CN104117675B

CN104117675B - 一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104117675B
Application number: CN201410314015.5A
Authority: CN
Inventors: 左孝青; 陆建生; 罗晓旭
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104117675A

Abstract

本发明涉及一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，属于多孔金属材料领域。采用铝或铝合金粉末、复合颗粒和造孔剂NaCl颗粒为原料，粉末混合后压制成坯，压坯加热到铝熔点或铝合金固相线温度以下20～50℃进行热等静压实现铝或铝合金粉末间的冶金结合，热等静压坯冷却后，用水溶除热等静压坯中的NaCl颗粒，得到多孔铝或铝合金基复合材料。

Description

一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，属于多孔金属材料领域。

背景技术

具有通孔结构的多孔铝或铝合金具有低密度、高比强、能量吸收、吸音减振、渗透流通、低热电导率等特性，在结构材料、噪音控制、过滤、隔热保温散热、电磁屏蔽、阻火等领域具有广阔的应用市场。在孔结构一定的情况下，多孔铝合金的基体材料的复合化，可进一步扩展其性能范围，如强度、弹性模量、阻尼、热稳定性、导热性等，使多孔铝或铝合金基复合材料在以上应用领域的性能表现更为优越。

目前，公知的多孔铝或铝合金的主流制备方法主要有渗流铸造法和粉末冶金法两种。

常规渗流铸造方法制备多孔铝或铝合金，是通过压力（正压或负压）将铝或铝合金熔体渗入到NaCl颗粒前驱体的孔隙中，冷却后水溶除NaCl颗粒得到多孔铝或铝合金。该方法可制备较大孔径（0.2mm以上）的多孔铝或铝合金，但还未见用该方法制作多孔铝基复合材料的报道。

粉末冶金法，是从粉末途径出发，将铝或铝合金粉末与NaCl颗粒混合、压制后，加热到一定温度进行烧结。由于铝或铝合金的活性较大，其表面容易氧化，铝或铝合金颗粒越细小，则氧化越严重，常规的气氛烧结或真空烧结均难以获得冶金结合的多孔铝或铝合金基复合材料。

发明内容

为克服上述公知多孔铝或铝合金制备技术难以获得多孔铝或铝合金基复合材料的不足，本发明提供一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，该方法具有孔结构可控、工艺简单、低成本的特点，可实现工业化生产。

本发明的技术方案是：采用铝或铝合金粉末、复合颗粒和造孔剂NaCl颗粒为原料，粉末混合后压制成坯，压坯加热到铝熔点或铝合金固相线温度以下20～50℃进行热等静压实现铝或铝合金粉末间的冶金结合，热等静压坯冷却后，用水溶除热等静压坯中的NaCl颗粒，得到多孔铝或铝合金基复合材料，具体步骤如下：

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度10～74μm的铝或铝合金粉末、粒度为0.1～8μm的复合颗粒、粒度为104～840μm的NaCl颗粒为原料进行配料，将铝或铝合金粉末、复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合1～3小时后，用压力机进行压制获得混合粉末坯，在混合粉末中NaCl颗粒的体积百分比为V_NaCl=30%~70%，复合颗粒的体积百分比=（1－V_NaCl）×10%~（1－V_NaCl）×30%，铝或铝合金粉末的体积百分比；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）获得的混合粉末坯加热到铝熔点或铝合金固相线温度以下20～50℃进行热等静压，热等静压时间为0.5～2小时，热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（3）得到的热等静压坯用水溶除其中的NaCl颗粒，得到孔隙率30～70%、孔径范围与NaCl颗粒粒径范围相同的多孔铝或铝合金基复合材料。

本发明所述铝或铝合金粉末为工业纯铝、铸造铝合金、加工铝合金粉末中的任意一种。

本发明所述复合颗粒为金刚石、SiC、Al₂O₃、TiB₂、TiC、Si₃N₄、BC、AlN颗粒中的任意一种。

本发明所述复合颗粒的粒径与铝或铝合金粉末的粒径的比小于0.15，铝或铝合金粉末的粒径与NaCl颗粒的粒径的比小于0.15。

本发明步骤（1）中所述混合粉末压制制坯的压力是100～500MPa。

本发明步骤（2）中所述热等静压的压力为100～180MPa。

本发明步骤（3）中所述水溶除NaCl颗粒的方法为将热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为0.5～2小时。

本发明所述的粒径的比是指颗粒直径的比。

本发明的原理是：

（1）混合粉末的颗粒粒径选用及孔结构控制原理

铝或铝合金粉末、复合颗粒及NaCl颗粒粒径的选择，与多孔复合材料基体的致密性及NaCl颗粒的去除性相关。

为了保证复合材料基体的致密性，在混合粉末中，三种粉末的粒径搭配应符合颗粒的几何特征；由晶体的空间结构模型可知，小颗粒可以存在于大颗粒的间隙位置，大颗粒可能的排布方式有体心、面心及密排六方三种方式，其间隙大小与大颗粒尺寸之间的比为0.155～0.414，为保证小颗粒存在于大颗粒的间隙间，取小颗粒的粒径与大颗粒粒径的比小于0.15，且同种颗粒的粒径范围尽量小。

本发明中，NaCl颗粒的粒径最大，可保证形成NaCl颗粒的主体空间网络结构，较小的铝或铝合金粉末填充NaCl颗粒的网络结构空隙，最小的复合颗粒则存在于铝或铝合金粉末的间隙间。这样的颗粒排列，一是可保证NaCl颗粒在后续水溶除过程中能完全去除，二是可以获得致密、性能优良的多孔复合基体。

最终获得的多孔铝或铝合金基复合材料，其孔隙率与NaCl颗粒的体积百分比相同，其孔径由NaCl颗粒的粒径范围所决定，其复合颗粒含量由复合颗粒及铝或者铝合金粉末的体积含量确定。

（2）压坯的热等静压原理

铝粉末表面通常有一层纳米量级厚的氧化铝，在热等静压条件下，铝或铝合金粉末表面的氧化层破裂使铝或铝合金粉末之间形成新鲜金属表面的接触，且铝或铝合金粉末表面不会产生新的氧化层，由此实现铝或铝合金粉末之间的良好冶金结合。

由于基体为复合材料，因此，与常规热等静压相比，本发明采用较高的热等静压温度及热等静压力，以保证复合材料基体的冶金结合性。

本发明的有益效果：

铝或铝合金粉末、复合颗粒与造孔剂NaCl颗粒在常温下混合，通过粉末和颗粒的粒径及含量调控，实现孔结构的可控性；同时，通过混合粉末压坯的热等静压，实现铝或铝合金粉末之间的冶金结合；提供了一种孔结构可控、工艺简单、低成本的多孔铝或铝合金基复合材料制备方法。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度为10～25μm的1060工业纯铝粉末、粒度为0.1～1.5μm的金刚石颗粒及粒度为178～297μm的NaCl颗粒为原料进行配料，其中，NaCl颗粒、金刚石颗粒、1060工业纯铝粉末在混合粉末中的体积百分比分别为30%、7%及63%，1060工业纯铝粉末、金刚石复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合3小时后得到均匀的混合粉末，将此混合粉末在500MPa的压力下压制获得混合粉末坯；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）制得的混合粉末坯加热到620℃进行热等静压（热等静压压力100MPa，热等静压时间2小时），热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）制得的热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为0.5小时，得到孔隙率30%、孔径范围178～297μm、含金刚石体积百分比10%的多孔1060工业纯铝/金刚石基复合材料。

实施例2

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度为25～37μm的3004铝合金粉末、粒度为0.1～3.4μm的TiB2颗粒及粒度为250～350μm的NaCl颗粒为原料进行配料，其中，NaCl颗粒、TiB2颗粒、3004铝合金粉末在混合粉末中的体积百分比分别为50%、10%及40%，3004铝合金粉末、TiB₂复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合2小时后得到均匀的混合粉末，将此混合粉末在400MPa的压力下压制获得混合粉末坯；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）制得的混合粉末坯加热到560℃进行热等静压（热等静压压力150MPa，热等静压时间1小时），热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）制得的热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为1.5小时，得到孔隙率50%、孔径范围250～350μm、含TiB2体积百分比20%的多孔3004铝合金/TiB2基复合材料。

实施例3

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度为37～53μm的ZL111铝合金粉末、粒度为0.1～5μm的SiC颗粒及粒度为420～590μm的NaCl颗粒为原料，其中，NaCl颗粒、SiC颗粒、ZL101铝合金粉末在混合粉末中的体积百分比分别为70%、9%及21%，ZL111铝合金粉末、SiC复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合1小时后得到均匀的混合粉末，将此混合粉末在100MPa的压力下压制获得混合粉末坯；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）制得的混合粉末坯加热到550℃进行进行热等静压（热等静压压力180MPa，热等静压时间0.5小时），热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）制得的热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为2小时，得到孔隙率70%、孔径范围420～590μm、含SiC体积百分比30%的多孔ZL111铝合金/SiC基复合材料。

实施例4

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度为61～74μm的2004铝合金粉末、粒度为5～8μm的Al2O3颗粒及粒度为710～840μm的NaCl颗粒为原料，其中，NaCl颗粒、Al2O3颗粒、2004铝合金粉末在混合粉末中的体积百分比分别为为60%、8%及32%，2004铝合金粉末、Al2O3复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合1小时后得到均匀的混合粉末，将此混合粉末在200MPa的压力下压制获得混合粉末坯；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）制得的混合粉末坯加热到560℃进行进行热等静压（热等静压压力170MPa，热等静压时间1.5小时），热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）制得的热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为1.6小时，得到孔隙率60%、孔径范围710～840μm、含Al2O3体积百分比20%的多孔2004铝合金/Al2O3基复合材料。

实施例5

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度为10～15μm的6063铝合金粉末、粒度为0.1～1.25μm的Si3N4颗粒及粒度为104～124μm的NaCl颗粒为原料，其中，NaCl颗粒、Si3N4颗粒、6063铝合金粉末在混合粉末中的体积百分比分别为为40%、12%及48%，6063铝合金粉末、Si3N4复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合2.5小时后得到均匀的混合粉末，将此混合粉末在300MPa的压力下压制获得混合粉末坯；

（2）混合粉末坯的热等静压：将步骤（1）制得的混合粉末坯加热到520℃进行进行热等静压（热等静压压力120MPa，热等静压时间1.8小时），热等静压后随炉冷却得到热等静压坯；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）制得的热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为1.2小时，得到孔隙率40%、孔径范围104～124μm、含Si3N4体积百分比20%的多孔6063铝合金/Si3N4基复合材料。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤包括：

（1）混合粉末坯的制备：采用粒度10～74μm的铝或铝合金粉末、粒度为0.1～8μm的复合颗粒、粒度为104～840μm的NaCl颗粒为原料进行配料，将铝或铝合金粉末、复合颗粒和NaCl颗粒在混料机中混合1～3小时后，用压力机进行压制获得混合粉末坯，在混合粉末中NaCl颗粒的体积百分比为V_NaCl=30%~70%，复合颗粒的体积百分比V_复合=（1－V_NaCl）×10%~（1－V_NaCl）×30%，铝或铝合金粉末的体积百分比V_铝=1―V_NaCl―V_复合；

（3）热等静压坯的后处理：将步骤（2）得到的热等静压坯用水溶除其中的NaCl颗粒，得到孔隙率30～70%、孔径范围与NaCl颗粒粒径范围相同的多孔铝或铝合金基复合材料。

2.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝为工业纯铝，铝合金粉末为铸造铝合金、加工铝合金粉末中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合颗粒为金刚石、SiC、Al₂O₃、TiB₂、TiC、Si₃N₄、BC、AlN颗粒中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：复合颗粒粒径与铝或铝合金粉末粒径的比小于0.15，铝或铝合金粉末粒径与NaCl颗粒粒径的比小于0.15。

5.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述混合粉末压制制坯的压力是100～500MPa。

6.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述热等静压压力为100～180MPa。

7.根据权利要求1所述的多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述水溶除NaCl颗粒的方法为将热等静压坯置于室温流水中溶除NaCl颗粒，溶除时间为0.5～2小时。