CN107805728B - 一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，包括变形铝合金层和铝基复合材料层，所述铝基复合材料层以析出强化类铝合金为基体，以碳化硼为增强相，所述铝基复合材料层有多层，每层铝基复合材料层中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层质量的20％。本发明还包括一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法。本发明采用电场辅助烧结技术，利用直流脉冲电流的加压烧结方法，可实现低温快速烧结，获得细小、均匀的组织；烧结体致密度较高，力学性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有低密度、高比强度、高弹性模量、低热膨胀系数和高热导率等优良特性，从而引起广大科研工作者的研究兴趣，被广泛应用于航空航天、交通运输以及电子光学等领域。但是在科技和经济快速发展的21世纪，航空航天和汽车工业等领域工况条件愈加恶劣，对材料提出了更大的要求，如耐高温、耐腐蚀及优异的强韧性。传统的均质铝基复合材料强度和塑性都较低，在实际应用中受到了一定的限制。
近年来层状功能梯度铝基复合材料引起了越来越多研究者的广泛关注，功能梯度材料是指组分、结构、性能等沿厚度方向呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化，能满足更多复杂工况条件的要求，实现某一特殊功能的新型复合材料，因此，它能有效克服传统材料的不足。同时，功能梯度复合材料还可以有针对性地设计各层材料的组分及含量，以此来使内应力更好地分布，因此在梯度防护方面发挥了重要的作用，比如将其用作核反应第一层壁及其周边材料。
目前，功能梯度铝基复合材料常见的制备方法主要分为固态制造技术和液态制造技术，具体包括搅拌铸造法、挤压铸造法、真空压力浸渗、粉末冶金法和共喷射沉积等。搅拌铸造法制备的材料致密度低，存在一定的铸造缺陷；挤压铸造法对生产设备和模具的要求高，但生产周期短、效率高，制备的材料致密度较高；真空压力浸渗法适用范围广，工艺简单，但同样对设备的要求较高；共喷射沉积法对增强颗粒的含量及尺寸不受限制，可有效避免界面反应的发生，但成本过高；粉末冶金法对设备要求较低，可任意改变增强相的加入量，但采用传统粉末冶金方法制备的材料致密度较低，性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种采用电场辅助烧结技术，利用直流脉冲电流的加压烧结方法，可实现低温快速烧结，获得细小、均匀的组织；烧结体致密度较高，力学性能较好的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法。
本发明的实施例提供一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，包括变形铝合金层和铝基复合材料层，所述铝基复合材料层以析出强化类铝合金为基体，以碳化硼为增强相，所述铝基复合材料层有多层，每层铝基复合材料层中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层质量的20％。
进一步，所述铝基复合材料层有两层，分别为第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层，所述第二铝基复合材料层中碳化硼的含量高于第一铝基复合材料层中碳化硼的含量，所述第一铝基复合材料层在第二铝基复合材料层和变形铝合金层之间，所述变形铝合金层、第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层的厚度比例为1:1:1、2:1:1、2:2:1或3:2:1。
进一步，所述析出强化类铝合金为2024铝合金，颗粒尺寸为100目～300目。
进一步，所述碳化硼的纯度≥99％，颗粒尺寸为0.5μm～10μm。
一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.设计梯度结构，并根据梯度结构称取各铝基复合材料层所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末，以及变形铝合金层所需要的变形铝合金粉末；
S2.将步骤S1称取的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末进行二维混料得到不同铝基复合材料层的复合粉末；
S3.将不同铝基复合材料层的复合粉末以及变形铝合金粉末分别进行冷压，得到不同铝基复合材料层的半致密化冷压粉料坯体和变形铝合金冷压粉料坯体；
S4.将步骤S3得到的不同铝基复合材料层的半致密化的冷压粉料坯体按照梯度结构进行铺层，所述变形铝合金冷压粉料坯体铺在最底层，得到预制坯，并将预制坯装入模具中；
S5.对模具中的预制坯进行表面活化和烧结，去除模具，并进行固溶处理，即得到具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料。
进一步，所述步骤S2中，将析出强化类铝合金、碳化硼和氧化锆小球一起加入混料瓶中，析出强化类铝合金和碳化硼的质量之和与氧化锆小球的质量比为3:1，室温下在轻型球磨机上进行二维混料24h。
进一步，所述步骤S3中，冷压的压力为20～50MPa，保压时间为8～10min。
进一步，所述步骤S5中，表面活化的活化时间为30～40s，电压为10～30kV，电流为50～150A。
进一步，所述步骤S5中，烧结利用粉末冶金法，所述粉末冶金法采用电场辅助烧结技术，在等离子活化烧结炉中进行，升温速率为50～150℃/min，烧结温度为500℃～540℃，保温时间1～5min，烧结压力为10MPa～30MPa，真空度保持低于10Pa。
进一步，所述步骤S5中，固溶处理为在480℃～500℃下保温1～3h，之后立即进行水淬。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.采用功能梯度复合材料的设计理念，通过冷压和电场辅助烧结两步工艺，成功地将陶瓷颗粒引入到层状铝基复合材料中，获得高致密块体材料，能够同时提高材料的强度和塑韧性，平均抗弯强度≥1130MPa，塑性≥20％。
2.通过增强体和基体的粒径设计，选择了增强体的粒径小于基体粒径，使得复合材料的显微结构表现出增强相在基体中呈网络状梯度分布的特征，能够更好地起到载荷传递的作用，且无明显的孔洞和裂纹。
3.具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法工艺简单，能够实现低温快速烧结，生产效率高；制备出的层状铝基复合材料与传统的均质材料相比，综合力学性能更优；同时与传统的热压及铸造工艺相比，工序更加简便、节能，生产周期更短，综合力学性能更高。
附图说明
图1是本发明一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的一示意图。
图2是本发明一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料制备方法的一流程图。
图3是实施例1所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的示意图。
图4是实施例1所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C界面处场发射扫描电镜图谱。
图5是实施例1所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C界面处场发射扫描电镜图谱。
图6是实施例2所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料致密度与传统均质铝基复合材料致密度对比图。
图7是实施例3所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料各层平均硬度。
图8是实施例4所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料弯曲应力应变曲线。
图9是实施例5所得具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参阅图1，本发明的实施例提供了一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，包括变形铝合金层1和铝基复合材料层2，所述铝基复合材料层2有多层，在一实施例中，铝基复合材料层2优选有两层，分别为第一铝基复合材料层21和第二铝基复合材料层22。
铝基复合材料层2以碳化硼为增强相，以析出强化类铝合金为基体，碳化硼(B4C)的纯度≥99％，颗粒尺寸为0.5μm～10μm，析出强化类铝合金为2024铝合金，颗粒尺寸为100目～300目，2024铝合金(AA2024)选用100目～300目气雾法制备的粉末。
每层铝基复合材料层2中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层2质量的20％，在一实施例中，第二铝基复合材料层22中碳化硼的含量高于第一铝基复合材料层21中碳化硼的含量，所述第一铝基复合材料层21在第二铝基复合材料层22和变形铝合金层1之间，所述变形铝合金层1、第一铝基复合材料层21和第二铝基复合材料层22的厚度比例为1:1:1、2:1:1、2:2:1或3:2:1。
请参考图2，一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.设计梯度结构，即铝基复合材料层2的层数和排列方式，以及每层铝基复合材料层2中增强相的含量以及各层厚度等，并根据梯度结构称取各铝基复合材料层2所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末，以及变形铝合金层1所需要的变形铝合金粉末；
S2.将步骤S1称取的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层2所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末进行二维混料得到不同铝基复合材料层2的复合粉末。
具体的，将析出强化类铝合金粉末、碳化硼粉末和氧化锆小球一起加入混料瓶中，析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末质量之和与氧化锆小球的质量的比为3:1，不加入任何分散剂，室温下在轻型球磨机上以150转/分钟的速度进行二维混料24h。
S3.将不同铝基复合材料层2的复合粉末以及变形铝合金粉末分别进行冷压，冷压的压力为20～50MPa，保压时间为8～10min，得到不同铝基复合材料层2的半致密化冷压粉料坯体和变形铝合金冷压粉料坯体；
S4.将步骤S3得到的不同铝基复合材料层2的半致密化的冷压粉料坯体按照梯度结构进行铺层，所述变形铝合金冷压粉料坯体铺在最底层，得到预制坯，并将预制坯装入模具中；
S5.对模具中的预制坯进行表面活化和烧结，去除模具，并进行固溶处理，，在一实施例中，表面活化的活化时间为30～40s，电压为10～30kV，电流为50～150A，烧结利用粉末冶金法，所述粉末冶金法采用电场辅助烧结技术，在等离子活化烧结炉中进行，烧结压力为10MPa～30MPa，真空度保持低于10Pa，升温速率为50～150℃/min，烧结温度为500℃～540℃，保温时间1～5min，在升温过程中，当温度达到200℃时，位移开始迅速下降，说明此时材料开始致密化；当温度达到400℃时，位移已无明显变化，说明此时材料已经致密化；固溶处理为在480℃～500℃下保温1～3h，之后立即进行水淬；
即得到具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料。
实施例1
请参阅图1，具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料:包括变形铝合金层1和两层铝基复合材料层2，各层的组分、含量依次为AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，各层的厚度之比为2:1:1，总厚度为5.25mm，直径为Ф32mm。
制备方法：
A.称取粉末：
用电子天平称取27.75g、24.75g的2024铝合金粉末(颗粒尺寸为200目，中值粒径为28.6μm，气雾法制备)和2.25g、5.25g的碳化硼粉末(纯度≥99％，颗粒尺寸为4μm)；
B.二维混料：
将2024铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需进行混合得到AA2024/7.5wt.％B4C和AA2024/17.5wt.％B4C，将称量好的30g AA2024/7.5wt.％B4C和30gAA2024/17.5wt.％B4C粉末分别装入两个混料瓶中，同时各加入10g氧化锆小球，不加入任何分散剂，室温下置于轻型球磨机上以150转/分钟的速度混料24h；
C.冷压粉料坯体：
称取各层所需的混合好的AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C复合粉体，分别装入Ф32mm的钢模中进行冷压；冷压过程在压片机上进行，压力为20MPa，保压时间10min；冷压结束后脱模即得到半致密化的冷压粉料坯体；
D.装入石墨模具：
将冷压粉料坯体(Ф32mm)按照梯度结构依次装入Ф32mm的石墨模具中，最底层首先装入AA2024层冷压粉料坯体，接下来装入中间层AA2024/7.5wt.％B4C冷压粉料坯体，最后装入顶层AA2024/17.5wt.％B4C冷压粉料坯体；从底部到顶部各层的厚度之比应为2:1:1；
E.表面活化：
将装好的石墨模具放入等离子活化烧结炉中活化处理，活化时间为30s，电压为20kV，电流为100A；
F.电场辅助烧结：
表面活化后立即进行电场辅助烧结，烧结压力为20MPa，真空度时刻保持低于10Pa，以100℃/min的速率升温至530℃，保温3min，整个烧结过程在10min内完成；
G.固溶处理：
脱石墨模具，将烧结得到的致密块体用线切割加工成测试所需形状尺寸的试样，将试样置于高温马弗炉中进行固溶处理，最佳工艺参数如下：首先以10℃/min的速率升温至300℃，随后经过30min升温至420℃，再经过36.5min升温至493℃，保温3h，立即取出进行水淬至室温。
经过上述步骤，所得产品是具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其结构示意图如附图3所示。
经场发射扫描电子显微镜测试，如附图4、附图5所示，该层状功能梯度铝基复合材料的各层界面都结合良好，无明显孔洞和裂纹，且碳化硼颗粒在2024铝合金基体中呈梯度分布。
样品烧结采用日本ELENIX公司生产的Ed-PAS III型等离子活化烧结炉进行。
场发射扫描电镜图谱由美国FEI公司的Quanta-250场发射扫描电子显微镜获得。
致密度根据阿基米德排水法测试得到。
显微硬度由美国标乐公司的MicroMet 2014型显微硬度计测得。
弯曲强度由美国MTS公司的MTS-810型陶瓷试验系统测得。
实施例2：
请参阅图1，具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料:包括变形铝合金层1和两层铝基复合材料层2，各层的组分、含量依次为AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/12.5wt.％B4C，各层的厚度之比为1:1:1，总厚度为5.45mm，直径为Ф32mm。
制备方法：
A.称取粉末：
用电子天平称取27.75g、24.75g的2024铝合金粉末(颗粒尺寸为200目，中值粒径为28.6μm，气雾法制备)和2.25g、5.25g的碳化硼粉末(纯度≥99％，颗粒尺寸为4μm)；
B.二维混料：
将2024铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需进行混合得到AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/12.5wt.％B4C，将称量好的30g AA2024/7.5wt.％B4C和30gAA2024/12.5wt.％B4C粉末分别装入两个混料瓶中，同时各加入10g氧化锆小球，不加入任何分散剂，室温下置于轻型球磨机上以150转/分钟的速度混料24h；
C.冷压粉料坯体：
称取各层所需的混合好的AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/12.5wt.％B4C复合粉体，分别装入Ф32mm的钢模中进行冷压；冷压过程在压片机上进行，压力为30MPa，保压时间9min；冷压结束后脱模即得到半致密化的冷压粉料坯体；
D.装入石墨模具：
将冷压粉料坯体(Ф32mm)按照梯度设计要求依次装入Ф32mm的石墨模具中，最底层首先装入AA2024层冷压粉料坯体，接下来装入中间层AA2024/7.5wt.％B4C冷压粉料坯体，最后装入顶层AA2024/12.5wt.％B4C冷压粉料坯体；从底部到顶部各层的厚度之比应为1:1:1；
E.表面活化：
将装好的石墨模具放入等离子活化烧结炉中活化处理，活化时间为40s，电压为15kV，电流为120A；
F.电场辅助烧结：
表面活化后立即进行电场辅助烧结，烧结压力为15MPa，真空度时刻保持低于10Pa，以80℃/min的速率升温至520℃，保温4min，整个烧结过程在10min内完成；
G.固溶处理：
脱石墨模具，将烧结得到的致密块体用线切割加工成测试所需形状尺寸的试样，将试样置于高温马弗炉中进行固溶处理，最佳工艺参数如下：首先以10℃/min的速率升温至300℃，随后经过30min升温至420℃，再经过36.5min升温至493℃，保温3h，立即取出进行水淬至室温。
经过上述步骤，所得产品是具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料。
利用阿基米德排水法测试梯度材料的致密度，将其与各层所对应的传统均质铝基复合材料的致密度对比，结果如附图6所示，可见所制备的层状功能梯度铝基复合材料接近全致密，且高于传统均质材料。
实施例3：
请参阅图1，具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料:包括变形铝合金层1和两层铝基复合材料层2，各层的组分、含量依次为AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，各层的厚度之比为2:2:1，总厚度为5.65mm，直径为Ф32mm。
制备方法：
A.称取粉末：
用电子天平称取27.75g、24.75g的2024铝合金粉末(颗粒尺寸为200目，中值粒径为28.6μm，气雾法制备)和2.25g、5.25g的碳化硼粉末(纯度≥99％，颗粒尺寸为4μm)；
B.二维混料：
将2024铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需进行混合得到AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，将称量好的30g AA2024/7.5wt.％B4C和30gAA2024/17.5wt.％B4C混合粉末装入两个混料瓶中，同时各加入10g氧化锆小球，不加入任何分散剂，室温下置于轻型球磨机上以150转/分钟的速度混料24h；
C.冷压粉料坯体：
称取各层所需的混合好的AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C复合粉体，分别装入Ф32mm的钢模中进行冷压；冷压过程在压片机上进行，压力为40MPa，保压时间8min；冷压结束后脱模即得到半致密化的冷压粉料坯体；
D.装入石墨模具：
将冷压粉料坯体(Ф32mm)按照梯度设计要求依次装入Ф32mm的石墨模具中，最底层首先装入AA2024层冷压粉料坯体，接下来装入中间层AA2024/7.5wt.％B4C冷压粉料坯体，最后装入顶层AA2024/17.5wt.％B4C冷压粉料坯体；从底部到顶部各层的厚度之比应为2:2:1；
E.表面活化：
将装好的石墨模具放入等离子活化烧结炉中活化处理，活化时间为35s，电压为25kV，电流为80A；
F.电场辅助烧结：
表面活化后立即进行电场辅助烧结，烧结压力为25MPa，真空度时刻保持低于10Pa，以120℃/min的速率升温至540℃，保温3min，整个烧结过程在10min内完成；
G.固溶处理：
脱石墨模具，将烧结得到的致密块体用线切割加工成测试所需形状尺寸的试样，将试样置于高温马弗炉中进行固溶处理，最佳工艺参数如下：首先以10℃/min的速率升温至300℃，随后经过30min升温至420℃，再经过36.5min升温至493℃，保温3h，立即取出进行水淬至室温。
经过上述步骤，所得产品是具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料。
经各层硬度测试，如附图7所示，各层硬度随增强颗粒碳化硼含量的增加而呈梯度增大，AA2024层的平均硬度为130.0HV，AA2024/7.5wt.％B4C层的平均硬度为164.3HV，AA2024/7.5wt.％B4C层的平均硬度为203.8HV，硬度比未增强2024铝合金有很大提高。
实施例4
请参阅图1，具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料:包括变形铝合金层1和两层铝基复合材料层2，各层的组分、含量依次为AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，各层的厚度之比为3:2:1，总厚度为5.25mm，直径为Ф32mm。
制备方法：
A.称取粉末：
用电子天平称取27.75g、24.75g的2024铝合金粉末(颗粒尺寸为200目，中值粒径为28.6μm，气雾法制备)和2.25g、5.25g的碳化硼粉末(纯度≥99％，颗粒尺寸为4μm)；
B.二维混料：
将2024铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需进行混合得到AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，将称量好的30g AA2024/7.5wt.％B4C和30gAA2024/17.5wt.％B4C粉末分别装入两个混料瓶中，同时各加入10g氧化锆小球，不加入任何分散剂，室温下置于轻型球磨机上以150转/分钟的速度混料24h；
C.冷压粉料坯体：
称取各层所需的混合好的AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C复合粉体，分别装入Ф32mm的钢模中进行冷压；冷压过程在压片机上进行，压力为45MPa，保压时间8min；冷压结束后脱模即得到半致密化的冷压粉料坯体；
D.装入石墨模具：
将冷压粉料坯体(Ф32mm)按照梯度设计要求依次装入Ф32mm的石墨模具中，最底层首先装入AA2024层冷压粉料坯体，接下来装入中间层AA2024/7.5wt.％B4C冷压粉料坯体，最后装入顶层AA2024/17.5wt.％B4C冷压粉料坯体；从底部到顶部各层的厚度之比应为3:2:1；
E.表面活化：
将装好的石墨模具放入等离子活化烧结炉中活化处理，活化时间为35s，电压为25kV，电流为110A；
F.电场辅助烧结：
表面活化后立即进行电场辅助烧结，烧结压力为28MPa，真空度时刻保持低于10Pa，以100℃/min的速率升温至530℃，保温3min，整个烧结过程在10min内完成；
G.固溶处理：
脱石墨模具，将烧结得到的致密块体用线切割加工成测试所需形状尺寸的试样，将试样置于高温马弗炉中进行固溶处理，最佳工艺参数如下：首先以10℃/min的速率升温至300℃，随后经过30min升温至420℃，再经过36.5min升温至493℃，保温3h，立即取出进行水淬至室温。
经过上述步骤，所得产品是具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料。
分别将AA2024层作为受拉面和受压面，经三点弯曲试验测得层状功能梯度铝基复合材料的弯曲强度，如附图8所示，所制备的层状功能梯度铝基复合材料弯曲应力应变曲线，弯曲强度可达到1131MPa，塑性为19.59％。
实施例5
请参阅图9，本实施例与实施例1的区别仅在于，具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料:包括变形铝合金层1和三层铝基复合材料层2，分别为第一层铝基复合材料层21、第二层铝基复合材料层22、第三层铝基复合材料层23，各层的组分、含量依次为AA2024、AA2024/7.5wt.％B4C、AA2024/12.5wt.％B4C、AA2024/17.5wt.％B4C，各层的厚度之比为3：2：1：1，总厚度为6.25mm，直径为Ф32mm。余则与实施例1基本相同。
本发明采用功能梯度复合材料的设计理念，通过冷压和电场辅助烧结两步工艺，成功地将陶瓷颗粒引入到层状铝基复合材料中，获得高致密块体材料，能够同时提高材料的强度和塑韧性，平均抗弯强度≥1130MPa，塑性≥20％；通过增强体和基体的粒径设计，选择了增强体的粒径小于基体粒径，使得复合材料的显微结构表现出增强相在基体中呈网络状梯度分布的特征，能够更好地起到载荷传递的作用，且无明显的孔洞和裂纹；具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法工艺简单，能够实现低温快速烧结，生产效率高；制备出的层状铝基复合材料与传统的均质材料相比，综合力学性能更优；同时与传统的热压及铸造工艺相比，工序更加简便、节能，生产周期更短，综合力学性能更高。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其特征在于，包括变形铝合金层和铝基复合材料层，所述铝基复合材料层以析出强化类铝合金为基体，以碳化硼为增强相，所述铝基复合材料层有多层，每层铝基复合材料层中碳化硼的含量不同，且碳化硼的含量梯度增加，每层碳化硼的含量低于对应铝基复合材料层质量的20％；
所述铝基复合材料层有两层，分别为第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层，所述第二铝基复合材料层中碳化硼的含量高于第一铝基复合材料层中碳化硼的含量，所述第一铝基复合材料层在第二铝基复合材料层和变形铝合金层之间，所述变形铝合金层、第一铝基复合材料层和第二铝基复合材料层的厚度比例为1:1:1、2:1:1、2:2:1或3:2:1；
所述析出强化类铝合金为2024铝合金，颗粒尺寸为100目～300目；
所述碳化硼的纯度≥99％，颗粒尺寸为4μm；
上述具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.设计梯度结构，并根据梯度结构称取各铝基复合材料层所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末，以及变形铝合金层所需要的变形铝合金粉末；
S2.将步骤S1称取的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末按照不同铝基复合材料层所需的析出强化类铝合金粉末和碳化硼粉末进行二维混料得到不同铝基复合材料层的复合粉末；
S3.将不同铝基复合材料层的复合粉末以及变形铝合金粉末分别进行冷压，得到不同铝基复合材料层的半致密化冷压粉料坯体和变形铝合金冷压粉料坯体；
S4.将步骤S3得到的不同铝基复合材料层的半致密化的冷压粉料坯体按照梯度结构进行铺层，所述变形铝合金冷压粉料坯体铺在最底层，得到预制坯，并将预制坯装入模具中；
S5.对模具中的预制坯进行表面活化和烧结，去除模具，并进行固溶处理，即得到具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料；
所述步骤S2中，将析出强化类铝合金、碳化硼和氧化锆小球一起加入混料瓶中，析出强化类铝合金和碳化硼的质量之和与氧化锆小球的质量比为3:1，室温下在轻型球磨机上进行二维混料24h；
采用上述方法制备的功能梯度铝基复合材料的平均抗弯强度≥1130MPa，塑性≥20％。
2.根据权利要求1所述的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤S3中，冷压的压力为20～50MPa，保压时间为8～10min。
3.根据权利要求1所述的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤S5中，表面活化的活化时间为30～40s，电压为10～30kV，电流为50～150A。
4.根据权利要求1所述的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤S5中，烧结利用粉末冶金法，所述粉末冶金法采用电场辅助烧结技术，在等离子活化烧结炉中进行，升温速率为50～150℃/min，烧结温度为500℃～540℃，保温时间1～5min，烧结压力为10MPa～30MPa，真空度保持低于10Pa。
5.根据权利要求1所述的具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤S5中，固溶处理为在480℃～500℃下保温1～3h，之后立即进行水淬。
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| GR01 | Patent grant | ||
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