CN105420525A - 一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：A、预制块的制备：将纯铝粉、陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂投入球磨机中进行研磨，制得粒径在0.5-5毫米之间的复合颗粒，然后将复合颗粒封入金属包套中，制成复合颗粒包，复合颗粒包经预热后进行热轧，然后去除金属包套，得到由复合颗粒热轧而成的预制块，预制块呈片状；B、铸造：将预制块放入浇道中，然后进行铝液浇注，冷却凝固制得颗粒增强铝基复合材料；复合颗粒中，各组分的质量分数如下：纯铝粉80％-96％；金属粉末1.0％-5.0％；陶瓷颗粒2％-10％；功能助剂1.0％-5.0％；与现有技术比较，采用本发明所述的制备方法可以使颗粒增强铝基复合材料的极限抗拉强度提高23.0～26.0％。

Description

一种颗粒增强铝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，具体涉及一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料是以铝及铝合金为基体，以增强颗粒为增强相的复合材料。将增强颗粒加入完全或部分熔化的铝基体熔体中，然后浇注成复合材料，这种制备方法，对设备要求较低，且工艺简单，能够很好地控制增强颗粒在基体中的量。一般采用机械搅拌的方式向基体中加入增强颗粒，但搅拌过程中增强颗粒容易团聚，重力因素导致增强颗粒向下沉落，易于造成增强颗粒的分布不均，基体中易出现二相偏析，通常情况下存在界面反应，而且增强颗粒的尺寸也受到一定的限制，增强颗粒的加入量较少。有的学者采用颗粒表面包覆的金属的方法以改善颗粒与基体的润湿性，从而提高颗粒在基体中的分散性，但这种方法容易发生包覆料在颗粒周围富集，出现局部的人为的成分偏析，且颗粒表面包覆金属增加了制备成本。另一种常用的增强颗粒的加入方法为漩涡法，漩涡法虽然成本低，工艺简单，但只适合于直径较大的颗粒，而且漩涡的存在使复合材料的吸气量增加，影响复合材料的性能。

增强颗粒的加入，无论是采用机械搅拌还是旋涡法，在目前，均限制了颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其采用球磨机进行研磨的方法制备复合颗粒，采用热轧二次加工将复合颗粒制备成片状预制块；在铸造时直接将预制块放入浇道中，高温铝液顺浇道流入型腔的过程中，将预制块熔化，进而将增强颗粒带入铝基体中，预制块中的功能助剂在高温熔融液态铝中分解，产生少量气体，推动增强颗粒扩散；以进一步提高颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度；与现有技术比较，采用本发明所述的制备方法可以使颗粒增强铝基复合材料的极限抗拉强度提高23.0～26.0％。

本发明的具体技术方案如下：

一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

A、预制块的制备：将纯铝粉、陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂投入球磨机中进行研磨，制得粒径在0.5-5毫米之间的复合颗粒，然后将复合颗粒封入金属包套中，制成复合颗粒包，复合颗粒包经预热后进行热轧，然后去除金属包套，得到由复合颗粒热轧而成的预制块，预制块呈片状；

B、铸造：将上述预制块放入浇道中，然后进行铝液浇注，冷却凝固制得颗粒增强铝基复合材料；

复合颗粒中，各组分的质量分数如下：纯铝粉占80％-96％；金属粉末占1.0％-5.0％；陶瓷颗粒占2％-10％；功能助剂占1.0％-5.0％。

本发明较之于现有技术，具有突出的有益效果，具体如下：

(1)颗粒类的物料在进行堆积的过程中，其中的大颗粒会在堆体的四周产生聚集，而且这种现象采用自然搅拌的方式是无法避免的，这就使得在采用将陶瓷颗粒和金属粉末直接加入到铝液中时，其中的大颗粒易于产生聚集现象，所制成的复合材料均会出现偏析聚集现象。

采用球磨机进行研磨，将复合颗粒的各组分均匀混合，并利用纯铝粉质地柔软的性能，使部分金属粉末、陶瓷颗粒和功能助剂嵌入到纯铝粉中，并形成大小均匀的复合颗粒，保证了复合颗粒中各组分的均匀分散，尤其是可将各组分中的大颗粒先行分散均匀，同时也使各种粒度的物料均匀的分布，避免增强颗粒和金属粉末在直接加入到熔体中时所产生的分散困难。

(2)采用热轧二次加工的方法，将复合颗粒制备成片状的预制块，片状的预制块在堆积时不会产生滚动，可避免复合颗粒中的大颗粒产生聚集。虽然在每个复合颗粒中，各种组分是均匀分散的，并且复合颗粒的粒度范围非常窄，但是复合颗粒的粒度仍是在一定的范围内，并不是大小一致的，这就使复合颗粒在堆放时，仍会产生大颗粒聚集的现象，将复合颗粒轧制成片状的预制块，片状的预制块不会产生滚动，可避免上述大颗粒聚集现象的产生。

在浇注颗粒增强铝基复合材料时，预制块是预先放置在浇道中，然后才将铝液顺浇道浇入型腔中，铝液在流经浇道的过程中，不断带走预制块，预制块在铝液的高温作用下融化，其中的各种组分被释放出来，由于浇道本身比较狭窄，预制块易于在铝液中均匀分散，再加上功能助剂在高温下分解后所产生的少量气体，可推动陶瓷颗粒扩散，减少陶瓷颗粒在重力下的下降速度，可使陶瓷颗粒进一步均匀地分散在铝基体中。

(3)在预制块将陶瓷颗粒均匀地分散到铝液中时，预制块中的金属粉末也同步均匀地进入到铝液中，由于金属粉末是随陶瓷颗粒一起加入到铝液中，大部分的金属粉末是分布在陶瓷颗粒的周围，起到增强陶瓷颗粒与铝基体之间润湿性的作用。

而在采用单独添加金属粉末时，金属粉末是平均地分散在铝液中，大部分的金属粉末不能起到增强陶瓷颗粒与铝基体之间润湿性的作用，为了增强陶瓷颗粒与铝基体之间的润湿性，就需要加大金属粉末的投入量，但是大量的金属粉末加入到铝液中后，不但会发生金属粉末的偏析聚集，还会发生大量的有害的副反应，影响到颗粒增强铝基复合材料的综合性能，而且还会增加颗粒增强铝基复合材料的制造成本。

与现有技术比较，采用本发明所述的制备方法可以使颗粒增强铝基复合材料的极限抗拉强度提高23.0～26.0％，说明本发明所述的制备方法可以使作为增强颗粒的陶瓷颗粒更加均匀地分布在铝基体中，使复合材料的各部分的性能趋于一致，减少了基体中出现二相偏析的概率，使材料内部各部分性能的均匀性提高，降低了应力集中，减少了材料中的薄弱点。

进一步，所述纯铝粉的纯度≥98质量％，颗粒粒度为50纳米-100微米。

由于陶瓷颗粒在颗粒增强铝基复合材料中的占比有时会比较低，作为预制块的一部分加入到铝基中的纯铝粉所占比例也较低，对颗粒增强铝基复合材料的影响也较低，将纯铝粉的纯度设为≥98重量％，在保证了纯铝粉一定纯度的要求下，并尽可能地降低费用。为了方便纯铝粉与陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂的充分混合，将纯铝粉的粒度设定为与陶瓷颗粒和金属粉末的粒度相同；同样，在具体制备预制块时要与陶瓷颗粒和金属粉末的粒度相适应，采用与陶瓷颗粒相同的粒度范围。

所述陶瓷颗粒为碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氧化锆、氧化钛或氮化硼中的任意一种，陶瓷颗粒的粒度为50纳米～100微米。所述金属粉末为镁、铜、锰、铁或锌中的至少一种，金属粉末粒径为50纳米～100微米。

预制块中起增强功能的组分是陶瓷颗粒，金属粉末的作用是用于改善陶瓷颗粒与铝液之间的润是润湿性，以提高陶瓷颗粒与铝基体的界面结合度，陶瓷颗粒的粒度要在适当的范围内才能起到增强体的作用；粒度太小，陶瓷颗粒外形越尖锐，即增强体颗粒表面的曲率越大，越容易产生应力集中，从而影响复合材料的综合性能，尤其是抗拉强度；粒度太大，陶瓷颗粒的比表面积过小，不能与铝基体有足量的表面进行结合，使陶瓷颗粒与铝基体的总的界面结合度太小，无法产生足够大的连接力来消耗外力所带来的能量，陶瓷颗粒在50纳米～100微米之间，可以很好地兼顾到陶瓷颗粒表面的曲率和比表面积，使陶瓷颗粒起到增强体的作用。

金属粉末在陶瓷颗粒与铝基体之间起到媒介的作用，使陶瓷颗粒与铝基体之间具有良好的润湿性，为了在制备预制块的过程中，使金属粉末与陶瓷有均匀的混合效果，金属粉末的粒度与陶瓷颗粒采用相同的范围，即50纳米～100微米之间；在具体制备预制块时要与陶瓷颗粒的粒度相适应，采用与陶瓷颗粒相同的粒度范围。

所述功能助剂为碳酸镁、碳酸钠、碳酸铝、碳酸钾、氟锆酸氨或氟锆酸钾中的至少一种。

功能助剂的作用是在其受到高温后，会产生分解并释放出气体，这部分气体一方面可以推动陶瓷颗粒扩散，达到陶瓷颗粒的自扩散效果，另一方面该部分气体在上浮溢出的过程中，会对陶瓷颗粒起到上浮的作用，减少陶瓷颗粒的下降速度，增强陶瓷颗粒在铝基体中的分散均匀性。

由于本发明所采用的功能助剂均为无机盐类，这些无机盐均为粉末状，粒度在20-100微米之间，其粒度处于陶瓷颗粒与金属粉末的粒度范围内，可与陶瓷颗粒、金属粉末和纯铝粉进行充分地混合；功能助剂即使由于环境因素而产生结块现象，其结块也比较松散，在球磨机中可以很容易地被粉碎，恢复到其细小颗粒的原始状态。

球磨机最佳机型为行星式球磨机或搅拌式球磨机，研磨工艺为：球料比1/1-40/1，转速50转/分钟-400转/分钟，研磨时间2小时-12小时

制备复合颗粒的最佳设备是球磨机，球磨机的研磨是利用钢球或鹅卵石等硬质球体作为研磨体，研磨体的相互冲击作用，以及研磨体与球磨内壁的研磨作用来对物料进行粉碎。复合颗粒中的各种组分加入到球磨机中后，利用研磨体的冲击作用，可以使质地柔软并具有良好延展性能的纯铝粉作为包裹体，将陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂包裹在一起，使物料的各种粒度的粉末均可相互混合均匀，形成大小均匀的颗粒，利用球磨机的粉碎作用控制复合颗粒的大小，上述各参数可以使颗粒控制在要求的范围内；在进行研磨的过程中，部分金属粉末就会与陶瓷颗粒结合在一起，当金属粉末随预制块被加入到铝液中后，会更易于使陶瓷颗粒与铝基体之间产生良好的润湿性；此外，利用研磨体的冲击作用，还可以将功能助剂中的较大的颗粒予以粉碎。

在研磨过程中会产生较大的热能，使各物料的温度升高，将转速控制在50～400转/分钟内，可以使功能助剂的温度得到有效地控制，避免功能助剂由于温度过高而产生分解，并失去作用。

金属包套为铜管、铝管或铁管，金属包套的壁厚的最佳范围为1-5毫米，金属包套的作用是用来包裹复合颗粒，以方便对复合颗粒进行预热及热轧，在热轧完成后，金属包套被去除，为了方便预热和热轧，也为了降低制造费用，金属包套在满足使用要求的情况下，尽可能采用薄壁管道。

采用铜管、铝管或铁管等管道作为金属包套，还由于其金属成分与制造预制块的金属粉末或颗粒增强铝基复合材料的主体材料相同，不会引入其它不需要的金属成分。

预热的温度为400℃-500℃，预热时间0.5小时-6小时；预热的加热方式为电炉加热、激光局部加热或中频感应加热。将温度控制在400℃-500℃之间已能使复合颗粒比较容易地被压制成片，并且不会熔化，对复合颗粒的加热要平稳，避免局部过热产生融化，使复合颗粒成为一个整体，不再适合作为颗粒增强铝基复合材料的添加剂；对温度的控制，也是避免使复合颗粒中的功能助剂被分解而失去作用；预热的加热方式在目前技术已非常成熟，本申请对现有技术进行了优选，将电炉加热、激光局部加热或中频感应加热作为本申请的优选加热方式，这几种加热方式对升温的速度以及终温的控制都比较准确且方便。

在热轧过程中的轧制压力为100MPa-700MPa，每次下轧量为0.1毫米-5厘米，在符合上述每次下轧量的情况下，在具体的操作中，每次下扎量最好控制在作为金属包套的金属管道的内径的5％-50％。热轧技术已为成熟技术，不再赘述，在热轧过程中，每次下轧量要适当控制，不能太大，在容许的情况下，尽可能进行多次轧制，以使复合颗粒在轧制过程中不会产生其它额外的副反应，降低其组分的功效，轧制过程是对复合颗粒的碾压，在轧制过程中，复合颗粒间会产生摩擦并放热，控制每次的下轧量，就是要防止下轧量过大而导致复合颗粒的局部过热，使复合颗粒中的部分组分失去活性。

热轧过程的最佳选择是采用多次预热并轧制，直到达到所需要求，在热轧完成后，将金属包套去除，并根据不同的需要将预制块的毛边去除。

附图说明

图1是本发明制备方法的流程示意图；

图2是采用本发明铸造颗粒增强铝基复合材料时，进行浇注的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及若干实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

以下实施例均是按照图1所示流程进行。

以下各实施例的总的流程是：将纯铝粉、陶瓷颗粒、功能助剂和金属粉末按设定比例投入到球磨机中混合搅拌，将各物料揉制为颗粒状，取出即为复合颗粒；然后将复合颗粒封入金属包套内，进行热轧，热轧完成后，将金属包套去除，得到呈片状的预制块。

将一定量的预制块放入浇道中，然后进行铝液浇注，冷却凝固制得颗粒增强铝基复合材料，浇注的示意图可参看图2。

对比例1

取铝锭400g，将铝锭加热至融化并保持在720℃，将50纳米纯铝粉100g，50纳米碳化硅80g，碳酸镁10g，50纳米铜粉10g投入铝液中，以200转/分钟，搅拌30分钟；浇注得到1A#铝基复合材料，陶瓷颗粒占铝锭的重量百分比为20％。

实施例1

1、取50纳米纯铝粉100g，50纳米碳化硅80g，碳酸镁10g，50纳米铜粉10g待用。

2、将上述待用的纯铝粉、碳化硅、碳酸镁和铜粉投入行星式球磨机，以球料比为40∶1，转速为400转/分钟，研磨时间2小时，制得1#复合颗粒。

3、将1#复合颗粒封装在铜管包套内形成复合颗粒包，然后将复合颗粒包在电炉中进行预热，预热温度450度，预热时间为2小时；

4、在压力为300MPa，下轧量为2厘米，进行连续反复热轧，热轧结束后去除包套、毛边，获得1#预制块。

5、取1#预制块放入浇道中，其中的陶瓷颗粒占80g，取铝锭400g并融化未铝液，然后将铝液顺浇道浇入型腔中，冷却得到1#颗粒增强铝基复合材料，陶瓷颗粒占铝锭的重量百分比为20％。

对比例2

取铝锭533g，将铝锭加热至融化并保持在620℃，将100纳米纯铝粉100g，100纳米氮化硼80g，碳酸镁2g，碳酸钠2g，碳酸钾2g，氟锆酸铵2g，碳酸铝2g，100纳米镁粉4g，100纳米铜粉3g，100纳米锌粉3g投入铝液中，以30转/分钟，搅拌60分钟；浇注得到2A#铝基复合材料，陶瓷颗粒占铝锭的重量百分比为15％。

实施例2

1、取100纳米纯铝粉100g，100纳米氮化硼80g，碳酸镁2g，碳酸钠2g，碳酸钾2g，氟锆酸铵2g，碳酸铝2g，100纳米镁粉4g，100纳米铜粉3g，100纳米锌粉3g待用。

2、将上述待用的纯铝粉、氮化硼、碳酸镁、碳酸钠、碳酸钾、氟锆酸铵、碳酸铝、镁粉、铜粉和锌粉投入行星式球磨机，以球料比为10∶1，转速为400转/分钟，研磨时间6小时，制得2#复合颗粒。

3、将2#复合颗粒封装在铁管包套内形成复合颗粒包，然后将复合颗粒包在电炉中进行预热，预热温度450度，预热时间为2小时；

4、在压力为700MPa，下轧量为5厘米，进行连续反复热轧，热轧结束后去除包套，获得2#预制块。

5、取2#预制块放入浇道中，其中的陶瓷颗粒占80g，取铝锭533g并融化未铝液，然后将铝液顺浇道浇入型腔中，冷却得到2#颗粒增强铝基复合材料，陶瓷颗粒占铝锭的重量比为15％。

对比例3

取铝锭400g，将铝锭加热至融化并保持在720℃，将20微米纯铝粉156g，20微米氮化硅40g，碳酸钠2g，40微米镁粉2g投入铝液中，以200转/分钟，搅拌30分钟；浇注得到3A#铝基复合材料，其中的陶瓷颗粒占铝锭重量百分比为10％。

实施例3

1、取20微米纯铝粉156g，20微米氮化硅40g，碳酸钠2g，40微米镁粉2g待用。

2、将上述待用的纯铝粉、氮化硅、碳酸钠和镁粉投入到行星式球磨机，以球料比为5∶1，转速为300转/分钟，研磨时间12小时，制得3#复合颗粒。

3、将3#复合颗粒封装在铝管包套内形成复合颗粒包，然后将复合颗粒包在电炉中进行预热，预热温度450度，预热时间为2小时；

4、在压力为300MPa，下轧量为2厘米，进行连续反复热轧，热轧结束后去除包套、毛边，获得3#预制块。

5、取3#预制块放入浇道中，其中的陶瓷颗粒占40g，取铝锭400g并融化未铝液，然后将铝液顺浇道浇入型腔中，冷却得到3#颗粒增强铝基复合材料，陶瓷颗粒占铝锭的重量比为10％。

上述实施例中所用铝锭的纯度均为99.7重量％。

上述所用行星式球磨机可以用搅拌式球磨机替代。

上述电炉加热方式可以用激光局部加热或中频感应加热。

将上述各实施例和对比例的极限抗拉强度进行检测，具体数据见表1。

表1

实施例所得铝基复合材料的序号	1#	2#	3#
				极限抗拉强度/MPa	278	281	298
对比例所得铝基复合材料的序号	1A#	2A#	3A#
				极限抗拉强度/MPa	226	223	239
极限抗拉强度提高比例/％	23.0	26.0	24.7

由表1可以看出，与现有技术比较，采用本发明所述的制备方法可以使颗粒增强铝基复合材料的极限抗拉强度提高23.0～26.0％，说明本发明所述的制备方法可以使作为增强颗粒的陶瓷颗粒更加均匀地分布在铝基体中，使复合材料的各部分的性能趋于一致，减少了基体中出现二相偏析的概率，使材料内部各部分性能的均匀性提高，降低了应力集中，减少了材料中的薄弱点。

Claims (9)

1.一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、预制块的制备：将纯铝粉、陶瓷颗粒、金属粉末和功能助剂投入球磨机中进行研磨，制得粒径在0.5-5毫米之间的复合颗粒，然后将复合颗粒封入金属包套中，制成复合颗粒包，复合颗粒包经预热后进行热轧，然后去除金属包套，得到由复合颗粒热轧而成的预制块，预制块呈片状；

B、铸造：将上述预制块放入浇道中，然后进行铝液浇注，冷却凝固制得颗粒增强铝基复合材料；

复合颗粒中，各组分的质量分数如下：

纯铝粉占80％-96％；

金属粉末占1.0％-5.0％；

陶瓷颗粒占2％-10％；

功能助剂占1.0％-5.0％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纯铝粉的纯度≥98质量％，颗粒粒度为50纳米-100微米。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒是碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氧化锆、氧化钛或氮化硼中的任意一种，陶瓷颗粒的粒度为50纳米-100微米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为镁、铜、锰、铁、锌中的至少一种，金属粉末的粒度为50纳米-100微米。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能助剂为碳酸镁、碳酸钠、碳酸铝、碳酸钾、氟锆酸氨、氟锆酸钾中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨机为行星式球磨机或搅拌式球磨机，研磨工艺为：球料比1/1-40/1，转速50转/分钟-400转/分钟，研磨时间2小时-12小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属包套为铜管、铝管或铁管。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为400℃-500℃，预热时间0.5小时-6小时；预热的加热方式为电炉加热、激光局部加热或中频感应加热。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在热轧过程中的轧制压力为100MPa-700MPa，每次下轧量为0.1毫米～5厘米。