CN104498752A - 一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料制备技术领域。该方法将铝基合金粉末和增强体粉末进行高能球磨；将球磨结束后制得的复合粉末真空干燥，过筛；将经过干燥筛分的复合粉末采用超声振动，控制烧结气氛进行松散粉末的无压烧结，制得全致密的粉末冶金铝基复合材料坯料，坯料经过挤压、轧制、模锻等热加工后，得到所要的铝基复合材料。该方法采用全新的活化烧结致密化工艺，将复合粉末在气氛保护下不经压制直接进行超声振动致密化烧结，制备出全致密的微纳米颗粒增强铝基复合材料坯料，制备出的铝基复合材料增强相分布均匀，产品性能优异，该法对产品大小及形状无限制，成本低廉适合规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料制备技术领域，特别是指一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，在航空、航天、电子、通讯、军工等技术领域，对材料的要求日益提高，传统的单一结构材料已难以满足轻质量、高强度的需求，材料的复合化已成为材料发展的重要方向，铝基复合材料具有高比强度、高比模量、良好的耐磨性、尺寸稳定性、热膨胀系数小等特点，因此日益受到国内外研究的重视。
复合制备技术是颗粒增强铝基复合材料获得良好复合效应，发挥基体与增强体各自性能优势，实现复合材料高性能化的关键。国际上围绕影响复合质量的增强体颗粒与基体之间界面结合、颗粒分布均匀性以及组织与缺陷的控制等关键共性问题开展了大量系统的复合制备技术专门研究，形成了以制备高性能复合材料的粉末冶金法、低成本的搅拌铸造法、高体分复合材料的浸渗法为代表的性能可控、强化作用显著的复合制备方法，并在工业上根据使用需求得到了不同程度的应用。
目前，已经有关于制备颗粒增强铝基复合材料的专利。中国发明专利CN200910239051.9公开了一种用增强体颗粒与半固态金属溶液混合以超声搅拌熔铸的方法制备铝基复合材料。此法虽然工序简单、所得产品致密，但是存在增强体颗粒易团聚或分散不均匀等缺点。专利号为CN200910244268.9的中国专利公开了一种通过粉末冶金法真空热压或热等静压制备颗粒增强铝基复合材料的方法。此法成本较高、致密度不高、所需设备较复杂。而通过超声振动活化烧结松散粉末制备颗粒增强铝基复合材料目前还未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
本发明的原理是：突破了复合粉末活化烧结技术，通过采用超声振动，控制烧结气氛进行松散粉末的无压烧结，即可得到全致密的粉末冶金颗粒增强铝基复合材料。在高频振动和气氛的共同作用下，复合粉末表面的增强相参与反应、破裂、迁移、聚集，最终保留在合金内部形成细小、均匀的增强相。
本发明将铝基合金粉末和增强相粉末进行高能球磨，将球磨结束后制得的复合粉末真空干燥、过筛，采用全新的活化烧结致密化工艺，将已高能球磨、真空干燥、筛分的复合粉末在气氛保护下不经压制直接进行超声振动致密化烧结，制备出全致密的微纳米颗粒增强铝基复合材料坯料。其具体步骤如下：
(1)将铝基合金粉末和增强相粉末混合，混合后的粉末进行高能球磨，即在转速为200r/min的行星球磨机上湿磨5-25小时，球磨介质是丙酮；其中，铝基合金粉末的平均粒度为1～100μm，增强相的平均粒度为0.01～30μm，增强相颗粒在复合粉末中的质量百分比为0.01～60％；
(2)将高能球磨后的制得的复合粉末放入30℃的真空干燥箱中干燥3-10小时，并将干燥后的粉末用研钵研磨，研磨后粉末的粒度与原料中铝基合金粉末的粒度相同；
(3)将经过干燥筛分的复合粉末置于可控烧结气氛的不锈钢容器中，然后置于电阻炉中烧结，电阻炉升温速度为5℃/min，升至550-650℃后，在保温的情况下，采用频率20KHz，额定功率1KW的超声振动装置，对容器中的粉体进行30min的超声振动处理，超声振动装置深入粉体50mm，声强5.0W/cm2，处理完后继续保温150min，最后随炉冷却至室温，制得全致密的微纳米增强相均匀分布的铝基复合材料。
其中，铝及其合金为基体，增强相为AlN、Al2O3、SiC、Si3N4、TiC、TiB2、B4C、金刚石中的一种或多种，烧结气氛为高纯Ar、高纯N2、H2中的一种。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该方法制备工艺简单，可控性好，制备出的铝基复合材料增强相分布均匀，产品性能优异，该法对产品大小及形状无限制，成本低廉并且适合于规模化生产，是一种理想的制备微纳米颗粒增强铝基复合材料的方法。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1：5wt％SiC-2024铝基复合材料的制备
(1)将950g的50-75μm的2024铝合金粉末和50g的0.1μm的SiC混合，混合后的粉末在转速为200r/min的行星球磨机上湿磨10小时，球料比20:1，球磨介质是丙酮；
(2)将高能球磨后的制得的复合粉末放入30℃的真空干燥箱中干燥4小时，并将干燥后的粉末用研钵研磨，研磨后粉末的粒度与原料中铝基合金粉末的粒度相同；
(3)将经过干燥筛分的复合粉末置于可控烧结气氛的不锈钢容器中，然后置于电阻炉中在H2气氛下烧结，电阻炉升温速度为5℃/min，升至620℃后，在保温的情况下，采用频率20KHz，额定功率1KW的超声振动装置，对容器中的粉体进行30min的超声振动处理，超声振动装置深入粉体50mm，声强5.0W/cm2，处理完后继续保温150min，最后随炉冷却至室温，制得全致密的纳米SiC增强相均匀分布的铝基复合材料。
实施例2：10wt％SiC-2024铝基复合材料的制备
(1)将900g的100μm的2024铝合金粉末和100g的2μm的SiC混合，混合后的粉末在转速为200r/min的行星球磨机上湿磨12小时，球料比20:1，球磨介质是丙酮；
(2)将高能球磨后的制得的复合粉末放入30℃的真空干燥箱中干燥6小时，并将干燥后的粉末用研钵研磨，研磨后粉末的粒度与原料中铝基合金粉末的粒度相同；
(3)将经过干燥筛分的复合粉末置于可控烧结气氛的不锈钢容器中，然后置于电阻炉中在高纯Ar气氛下烧结，电阻炉升温速度为5℃/min，升至620℃后，在保温的情况下，采用频率20KHz，额定功率1KW的超声振动装置，对容器中的粉体进行30min的超声振动处理，超声振动装置深入粉体50mm，声强5.0W/cm2，处理完后继续保温150min，最后随炉冷却至室温，制得全致密的SiC增强相均匀分布的铝基复合材料。
实施例3：10wt％SiC-7075铝基复合材料的制备
(1)将900g的30μm的7075铝合金粉末和100g的2μm的SiC混合，混合后的粉末在转速为200r/min的行星球磨机上湿磨24小时，球料比20:1，球磨介质是丙酮；
(2)将高能球磨后的制得的复合粉末放入30℃的真空干燥箱中干燥10小时，并将干燥后的粉末用研钵研磨，研磨后粉末的粒度与原料中铝基合金粉末的粒度相同；
(3)将经过干燥筛分的复合粉末置于可控烧结气氛的不锈钢容器中，然后置于电阻炉中在高纯N2的气氛下烧结，电阻炉升温速度为5℃/min，升至570℃后，在保温的情况下，采用频率20KHz，额定功率1KW的超声振动装置，对容器中的粉体进行30min的超声振动处理，超声振动装置深入粉体50mm，声强5.0W/cm2，处理完后继续保温150min，最后随炉冷却至室温，制得全致密的SiC增强相均匀分布的铝基复合材料。
上述制得的全致密的粉末冶金铝基复合材料坯料，坯料经过挤压、轧制、模锻等热加工后，产品综合性能优异，可应用于航空航天、汽车、电子以及体育等领域。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将铝基合金粉末和增强相粉末混合，混合后的粉末进行高能球磨，即在转速为200r/min的行星球磨机上湿磨5-25小时，球磨介质是丙酮；
(2)将高能球磨后制得的复合粉末放入30℃的真空干燥箱中干燥3-10小时，并将干燥后的粉末用研钵研磨，研磨后粉末的粒度与原料中铝基合金粉末的粒度相同；
(3)将经过干燥研磨的复合粉末置于可控烧结气氛的不锈钢容器中，然后置于电阻炉中烧结，电阻炉升温速度为5℃/min，升至550-650℃后，在保温的情况下，采用频率20KHz，额定功率1KW的超声振动装置，对容器中的粉体进行30min的超声振动处理，超声振动装置深入粉体50mm，声强5.0W/cm2，处理完后继续保温150min，最后随炉冷却至室温，制得全致密的微纳米增强相均匀分布的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中铝基合金粉末的平均粒度为1～100μm，增强相的平均粒度为0.01～30μm，增强相颗粒的在复合粉末中的质量百分比为0.01～60％。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中球磨的球料比为20:1。
4.根据权利要求1所述的一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝基合金，即基体为铝及其合金；增强相为AlN、Al2O3、SiC、Si3N4、TiC、TiB2、B4C、金刚石中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的烧结气氛为高纯Ar、高纯N2或H2。
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