CN104451239A - Al3Tip/Al基自生复合材料的粉末触变成形制备方法 - Google Patents
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Abstract
Al3Tip/Al基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压样机中冷压制成预制坯，将预制坯放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热到反应结束，待反应结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即制备出Al3Tip/Al基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料的制备与成型技术，具体的是粉末触变成形技术制备铝三钛颗粒增强铝(Al3Tip/Al)基自生复合材料。
背景技术
Al3Tip/Al基复合材料具有质轻、耐磨、高温性能好的优点，在航空航天、汽车灯领域具有广阔的应用前景。熔体反应法是目前制备(Al3Tip/Al)基复合材料最常用的方法。其过程是将Ti、 TiO2、K2TiF6粉末或Al-Ti合金加入高温的Al液中，待反应结束后浇铸。该方法反应温度高，能耗大、合金元素烧损严重，熔体吸气、氧化严重，更为重要的是形成的Al3Tip多呈粗大的针状、棒状或块状，严重割裂基体。而粉末冶金法因其所得材料增强体粒子分布均匀，成分设计自由度宽，能够得到不同配比增强体粒子的复合材料，是现今制备人工制备粒子增强铝基自生复合材料（AMCs）最常用的方法，但该技术工艺流程长，尤其是包套步骤复杂，成本高；且材料中存在孔隙，组织的致密性差；难以获得形状复杂、大尺寸的零件。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法。
本发明是Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压样机中冷压制成预制坯，将预制坯放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热到反应结束，待反应结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即制备出Al3Tip/Al基复合材料。
与已有的熔体反应法相比，本发明中的粉末触变成形技术不仅能大幅度减少、甚至消除缩松、气孔等孔隙；所得Al3Ti增强体呈细小的球形颗粒状，对基体的割裂小、增强效果好。与粉末冶金法相比，本发明工艺过程相对简单，所得材料成本低，且组织致密，容易获得形状复杂的大尺寸零件。其综合了粉末冶金和触变成形技术的优点，是一种集制备和成形Al3Tip/Al 基复合材料于一体的新技术。
附图说明
图1是655℃加热8h后触变成形材料的光学照片，图2是655℃加热8h后触变成形材料的扫描电镜照片，图3是645℃加热9h后触变成形材料的光学照片，图4是645℃加热9h后触变成形材料的扫描电镜照片，图5是625℃加热12h后触变成形材料的光学照片，图6是625℃加热12h后触变成形材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明是Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压样机中冷压制成预制坯，将预制坯放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热到反应结束，待反应结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即制备出Al3Tip/Al基复合材料。
根据以上所述的制备方法，纯钛粉与铝合金粉混合球磨时间为0.5h-1h，球料比为5:1，转速100r/min。
根据以上所述的制备方法，压制预制坯的压力范围为144MPa-224MPa。
根据以上所述的制备方法，铝合金的半固态温度范围可由差热分析方法测定；对于铝合金，其半固态温度范围在460℃-680℃之间，将触变成形的固相率控制在40%-60%之间，其加热温度范围可设定在600℃-680℃之间。
根据以上所述的制备方法，加热时间决定于反应速度，以Ti粉完全反应形成Al3Ti的时间为准，反应时间范围为6h-12h。
根据以上所述的制备方法，模具预热温度为200℃-350℃。
触变成形是半固态成形的一种，不仅能大幅度减少、甚至消除缩松等孔隙，而且还能成形近净型的大尺寸、复杂形状的薄壁件，而近净型对于难加工的颗粒增强金属基复合材料尤为重要。而粉末冶金法所用原材料往往是雾化法获得，不仅自身尺寸小，而且其组织也十分细小，如将粉末压块部分重熔便可得到初生相颗粒细小、圆整的半固态组织，是触变成形所需的理想组织。如果将粉末冶金技术和触变成形技术相结合，便可得到一种集制备和成形Al3Tip/Al基复合材料于一体的新技术——粉末触变成形：先以粉末冶金法的混粉和压实步骤得到Al合金和纯Ti粉末混合均匀的锭料，然后将其在真空炉中加热到Al合金的半固态温度进行部分重熔，在此过程中，不仅固态Ti粉与Al液中的Al元素反应形成增强体Al3Tip，完成了Al3Tip的反应生成，而且也获得了组织致密、少孔隙的触变成形用非枝晶半固态锭料，待反应结束后进行触变成形。
Ti粉的粒径决定了所形成的Al3Ti粒子的尺寸以及反应时间：粒径越大，所形成的Al3Ti粒子的尺寸越大，反应时间越长；Al合金粉末的粒径影响着半固态组织中初生相Al颗粒的尺寸和形态：粒径越大，初生相Al颗粒的尺寸越大，形状越不圆整。粉末的配比决定了所形成Al3Ti增强体粒子的含量，Ti粉比例越高，形成的Al3Ti粒子的含量越高。球磨工艺以将Ti、Al粉混合均匀为准。预制坯的冷压压力以获得无明显孔隙的块体材料为准。半固态温度决定了半固态锭料中的固相率以及反应速率，温度越高，固相率越低，但反应速率越高。对于触变成形一般将固相率控制在40-60%之间。加热时间决定于反应速度，以Ti粉完全反应形成Al3Ti的时间为准。对于2024Al合金，当把合金固相率控制在40%-60%之间时，触变成形的加热温度范围设定在625℃-655℃之间，反应时间范围为8h-12h。
实施例1：
本实施例是以粒径为0-20um的Ti粉和粒径为10-20um的2024Al合金粉末为原材料，制备体积分数为10%的Al3Tip增强2024Al基自生复合材料。通过换算，生成体积分数为10%的Al3Ti时，Ti粉与2024铝合金粉重量比为1:22，按此配比称取原材料粉末，在球磨机中球磨40min（球料比5:1），然后放入压样机用192MPa的压力压制成Φ50×30mm预制坯，将预制坯在真空炉内在655℃加热8h后，取出放入温度为300℃的模具中进行触变成形。其组织如图1、2所示。
实施例2：
以粒径为0-20um的Ti粉和粒径为10-20um的2024Al合金粉末为原材料，制备体积分数为10%的Al3Tip增强2024Al基自生复合材料。通过换算，生成体积分数为10%的Al3Ti时，Ti粉与2024铝合金粉重量比为1:22，按此配比称取原材料粉末，在球磨机中球磨40min（球料比5:1），然后放入压样机用192MPa的压力压制成Φ50×30mm预制坯，将预制坯在真空炉内在645℃加热9h后，取出并放入温度为300℃的模具中进行触变成形。其组织如图3、4所示。
实施例3：
以粒径为0-20um的Ti粉和粒径为10-20um的2024Al合金粉末为原材料，制备体积分数为10%的Al3Tip增强2024Al基自生复合材料。通过换算，生成体积分数为10%的Al3Ti时，Ti粉与2024铝合金粉重量比为1:22，按此配比称取原材料粉末，在球磨机中球磨40min（球料比5:1），然后放入压样机用192MPa的压力压制成Φ50×30mm预制坯，将预制坯在真空炉内在625℃加热12h后，取出并放入温度为300℃的模具中进行触变成形。其组织如图5、6所示。
在图1、图2中，可以清楚的看到，在655℃加热8h后，Ti和Al能反应完全，生成细小的颗粒状物质，并且这种粒状物均匀分布于合金组织中。655℃是半固态区间内的最高温度，此时固相率约为62%，8h是Ti和Al完成反应的最短时间。通过XRD和EDS验证，这种颗粒就是Al3Ti粒子。
在图3、图4中，可以清楚的看到，在645℃加热9h，Ti和Al能反应完全，生成细小的Al3Ti，通过Image Pro Plus软件统计与计算，合金中固相率约为60%，此时Ti和Al能反应完全，生成Al3Ti。
在图5、图6中，可以清楚的看到，在625℃加热12h，Ti和Al能反应完全，生成细小的Al3Ti，通过Image Pro Plus软件统计与计算，合金中固相率约为40%，此时Ti和Al能完全反应，生成Al3Ti。
Claims (6)
1.Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压样机中冷压制成预制坯，将预制坯放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热到反应结束，待反应结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即制备出Al3Tip/Al基复合材料。
2.根据权利要求1所述的Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，纯钛粉与铝合金粉混合球磨时间为0.5h-1h，球料比为5:1，转速100r/min。
3.根据权利要求1所述的Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，压制预制坯的压力范围为144MPa-224MPa。
4.根据权利要求1所述的Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，铝合金的半固态温度范围可由差热分析方法测定；对于铝合金，其半固态温度范围在460℃-680℃之间，将触变成形的固相率控制在40%-60%之间，其加热温度范围可设定在600℃-680℃之间。
5.根据权利要求1所述的Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，加热时间决定于反应速度，以Ti粉完全反应形成Al3Ti的时间为准，反应时间范围为6h-12h。
6.根据权利要求1所述的Al3Tip/Al 基自生复合材料的粉末触变成形制备方法，其特征在于，模具预热温度为200℃-350℃。
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