CN103710581B - 一种纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料，特别涉及一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。其特征在于：将铝粉表面氧化膜的原位可控生长、破碎及快速固结集成应用于制备块体铝基纳米复合材料，具体步骤如下：1）将50~200μm铝粉或合金粉在空气中加热形成一定厚度Al₂O₃膜；2）在行星式高能球磨机中球磨粉末以破碎氧化膜；3）将球磨后的复合粉末置入高强石墨模具进行放电等离子烧结，即获得纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料。所制得铝基纳米复合材料中基体晶粒细小，体积分数为2~10%的纳米Al₂O₃颗粒弥散均匀，与基体界面结合良好，力学性能优异。本发明流程短、成本低、操作流程简单，容易实现工业化。

Description

一种纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料，特别涉及一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

20世纪80年代，随着纳米技术的兴起，通过物理或化学方法将纳米颗粒均匀地弥散在金属及其合金基体中，从而获得高性能金属基纳米复合材料得到人们广泛地关注；高性能铝基纳米复合材料，由于具有高比强度、出色的韧性和抗疲劳能力，良好的耐热、耐摩、耐蚀性，因此在航空、航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景，已成为近年来纳米材料及铝基复合材料交叉领域中的研究热点；目前，制备纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的方法主要有原位反应法和粉末冶金法等。

原位反应法是通过元素之间或元素与化合物之间发生化学反应获得一种或多种陶瓷纳米颗粒；专利CN201010505574.6采用硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)类硼化物和K₂ZrF₆类氟化物粉剂为反应混合盐，在铝熔体中直接反应合成制备纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；专利CN200610088368.3利用超声化学加速和控制原位反应进程，制备出纳米(ZrB₂+Al₂O₃+Al₃Zr)颗粒增强铝基复合材料；虽然原位反应生成的增强相与铝基界面无杂质污染，界面结合状态好，但是此工艺仍然有以下不足：（1）起始反应温度高；（2）生成的氧化铝颗粒尺寸跨度大（除纳米颗粒外，还含有亚微米甚至微米颗粒）；（3）颗粒团聚或分布不均匀；（4）熔体内杂质含量高。

粉末冶金法一般先通过球磨混匀复合粉末，再采用热/冷等静压、真空热压和热挤压等方式制备出块体铝基纳米复合材料；此类方法虽能制备出致密度较高的铝基纳米复合材料，但仍存在一些问题：（1）外加的纳米Al₂O₃颗粒由于具有极大的比表面能，团聚严重，长时间球磨很难保证分散均匀，致使成型材料的组织均匀性差；（2）后续成型工序中虽然实现了粉末致密化，但工艺繁琐，生产效率低，无法产业化推广；（3）纳米Al₂O₃粉末价格高昂，成本高。

铝是比较活泼的金属，标准电位-1.66V，在空气中能自然形成一层厚度约为0.01～0.1微米的Al₂O₃膜，将其粉末在空气中加热，促使氧化膜进一步原位生长为纳米Al₂O₃颗粒的获得提供了丰富来源，该思路在国内外文献中尚未有相关报道。

放电等离子烧结技术，是利用脉冲电流激活晶粒表面，击穿空隙内残留空气，局部放电，产生等离子体，同时会瞬间产生局部高温，在晶粒表面引起蒸发和融化，并在晶粒接触点形成颈部，从而促进材料的烧结，是一种新型快速烧结方法；这种制备工艺与传统的粉末冶金相比，它融等离子活化、热压为一体，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、致密度高、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点，在制备铝基纳米复合材料的应用中潜力巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法融合了原位反应法和粉末冶金法的优点，将铝粉表面氧化膜的原位可控生长、破碎及快速固结集成应用于制备块体铝基纳米复合材料。

本发明为了实现其技术目的所采用的技术方案是：采用铝粉表面原位氧化增厚、球磨破碎来获得纳米复合粉末，通过放电等离子烧结工艺来获得所需块体铝基纳米复合材料。

实现本发明的具体步骤如下：

1）将纯铝粉或雾化铝合金粉在空气中加热使得纯铝粉或雾化铝合金粉的表面形成1~2μm的Al₂O₃膜，其中加热温度200~400℃，时间3~10h。

2）在行星式高能球磨机中球磨粉末以破碎氧化膜，其中球料比4:1~8:1，转速500~800rpm，球磨时间5~10h。

3）将球磨后的复合粉末置入高强石墨模具，在真空度1×10^-1~1×10^-2Pa，烧结温度400~550℃，压力30~60MPa，保温时间5~10min工况下进行放电等离子烧结，即获得纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料。

所述的纯铝粉或雾化铝合金粉的粒径为50~200μm；雾化铝合金粉的牌号为1系列-7系列。

与现有的铝基纳米复合材料制备工艺相比，本发明的主要优点在于：

1）来源广泛、成本低：铝粉表面氧化膜经原位增厚、球磨破碎即可获得分散均匀的纳米复合粉末，无须外加昂贵的纳米Al₂O₃颗粒。

2）制备快捷、可行性高：利用放电等离子烧结进行材料的成型，反应周期短，工艺参数稳定，能够快速地制备块体铝基纳米复合材料，适用于规模化批量生产。

3）组织均匀、性能优异：所制备的复合材料致密度高，纳米Al₂O₃颗粒分散均匀、基体晶粒细小，力学性能优异。

附图说明

图1是铝基纳米复合材料制备工艺流程图；

图2是纳米Al₂O₃/Al复合材料的透射电镜图片；

图3是纳米Al₂O₃/7075Al复合材料的透射电镜图片。

具体实施方式

实施例1

纳米Al₂O₃/Al复合材料的制备方法如图1，包括以下步骤：

1）称取D₅₀=100μm的Al粉100g；

2）粉末在电热烘箱中经400℃氧化3h；

3）将氧化后粉末置于行星式高能球磨机中球磨，以不锈钢球作为球磨介质，球料比8:1，转速800rpm，球磨时间5h；

4）将球磨后的复合粉末置于直径30mm的高强石墨模具中，然后在真空条件下进行放电等离子烧结，其中烧结温度550℃、压力60MPa、保温时间5min、真空度1×10^-2Pa，最终制备出块体纳米Al₂O₃/Al复合材料。

图2为实例1所制备的纳米Al₂O₃/Al复合材料的微观组织，其中Al基体的晶粒尺寸300~500nm，纳米Al₂O₃颗粒尺寸20~50nm，体积分数5%，弥散均匀，与基体界面结合良好。

这里所选用的粉末为球形或近球形，Al₂O₃的体积分数可以按照以下公式估算：

Al₂O₃体积分数=[1-(1-2T/D)³]×100%

式中T为氧化膜厚度，D为含氧化膜在内的粉末直径，测得步骤2）中铝粉表面氧化膜厚度约1μm，相对应的Al₂O₃体积分数估算为5.8%，与图片2中实测的Al₂O₃体积分数基本一致，如果非球形，则需要根据实验来确定。

实施例2

纳米Al₂O₃/7075Al复合材料的制备方法如图1，包括以下步骤：

1）称取D₅₀=200μm的7075Al雾化合金粉100g；

2）粉末在电热烘箱中经200℃氧化10h；

3）将氧化后粉末置于行星式高能球磨机中球磨，以不锈钢球作为球磨介质，球料比4:1，转速500rpm，球磨时间10h；

4）将球磨后的复合粉末置于直径30mm的高强石墨模具中，然后在真空条件下进行放电等离子烧结，其中烧结温度400℃、压力30MPa、保温时间10min、真空度1×10^-1Pa，最终制备出块体纳米Al₂O₃/7075Al复合材料。

图3为实例2所制备的纳米Al₂O₃/7075Al复合材料的透射电镜图片，其中Al基体的晶粒尺寸600~800nm，纳米Al₂O₃颗粒尺寸50~100nm，体积分数为3%，弥散均匀，与基体界面结合良好。

Claims (2)

1.一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在铝粉或雾化铝合金粉表面原位可控生长Al₂O₃膜、球磨破碎来获得纳米复合粉末，通过放电等离子烧结工艺来获得所述为块体的纳米Al₂O₃颗粒增强铝基纳米复合材料，具体步骤如下：1）将铝粉或雾化铝合金粉在空气中加热形成一定厚度Al₂O₃膜；2）在行星式高能球磨机中球磨粉末以破碎氧化膜；3）将球磨后的复合粉末置入高强石墨模具进行放电等离子烧结，即获得纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；

步骤1）中所述的纯铝粉或雾化铝合金粉的粒径为50~200μm；雾化铝合金粉的牌号为1系列-7系列；

步骤1）中加热氧化温度为200~400℃，时间3~10h；Al₂O₃膜的厚度为1~2μm；步骤3）中烧结温度400~550℃，压力30~60MPa，保温时间5~10min，真空度1×10^-1~1×10^-2Pa。

2.根据权利要求1所述的一种纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中球料比4:1~8:1，转速500~800rpm，球磨时间5~10h。