CN106967900A - 一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝基复合材料技术领域,公开了一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。所述制备方法为:将体积分数为5~20%的钛基金属玻璃颗粒和80~95%的铝合金粉末在球磨机上混合均匀得到混合物料,然后在室温下放进冷压模具中进行冷压,得到坯料;将所得坯料放进铝包套内,然后放到热挤压设备中,预热坯料至350~450℃,预热模具至300~450℃,然后在挤压压力为75~150MPa,挤压时间为30s~5min,挤压比为8~15的条件下热挤压成型,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。本发明采用钛基金属玻璃颗粒为增强相材料,具有高强度、高硬度和高弹性模量的优点。
Description
技术领域
本发明属于铝基复合材料技术领域,具体涉及一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、比刚度高和耐磨性好等优异性能,在航空航天、汽车和电子等领域具有广阔的应用前景。通常情况下,颗粒增强铝基复合材料中的增强体为陶瓷颗粒。虽然陶瓷增强体可以有效地提高基体的强度,但是陶瓷颗粒与基体铝金属间的热膨胀系数差异大、润湿性差、可能发生界面反应等因素,致使陶瓷颗粒与铝金属基体的界面结合强度偏低,导致材料在界面结合处产生裂纹,恶化材料的塑性,影响复合材料的性能稳定性,从而限制了铝基复合材料的应用。因此,发展合适的新型增强相材料与制备方法是获得具有优异综合力学性能的颗粒增强铝基复合材料的关键。
金属玻璃颗粒具有高强度、高硬度、高弹性模量等优异的性能,同时金属玻璃以金属元素为主要组元,具有与铝金属相近的热膨胀系数,可以与铝金属基体获得良好的界面结合。为了改善颗粒增强铝基复合材料的界面结合问题,人们发展了多种金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。目前,已开发出的金属玻璃颗粒增强铝基复合材料包括铁基金属玻璃颗粒、锆基金属玻璃颗粒、铝基金属玻璃颗粒和镁基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。但是铁基金属玻璃颗粒和锆基金属玻璃颗粒密度较大,减弱了铝基复合材料比强度高和比刚度高的两个主要优点;铝基金属玻璃颗粒和镁基金属玻璃颗粒不仅强度较低,而且晶化温度较低,通常低于300℃,导致制备温度必须低于300℃,从而限制了材料的制备工艺。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处,本发明的首要目的在于提供一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本发明的另一目的在于提供上述钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现:
一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料,由体积分数为5%~20%的钛基金属玻璃颗粒与80%~95%的铝合金制备而成。
所述的钛基金属玻璃颗粒优选Ti–Ni–Cu系非晶态合金,粒度为≤50μm。
优选地,所述钛基金属玻璃颗粒成分为Ti50Cu20Ni20Al10,其在行星式球磨机上机械合金化制备得到,机械合金化条件为:球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间为10~50h。
所述的铝合金优选7xxx系铝合金中的一种。
上述钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)混粉:将体积分数为5%~20%的钛基金属玻璃颗粒和80%~95%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉1~50h得到混合物料;
(2)将步骤(1)的混合物料在室温下放进冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料;
(3)将步骤(2)得到的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料放进铝包套内,然后放到热挤压设备中,预热坯料至350~450℃,预热模具至300~450℃,然后在挤压压力为75~150MPa,挤压时间为30s~5min,挤压比为8~15的条件下热挤压成型,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本发明制备方法的原理为:利用金属玻璃颗粒在过冷液相区间内具有超塑性以及黏度显著下降的特点,有助于金属玻璃颗粒与铝金属的冶金结合和材料的致密化。本发明中铝基复合材料的热挤压温度控制在钛基金属玻璃颗粒的过冷液相区间,获得高致密度的金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本发明的制备方法及所得复合材料具有如下优点及有益效果:
(1)本发明采用钛基金属玻璃颗粒为增强相材料,具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性模量的优点;钛基金属玻璃颗粒的晶化温度高,可以避免在制备过程中发生晶化变性;钛基金属玻璃颗粒具有与基体铝金属相近的热膨胀系数,可以获得比传统陶瓷颗粒增强铝基复合材料更加牢固的界面结合;
(2)本发明的热挤压温度控制在钛基金属玻璃颗粒的过冷液相区间,可以获得高致密度的复合材料;
(3)本发明采用热挤压工艺,具有工艺简单,设备投入低,快速实现铝基复合材料致密化等诸多优点。
附图说明
图1为实施例1制备的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜图;
图2为实施例2制备的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜图;
图3为实施例3制备的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜图;
图4为实施例1~3制备的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的室温压缩应力应变曲线图;
图5为实施例4~5制备的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的室温压缩应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)混粉:将体积分数为5%的钛基金属玻璃颗粒和95%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉24h得到混合物料。本实施例中钛基金属玻璃颗粒采用机械合金化工艺制备,机械合金化在行星式球磨机上室温下进行,球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间为10h。钛基金属玻璃颗粒的成分选用Ti50Cu20Ni20Al10(38~50μm),铝合金选用7xxx系合金中的7075Al。
(2)将制备的混合物料在室温下放进快速油压机的冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料。
(3)将制备的复合材料坯料放进铝包套内,再放进电阻炉中预热至400℃,然后放到热挤压设备中进行挤压成型。模具预热至400℃,挤压压力约为100MPa,挤压时间约为1min,挤压比为12。热挤压完成后,切除尾料,获得长度约为200mm,直径约为4mm的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本实施例所得复合材料的SEM显微照片如图1所示,从图中可以看出:铝基复合材料致密度高,孔隙少,钛基金属玻璃颗粒均匀分布在7075Al基体中,没有出现增强体团聚现象,界面结合没有发现孔洞、脆性化合物等缺陷。所得复合材料的室温压缩应力应变曲线如图4所示,结果显示所得复合材料的屈服强度和断裂应变分别为460MPa和25%。
实施例2
(1)混粉:将体积分数为11%的钛基金属玻璃颗粒和89%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉24h得到混合物料。本实施例中钛基金属玻璃颗粒采用机械合金化工艺制备,机械合金化在行星式球磨机上室温下进行,球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间为10h。钛基金属玻璃颗粒的成分选用Ti50Cu20Ni20Al10(38~50μm),铝合金选用7xxx系合金中的7075Al。
(2)将制备的混合物料在室温下放进快速油压机的冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料。
(3)将制备的复合材料坯料放进铝包套内,再放进电阻炉中预热至400℃,然后放到热挤压设备中进行挤压成型。模具预热至400℃,挤压压力约为100MPa,挤压时间约为1min,挤压比为12。热挤压完成后,切除尾料,获得长度约为200mm,直径约为4mm的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本实施例所得复合材料的SEM显微照片如图2所示,从图中可以看出:铝基复合材料致密度高,孔隙少,钛基金属玻璃颗粒较为均匀分布在7075Al基体中,没有出现增强体团聚现象,界面结合没有发现孔洞、脆性化合物等缺陷。所得复合材料的室温压缩应力应变曲线如图4所示,结果显示所得复合材料的屈服强度和断裂应变分别为530MPa和20%。
实施例3
(1)混粉:将体积分数为20%的钛基金属玻璃颗粒和80%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉24h得到混合物料。本实施例中钛基金属玻璃颗粒采用机械合金化工艺制备,机械合金化在行星式球磨机上室温下进行,球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间为10h。钛基金属玻璃颗粒的成分选用Ti50Cu20Ni20Al10(38~50μm),铝合金选用7xxx系合金中的7075Al。
(2)将制备的混合物料在室温下放进快速油压机的冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料。
(3)将制备的复合材料坯料放进铝包套内,再放进电阻炉中预热至400℃,然后放到热挤压设备中进行挤压成型。模具预热至400℃,挤压压力约为100MPa,挤压时间约为1min,挤压比为12。热挤压完成后,切除尾料,获得长度约为200mm,直径约为4mm的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本实施例所得复合材料的SEM显微照片如图3所示,从图中可以看出:铝基复合材料致密度高,孔隙少,钛基金属玻璃颗粒均匀分布在7075Al基体中,没有出现增强体团聚现象,界面结合没有发现孔洞、脆性化合物等缺陷。所得复合材料的室温压缩应力应变曲线如图4所示,结果显示所得复合材料的屈服强度和断裂应变分别为720MPa和8.5%。
实施例4
(1)混粉:将体积分数为8%的钛基金属玻璃颗粒和92%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉24h得到混合物料。本实施例中钛基金属玻璃颗粒采用机械合金化工艺制备,机械合金化在行星式球磨机上室温下进行,球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间分别为30h。钛基金属玻璃颗粒的成分选用Ti50Cu20Ni20Al10(≤38μm),铝合金选用7xxx系合金中的7075Al。
(2)将制备的混合物料在室温下放进快速油压机的冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料。
(3)将制备的复合材料坯料放进铝包套内,再放进电阻炉中预热至400℃,然后放到热挤压设备中进行挤压成型。模具预热至400℃,挤压压力约为100MPa,挤压时间约为1min,挤压比为12。热挤压完成后,切除尾料,获得长度约为200mm,直径约为4mm的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本实施例所得复合材料的室温压缩应力应变曲线如图5所示,结果显示所得复合材料的屈服强度和断裂应变分别为843MPa和6.75%。
实施例5
(1)混粉:将体积分数为8%的钛基金属玻璃颗粒和92%的铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上混粉24h得到混合物料。本实施例中钛基金属玻璃颗粒采用机械合金化工艺制备,机械合金化在行星式球磨机上室温下进行,球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间分别为50h。钛基金属玻璃颗粒的成分选用Ti50Cu20Ni20Al10(≤38μm),铝合金选用7xxx系合金中的7075Al。
(2)将制备的混合物料在室温下放进快速油压机的冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料。
(3)将制备的复合材料坯料放进铝包套内,再放进电阻炉中预热至400℃,然后放到热挤压设备中进行挤压成型。模具预热至400℃,挤压压力约为100MPa,挤压时间约为1min,挤压比为12。热挤压完成后,切除尾料,获得长度约为200mm,直径约为4mm的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
本实施例所得复合材料的室温压缩应力应变曲线如图5所示,结果显示所得复合材料的屈服强度和断裂应变分别为1011MPa和2.76%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:所述复合材料由体积分数为5%~20%的钛基金属玻璃颗粒与80%~95%的铝合金制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:所述的钛基金属玻璃颗粒为Ti–Ni–Cu系非晶态合金,颗粒粒度为≤50μm。
3.根据权利要求2所述的一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:所述钛基金属玻璃颗粒成分为Ti50Cu20Ni20Al10,其在行星式球磨机上机械合金化制备得到,机械合金化条件为:球料比为10:1,球磨转速为245rpm,球磨时间为10~50h。
4.根据权利要求1所述的一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:所述的铝合金为7xxx系铝合金中的一种。
5.权利要求1~4任一项所述的一种钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)混粉:将体积分数为5%~20%的钛基金属玻璃颗粒和80%~95%铝合金粉末装进球磨罐中,在球磨机上球磨1~50h得到混合物料;
(2)将步骤(1)的混合物料在室温下放进冷压模具中进行冷压,压力为5~20MPa,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料;
(3)将步骤(2)得到的钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料坯料放进铝包套内,然后放到热挤压设备中,预热坯料至350~450℃,预热模具至300~450℃,然后在挤压压力为75~150MPa,挤压时间为30s~5min,挤压比为8~15的条件下热挤压成型,得到钛基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。
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