_P/6061Al	120.3	384.9	472.6	9.8	(15Vol％TiB₂+30Vol％Al)_P/6061Al	107.1	298.8	364.1	11.2
(20Vol％TiB₂+25Vol％Al)_P/6061Al	120.3	384.9	472.6	9.8	(25Vol％TiB₂+20Vol％Al)_P/6061Al	135.7	410.3	520	7.1

Claims

1.采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料，它由二硼化钛增强体颗粒、铝颗粒和基体铝合金制成，其特征在于按体积百分比二硼化钛增强体颗粒为10～25％、铝颗粒为25～35％和余量为基体铝合金。

2.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强度高塑性铝基复合材料，其特征在于二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm。

3.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料，其特征在于铝颗粒粒径为5～10μm。

4.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性增强铝基复合材料，其特征在于基体铝合金为Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。

5.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料，其特征在于按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为10％、铝颗粒为35％、其余为基体铝合金制成。

6.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料，其特征在于按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为25％、铝颗粒为25％、其余为基体铝合金制成。

7.根据权利要求1所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料，其特征在于按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为17.5％、铝颗粒为30％、其余为基体铝合金制成。

8.权利要求1采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤三、将步骤二的增强体粉末置于模具内压制成预制块；

步骤六、对步骤五浇铸有铝熔液的模具在压力机上施加5～30Mpa的压力，使基体铝熔液体浸渗到增强体粉末颗粒之间的孔隙中，待铝熔液体完全浸渗增强体粉末颗粒之间的孔隙中后保持压力时间10～20分钟；

步骤七、冷却后，脱模取出铸锭，即制备出采用TiB₂颗粒制备高强塑性增强铝基复合材料。

9.根据权利要求8所述的采用TiB₂颗粒的高强塑性铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一按体积百分比取二硼化钛增强体颗粒为10％、铝颗粒为35％、其余为基体铝合金；二硼化钛增强体颗粒的粒径为3μm，铝颗粒粒径为7μm；步骤四将模具加热至525℃；步骤五将基体铝合金加热至850℃；步骤六压力机上施加10Mpa的压力，保持压力时间20分钟。

10.根据权利要求8所述的采用TiB₂颗粒的高强度高塑性铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一按体积分数百分比取二硼化钛增强体颗粒为17.5％、铝颗粒为30％、其余为基体铝合金；二硼化钛增强体颗粒的粒径为5μm，铝颗粒粒径为9μm；步骤四将模具加热至450℃；步骤五将基体铝合金加热至800℃；步骤六压力机上施加20Mpa的压力，保持压力时间15分钟。