CN105219981A - 一种可控体积分数Ti2AlCp/Al基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可控体积分数Ti₂AlC_p/Al复合材料的挤压铸造方法，它涉及增强体预制块的制备方法，属于铝基复合材料领域。本发明解决了颗粒增强铝基复合材料预制块制备困难的问题，并实现了增强体含量的可控性，从而提出了一种全新的可控体积分数的Ti₂AlC_p/Al复合材料的挤压铸造方法。本发明的制备过程包括增强体预制块原料的配制，然后预制块的冷压成型，最后挤压铸造制备Ti₂AlC_p/Al铝基复合材料。采用本发明的方法制备增强体预制块工艺简单，无需繁杂的粘结剂筛选过程，预制块的颗粒分散性好，并且增强体含量可控。

Description

一种可控体积分数Ti2AlCp/Al基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于铝基复合材料领域，主要应用于颗粒增强铝基复合材料的制备。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料的比强度和比模量高，热膨胀系数低，导热性能好，并且具有制备工艺简单，容易二次加工等优点，是当前金属基复合材料研究发展的重点，在航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统等高技术领域拥有广泛的应用前景。Ti₂AlC三元化合物是最近备受关注的一种新型化合物，具有高强度和高模量，导电和可加工性能好，并具有一定的塑性，是新型颗粒增强体的优秀备选材料。颗粒增强铝基复合材料常用的制备方法包括搅拌铸造法、挤压铸造法、粉末冶金法、无压浸渗法和喷射共沉积法等，但搅拌铸造法制备出的铝基复合材料中的颗粒分散性不稳定；粉末冶金法制备工艺复杂而生产成本高，材料的致密性也相对较差；无压浸渗法则只适合制备增强体与基体熔体润湿性好的复合材料体系；共喷射沉积技术工艺复杂，过程控制难度大。挤压铸造工艺简单，不受增强体与基体浸润性能的限制，可以生产大尺寸和增强体体积分数相对较高的复合材料，且制得的复合材料组织均匀。此外，挤压铸造方法设备复杂程度低，操作方便成本低，熔融金属冷却快而制备过程周期短，产品接近净成形，适宜大规模生产。

挤压铸造法是指在压力的作用下将液态的金属液体浸入增强体预制块中制备复合材料的一种工艺。增强体预制块的制备对颗粒增强铝基复合材料的性能有着决定性的影响。目前增强体预制块的制备方法包括湿压法和干压法。湿压法在制备过程中通常需要加入粘结剂，粘结剂的选择以及烘干方式对预制块的性能都会产生很大的影响；干压法受增强体的种类和颗粒粒径的限制，其应用受到一定的限制。

发明内容

本发明提供一种新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，即通过避免使用粘结剂而解决增强体预制块制备困难的问题，并通过向预制块中添加铝粉来控制增强体在复合材料中的含量，最终通过挤压铸造法制备Ti₂AlC颗粒增强Al基复合材料。Ti₂AlC增强体的体积含量高于15％而低于50％。

Ti₂AlC_p/Al复合材料采用纯Al作为基体。

Ti₂AlC_p/Al复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

第一步：配制预制块原料

按照公式

$M_T-a\%\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}h{\mathrm{\ρ}}_T---\left(1\right)$

和公式

$M_A=(45-a)\%\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}h{\mathrm{\ρ}}_A---\left(2\right)$

以上两式中M_T和M_A分别为所需Ti₂AlC粉末和Al粉的质量，a为Ti₂AlC增强体预制块的体积分数，D为制备预制块使用的圆柱形钢模的模腔内径，h为Ti₂AlC增强体预制块的目标高度，ρ_T为Ti₂AlC粉末的密度。当需要Ti₂AlC颗粒含量所占制备Ti₂AlC_p/Al复合材料总体积≥15％～≤30％时，根据公式(1)和(2)分别计算出制备Ti₂AlC增强体预制块所需的Ti₂AlC粉和Al粉的质量，并利用精度为0.1mg的精密天平称量出计算所得Ti₂AlC粉和Al粉的质量，将称量好的粉末与无水乙醇按重量比为1∶1.0～2.5进行8～24小时机械混合，置于温度为70℃的电热鼓风干燥箱中干燥15小时以得到Ti₂AlC粉和Al粉混合均匀粉末备用。当需要Ti₂AlC颗粒含量所占制备Ti₂AlC_p/Al复合材料总体积＞30％～≤50％时，按照公式1计算所需Ti₂AlC粉末的含量，并利用精度为0.1mg的精密天平称量出计算所得Ti₂AlC粉末的质量备用。

第二步：预制块的制备

将第一步所述配制的不同Ti₂AlC颗粒含量时所需的原料置于玻璃烧杯中，然后向其粉末原料中喷洒蒸馏水，边喷洒蒸馏水边对粉末进行搅拌，直至其呈现均匀蓬松无团聚的半湿状态。随后将其缓慢倒入圆柱形钢模中，在不施加下压力的基础上将半湿态混合粉末摊平，并在四柱万能液压机上冷压成型。压制时缓慢加压，控制压力机将模具压头缓慢下压到高度预制块高度h标记处，无需保压，然后缓慢脱模后将其放在80℃电热鼓风干燥箱干燥24小时，以此制备出预制块，最后将制备的增强体预制块置于钢套中备用。

第三步：Ti₂AlC_p/Al复合材料的压力铸造

将置于钢套中的增强体预制块放入挤压铸造模具中，并在加热套中预热至400～600℃保温1～2小时；与此同时，将铝液加热至800℃并保温2小时以上待用，随后将熔融铝液倒入挤压铸造模具中，先对其进行加压0.5～5MPa渗透，再进行6～20MPa保压1～15分钟，脱模后即制得Ti₂AlC_p/Al复合材料。

本发明的突出特点和有益效果在于：

1、所述制备方法中，增强体预制块制备工艺简单，无需繁杂的粘结剂筛选过程。

2、所述制备方法制备出的复合材料中的增强体颗粒分散性好，并且增强体含量可控。

3、本发明适用于压力铸造工艺制备粒径0.1μm～0.5mmTi₂AlC增强铝基复合材料，其增强体的体积含量高于15％而低于50％；由此发明制备的Ti₂AlC_p/Al复合材料相对纯铝，其抗压强度、抗拉强度和硬度分别可提高4.1～12倍、1.7～5.3倍和1.8～6.8倍，且加工性能良好。

附图说明

图1是本发明实施例1所述20vol％Ti₂AlC预制块的形貌照片。

图2是本发明实施例1所述20vol％Ti₂AlC/Al复合材料的显微组织背散射电子衍射图。

图3是本发明实施例2所述45vol％Ti₂AlC预制块的形貌照片。

图4是本发明实施例2所述45vol％Ti₂AlC/Al复合材料的显微组织背散射电子衍射图。

具体实施方式

实施例1

Ti₂AlC体积含量为20％的Ti₂AlC_p/Al复合材料的制备

第一步：按公式(1)和(2)计算所需Ti₂AlC粉和Al粉的质量并使用精度为0.1mg的精密天平分别称量出它们的质量，将称量好的粉末与无水乙醇按重量比为1∶2进行12小时机械混合，然后将混合后的粉末置于温度为70℃的电热鼓风干燥箱中干燥15小时。

第二步：将干燥后的混合粉末置于玻璃烧杯中，然后向其粉末原料中喷洒蒸馏水，边喷洒蒸馏水边对粉末进行搅拌，直至其呈现均匀蓬松无团聚的半湿状态。随后将其缓慢倒入圆柱形钢模中，在不施加下压力的基础上将半湿态混合粉末摊平，并在四柱万能液压机上冷压成型。压制时缓慢加压，控制压力机将模具压头缓慢下压到高度预制块高度h标记处，无需保压，然后缓慢脱模后将其放在80℃电热鼓风干燥箱干燥24小时后，将制备的增强体预制块置于钢套中(如图1)。

第三步：将置于钢套中的预制块放在压力铸造模具中先预热至500℃保温2小时；同时，铝液加热至800℃并保温2小时以上，将熔融铝液倒入压力铸造模具中，先加压4MPa渗透，再进行15MPa保压10分钟，脱模后即制得20vol％Ti₂AlC_p/Al复合材料。

由以上步骤制得20vol％Ti₂AlC_p/Al复合材料的微观组织如图2，Ti₂AlC在铝基体的分布均匀，测试结果表明，相比纯铝，其抗压强度、抗拉强度和硬度分别提高4.58倍、2.05倍、2.2倍。

实施例2

Ti₂AlC体积含量为45％的Ti₂AlC_p/Al复合材料的制备

第一步：按公式(1)计算所需Ti₂AlC粉的质量并使用精度为0.1mg的精密天平分别称量出它的质量。

第二步：将称量好的Ti₂AlC粉置于玻璃烧杯中，然后向其粉末原料中喷洒蒸馏水，边喷洒蒸馏水边对粉末进行搅拌，直至其呈现均匀蓬松无团聚的半湿状态。随后将其缓慢倒入圆柱形钢模中，在不施加下压力的基础上将半湿态混合粉末摊平，并在四柱万能液压机上冷压成型。压制时缓慢加压，控制压力机将模具压头缓慢下压到高度预制块高度h标记处，无需保压，然后缓慢脱模后将其放在80℃电热鼓风干燥箱干燥24小时后，将制备的增强体预制块置于钢套中(如图3)。

第三步：将置于钢套中的预制块放在压力铸造模具中先预热至500℃保温2小时；同时，铝液加热至800℃并保温2小时以上，将熔融铝液倒入压力铸造模具中，先加压5MPa渗透，再进行20MPa保压10min，脱模后即制得45vol％Ti₂AlC_p/Al复合材料。

由以上步骤制得45％Ti₂AlC_p/Al复合材料的微观组织如图4，Ti₂AlC在铝基体的分布均匀，测试结果表明，相比纯铝，其抗压强度、抗拉强度和硬度分别提高10倍、4.7倍、6.13倍。

Claims (1)

1.一种可控体积分数Ti₂AlC_p/Al复合材料的挤压铸造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：配制预制块原料

当需要Ti₂AlC颗粒含量所占制备Ti₂AlC_p/Al复合材料总体积≥15％～≤30％时，计算所需Ti₂AlC粉末和Al粉的质量按以下两个公式进行：

$M_T-a\%\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}h{\mathrm{\ρ}}_T---\left(1\right)$

$M_A=(45-a)\%\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}h{\mathrm{\ρ}}_A---\left(2\right)$

上两式中M_T和M_A分别为所需Ti₂AlC粉末和Al粉的质量，a为Ti₂AlC增强体预制块的体积分数，D为制备预制块使用的圆柱形钢模的模腔内径，h为Ti₂AlC增强体预制块的目标高度，ρ_T为Ti₂AlC粉末的密度；然后利用精度为0.1mg的精密天平称量出计算所得Ti₂AlC粉和Al粉的质量，将称量好的粉末与无水乙醇按重量比为1∶1.0～2.5进行8～24小时机械混合，置于温度为70℃的电热鼓风干燥箱中干燥15小时以得到Ti₂AlC粉和Al粉混合均匀粉末，备用；

当需要Ti₂AlC颗粒含量所占制备Ti₂AlC_p/Al复合材料总体积＞30％～≤50％时，按照公式1计算所需Ti₂AlC粉末的含量，并利用精度为0.1mg的精密天平称量出计算所得Ti₂AlC粉末的质量，备用；

第二步：预制块的制备

将第一步所述配制的不同Ti₂AlC颗粒含量时所需的原料置于玻璃烧杯中，然后向其粉末原料中喷洒蒸馏水，边喷洒蒸馏水边对粉末进行搅拌，直至其呈现均匀蓬松无团聚的半湿状态；随后将其缓慢倒入圆柱形钢模中，在不施加下压力的基础上将半湿态混合粉末摊平，并在四柱万能液压机上冷压成型；压制时缓慢加压，控制压力机将模具压头缓慢下压到高度预制块高度h标记处，无需保压，然后缓慢脱模后将其放在80℃电热鼓风干燥箱干燥24小时，以此制备出预制块。最后将制备的增强体预制块置于钢套中，备用；

第三步：Ti₂AlC_p/Al复合材料的压力铸造

将置于钢套中的增强体预制块放入挤压铸造模具中，并在加热套中预热至400～600℃保温1～2小时；与此同时，将铝液加热至800℃并保温2小时以上待用，随后将熔融铝液倒入挤压铸造模具中，先对其进行加压0.5～5MPa渗透，再进行6～20MPa保压1～15分钟，脱模后即制得Ti₂AlC_p/Al复合材料。