CN105648247A - 一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该材料由基体铝粉和钛合金粉组成，其中钛合金粉所占质量分数为5％～15％。该材料的制备方法是：将钛合金粉和基体铝粉混合，形成复合粉末；将复合粉末冷压成型为坯体；将坯体装在模具中一同放入真空热压炉烧结；将烧结所得试样固溶处理即可。本发明材料致密度≥99％，抗拉强度≥468MPa，抗压强度≥820MPa，抗弯强度≥859MPa，本发明使用轻金属钛合金颗粒增强铝基复合材料，实现了增强颗粒的均匀分散、界面结合和界面性质的明显改善，同时在强度上有大幅提高，并且其塑性相对于基体铝合金而言得到了良好的保持。

Description

一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于颗粒增强金属基复合材料领域，具体涉及轻金属钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
随着先进技术在汽摩制造业的广泛应用，汽车和摩托车发动机对活塞材料的强度提出了更高的要求。铝基复合材料具备比强度高、模量高、导热导电性好、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好等优异性能，能够较好满足高性能发动机对活塞新材料的需求。目前，所研究的铝基复合材料多以陶瓷颗粒(如SiC、Al2O3、B4C等)作为增强相，但是由于增强相与基体性质上的较大差异导致增强相与基体的界面结合不理想，同时增强相与基体反应产物一般也为脆性相从而严重破坏材料的塑性和韧性。
申请号为201210293924.6的专利文献中提出了一种用于航天器的SiC增强铝基复合材料及其制备方法。通过控制SiC、合金元素Mg的加入量及制备工艺，能降低材料的热膨胀系数及密度，提高抗拉强度，获得成本较低，热膨胀系数7～9×10-6/，℃密度＜2.7g/cm3，抗拉强度＞230MPa，且具有抗腐蚀性的复合材料。但是该制备工艺复杂，且SiC与铝合金的热膨胀系数相差较大，组织中残存较大的残余应力，界面结合强度弱，在工作中易引起热循环应力，影响材料强度的稳定性。
申请号为200910082581.7的专利文献中提出了一种含稀土元素金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，该复合材料采用0.1～3μm的金属间化合物颗粒强化镁锂合金，其塑性得到较好的保持，其强度提高值在20％～40％。虽然在一定程度上提高了材料的综合力学性能，由于颗粒尺寸较小，增强体较易发生团聚，同时界面结合依然不能满足对强度的需求，距离超轻、高强的目标还有一定的差距，镁锂基复合材料的综合力学性能还有待于进一步提高。
基于上述情况，本申请发明者提出以轻金属钛合金颗粒增强铝基复合材料。轻金属钛合金具有低的密度、高的比强度、优良的耐腐蚀性和耐热性及较好的韧性和焊接性等一系列优点。采用钛合金颗粒作增强相时具备陶瓷增强颗粒的优势，而且由于钛合金具金属性质，弹性模量与铝合金接近，同时两者间界面结合处相互扩散并反应生成Ti-Al系金属间化合物，Ti-Al系金属间化合物的力学性能比金属基合金更接近与陶瓷材料，使得两者间具有更好的力学相容性能并彼此弥补不足，同时加强了增强颗粒与基体的稳定性和相容性。与纯金属材料相比，金属间化合物具有比重小，抗氧化性能好，熔点高，硬度高，抗蠕变和抗疲劳性能好以及耐腐蚀等性能。以上性质都保证了钛合金颗粒与铝基体界面结合良好，在提高强度的同时还能最大限度的减少材料韧性的损失。所以具有较低密度和较高强度的钛合金颗粒成为增强相的理想选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的陶瓷颗粒增强铝基复合材料体系的由于界面性质差异大，相容性差等问题，提出一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，以便能有效改善增强相与基体界面结合不理想状态，从而有效提高铝基复合材料的力学性能。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明采用粒径为1～15μm的钛合金粉球形颗粒，其中各组分元素按重量百分比：Al：6.0～6.6％；V或Mn：4～4.4％；余量为Ti，各组分之和为100％。
本发明采用粒径为1～45μm的基体铝粉球形颗粒，其中铝合金各组分元素按重量百分比：Zn：4.6～5.0％；Mg：2.0～2.4％；Cu：1.3～1.7％；余量为Al，各组分之和为100％。
本发明是一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其步骤包括：
第一步：将钛合金粉和铝合金粉混合，形成复合粉末，其中钛合金粉末所占质量分数为5％～15％；
第二步：将复合粉末在室温下冷压成型，便于将坯体装在预先制好的模具中，冷压压力为200～300MPa；
第三步：将坯体装在模具中一同放入真空热压炉烧结，真空度为0.01～0.05Pa，烧结温度为610～640℃，烧结压力为30～100MPa，保温时间为0.5～6h；
第四步：将第三步所得试样固溶处理，采用强化固溶的方式，一级固溶温度为460～475℃，时间为：1～2h；二级固溶温度为：480～485℃，时间为：1～2h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为110～130℃，时间为12～24h。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
本发明采用钛合金颗粒增强铝或铝合金来制备铝基复合材料，由于所选用的钛合金具有较低密度和较高强度，优良的耐腐蚀性，较好的韧性和焊接性等一系列优点，作为增强相在具备陶瓷增强颗粒优势的同时，还由于本专利所选用的钛合金与基体铝同属铝系合金，能保证增强颗粒与基体之间的稳定性和相容性。通过真空热压烧结，能在较低温度下制备得到近乎全致密的试样，使两种粉体紧密结合，并在界面出相互扩散形成扩散层，在扩散区有物相Al3Ti生成，该金属间化合物具有较高的强度和较高的韧性，同时还具有较高的塑性和优良的耐磨损性能，不仅能改善两种粉体颗粒的界面结合性，同时保证了两者界面的强度与韧性。
附图说明
图1为实施例3制备的TC4/Al-7075铝基复合材料的表面结构扫描电镜照片。
图2为实施例4制备的TC4/Al-7075铝基复合材料的表面结构扫描电镜照片。
图3为实施例4制备的TC4/Al-7075铝基复合材料的表面结构能谱分析Al、Ti元素分布照片。
图4为实施例4制备的TC4/Al-7075铝基复合材料的断面扫描电镜照片。
图5为实施例5制备的TC4/Al-7075铝基复合材料的压缩强度应力应变曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种钛合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，增强体为具有较低密度和较高强度的钛合金颗粒，选择合适配比范围的增强体与Al基体混合，并采用真空热压粉末冶金方法制备得到轻金属颗粒增强的铝基复合材料。本发明制备的铝基复合材料致密度≥99％，抗拉强度≥468MPa，抗压强度≥820MPa，抗弯强度≥859MPa，本发明使用轻金属颗粒增强铝基复合材料，实现了增强颗粒的均匀分散、界面结合和界面性质的明显改善，同时在强度上有大幅提高，并且其塑性相对于基体铝合金而言得到了良好的保持。
下面结合实施例和附图作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1：钛合金颗粒增强铝基复合材料
该材料由基体铝粉和钛合金粉组成，其中钛合金粉所占质量分数为5％～15％。
所述的基体铝粉，采用铝粉或铝合金粉，该粉末为1～45μm的球形颗粒，其纯度≥99.9％。其中铝合金粉采用2024或7075铝合金粉。
所述的钛合金粉，采用TC1、TC2、TC3、TC4中的一种或多种混合粉末，该粉末为1～15μm的球形颗粒。其纯度≥99.9％。
实施例2：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数5％的TC4钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为610，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.04％，致密度99.5％，室温拉伸强度475.4MPa。
实施例3：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC4钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为610，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.04％，致密度99.6％，室温拉伸强度483.2MPa。
实施例4：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC4钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.6％，室温拉伸强度497.6MPa。
实施例5：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC4钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为0.5h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.04％，致密度99.5％，室温拉伸强度493.7MPa。
实施例6：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC4钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为6h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.8％，室温拉伸强度468.6MPa。
实施例7：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC3钛合金，剩余为7075铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.04％，致密度99.7％，室温压缩强度921.5MPa。
实施例8：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC4钛合金，剩余为2024铝合金组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.8％，室温压缩强度901.3MPa。
实施例9：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC1钛合金，剩余为Al组成，将两种粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.6％，室温压缩强度843.3MPa。
实施例10：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC2钛合金，剩余为Al组成，将两种粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.8％，室温压缩强度837.6MPa。
实施例11：钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备
该材料由质量分数15％的TC1钛合金，剩余为2024组成，将两种合金粉末在二维混料机上混料24h，形成复合粉末；在室温下以300MPa的压力冷压成型，然后将冷压坯体连同模具放入真空热压炉中热压烧结。其中烧结工艺为：真空度为≤0.1Pa，烧结温度为640，℃同时施加压力至60MPa，保温保压时间为2h。烧结后的复合材料进行强化固溶处理，其固溶处理工艺为：一级固溶温度为466，℃时间为：2h；二级固溶温度为：480，℃时间为：1h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为120，℃时间为24h。
复合材料的室温气孔率≤0.03％，致密度99.8％，室温压缩强度875.4MPa。

Claims (8)

1.一种钛合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于由基体铝粉和钛合金粉组成，其中钛合金粉所占质量分数为5％～15％。
2.根据权利要求1所述的钛合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于所述的钛合金粉，采用TC1、TC2、TC3、TC4中的一种或多种混合粉末，该粉末为1～15μm的球形颗粒。
3.根据权利要求2所述的钛合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于所述的钛合金粉，其纯度≥99.9％。
4.根据权利要求1所述的钛合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于所述的基体铝铝粉，采用铝粉或铝合金粉，该粉末为1～45μm的球形颗粒，其纯度≥99.9％。
5.根据权利要求4所述的钛合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于所述的铝合金粉采用2024或7075铝合金粉。
6.一种钛合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
第一步：将钛合金粉和基体铝粉混合，形成复合粉末，其中钛合金粉末所占质量分数为5％～15％；
第二步：将复合粉末在室温和200～300MPa下冷压，成型为坯体；
第三步：将坯体装在模具中一同放入真空热压炉烧结，真空度为0.01～0.05Pa，烧结温度为烧结压力为30～100MPa，保温时间为0.5～6h；
第四步：将第三步所得试样固溶处理，采用强化固溶的方式，一级固溶温度为时间为1～2h；二级固溶温度为时间为1～2h，出炉后室温水淬；淬火后，进行时效处理，时效温度为时间为12～24h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的钛合金粉末，采用TC1、TC2、TC3、TC4中的一种或多种混合粉末，其为1～15μm的球形颗粒，其纯度≥99.9％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的铝基体粉末，其为1～45μm的球形颗粒，其纯度≥99.9％。
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