CN109897987A - 一种铝基纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝基纳米复合材料及其制备方法，涉及金属基复合材料领域，该复合材料为铝或铝合金和纳米增强相材料组成。其制备方法如下：(1)将铝或铝合金粉末与纳米增强相粉末混合，通过高能球磨制备得到铝基纳米复合材料粉末；(2)将铝基纳米复合材料粉末装入到模具中，通过烧结或者冷压或者热压得到预成型块体；(3)将预成型块体通过热压或者热锻获得铝基纳米复合材料。本发明由于成型速度快，加上纳米强化相对晶界的钉扎，可以使材料基体的晶粒尺寸保持在纳米级别。相对于传统的铝基复合材料，该方法制备的材料有更优越的力学性能；另外，该技术设备简单，相比于传统方法简化了工序，降低制造成本，适用于工业大规模的制备。
Description
技术领域
本发明涉及金属基纳米复合材料领域，尤其涉及一种铝基纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
金属基复合材料起源于20世纪50年代末期，现在已经发展成为一种重要的工程应用材料。颗粒增强金属基复合材料多采用金属或合金为基体，陶瓷颗粒为增强相，结合了金属基体的高塑性和陶瓷增强相的高强度，具有良好的综合性能优势，包括高比强度、高弹性模量、高疲劳强度、高蠕变抗力、高耐磨和低热膨胀率等。已经被广泛应用于汽车制造、航空、船舶等领域。
对于大多数的颗粒增强金属基复合材料，其增强相的尺寸都在微米级，这会导致材料塑性明显降低，其机理在于粗大的增强颗粒容易造成应力集中，裂纹易于在颗粒界面处形核扩展。纳米颗粒的引入，可以有效的避免应力集中，同时在晶内阻碍位错移动，提高加工硬化能力，使材料塑性提高。另外，纳米颗粒可以钉扎晶界，从而控制晶粒尺寸，提高材料的强度。
目前，金属基复合材料的制备工艺主要基于液相法，例如：搅拌铸造法、原位自生法、挤压铸造法、喷射成形法。在熔融金属液体中混合或原位反应生成陶瓷强化相颗粒，通过铸造的方法获得复合材料块体。但该方法陶瓷强化相颗粒难以均匀弥散分布，特别是纳米级颗粒容易产生聚集，同时铸件中容易引入缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷，另外也会有强化相与金属液相互不润湿，发生不良界面反应等现象，无法保证材料的性能。通常需要通过挤压、锻压等二次加工来消除缺陷，提高材料性能。原位自生加挤压铸造的方法虽然可以保证强化相颗粒与基体的润湿性，且尺寸细小、分布均匀，同时压力下消除组织缺陷。但是很难获得超细结构的基体组织，难以在性能上有所突破。与此同时，液相法的能耗高、制备设备复杂，大多需要二次热变形加工，因此增加了制备工艺的复杂化。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种铝基纳米复合材料及其制备方法，通过粉末冶金快速固结法，利用高能球磨获得的铝基纳米复合材料粉末为原材料，这种粉末具有纳米级别的强化相，且粉末晶粒尺寸同样在纳米级别，通过快速烧结成预成型块体再进行热挤压或热锻的变形工艺，快速制备铝基纳米复合材料。由于成型速度快，加上纳米强化相对晶界的钉扎，可以使最终材料基体的晶粒尺寸保持在纳米级别。相对于传统的铝基复合材料，该方法制备的材料有更优越的力学性能。另外，该技术设备简单，相比于传统方法简化了工序，降低制造成本，适用于工业大规模的制备。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是液相法制备颗粒增强金属基复合材料的高能耗、制备设备复杂、难以获得超细结构的基体组织从而性能难以突破的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种铝基纳米复合材料，所述铝基纳米复合材料为铝或铝合金和纳米增强相材料组成。
进一步地，所述铝基纳米复合材料为圆形棒材或方形棒材或扁圆型块体。
进一步地，所述铝基纳米复合材料为Al/SiC复合材料、6061/SiC复合材料、7075/TiB2复合材料中的一种。
进一步地，所述铝基纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝或铝合金的粉末与纳米增强相材料的粉末混合，通过高能球磨制备得到铝基纳米复合材料粉末；
(2)将所述铝基纳米复合材料粉末装入到模具中，通过烧结或者冷压或者热压得到预成型块体；
(3)将所述预成型块体通过热压或者热锻获得所述铝基纳米复合材料。
进一步地，步骤(2)所述烧结过程如下：将所述模具置于放电等离子体设备中，将所述放电等离子体设备烧结腔体抽真空，真空度达到1mbar以下，将所述铝基纳米复合材料粉末加热到400-550℃，并施加30-150MPa的压力，保温保压1-30min。
进一步地，步骤(2)所述模具为H13钢模具，所述冷压过程如下：将所述H13钢模具放入冷压设备中，施加100-800MPa压力，保压1-30min。
进一步地，步骤(2)所述模具为H13钢模具，所述热压过程如下：将所述H13钢模具置于热压设备中，将所述热压设备抽真空，再充入氩气使所述热压设备腔体内氧含量达到200ppm以下，将所述铝基纳米复合材料粉末加热到400-500℃，并施加50-600MPa压力，保温保压0.5-3min。
进一步地，步骤(3)所述热压过程如下：挤压设备抽真空并充入氩气，使所述挤压设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将所述预成型块体通过感应线圈加热至400-500℃并保温2min，然后迅速转移到450℃的挤压模具中，进行热挤压，挤压比为5-30之间。
进一步地，步骤(3)所述热锻过程如下：将热锻设备抽真空并充入氩气，使所述热锻设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将预成型块体通过感应线圈加热至400-500℃并保温2min，然后迅速转移到450℃的锻压模具中进行热锻。
进一步地，所述纳米增强相材料的粉末占所述铝基纳米复合材料粉末的体积比为1-10％，所述纳米增强相材料的粉末为SiC纳米颗粒或TiB2纳米颗粒，所述SiC纳米颗粒或TiB2纳米颗粒尺寸为1-100nm。
本发明具有如下技术效果：
1、由于成型速度快，加上纳米强化相对晶界的钉扎，可以使最终材料基体的晶粒尺寸保持在纳米级别。相对于传统的铝基复合材料，该方法制备的材料有更优越的力学性能，在本发明一较佳实施案例中，SiC增强铝基纳米复合材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为70-90GPa、250-400MPa、400-650MPa、5-12％；在本发明另一较佳实施案例中，TiB2增强铝基纳米复合材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为70-90GPa、200-300MPa、400-600MPa、5-10％。
2、另外，该技术设备简单，相比于传统方法简化了工序，降低制造成本，适用于工业大规模的制备。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明实例1获得的铝基纳米复合材料的SEM图；
图2为本发明实例1获得的铝基纳米复合材料的拉伸曲线图；
图3为本发明实例2获得的铝基纳米复合材料的TEM图；
图4为本发明实例2获得的铝基纳米复合材料的拉伸曲线图；
图5为本发明实例3获得的铝基纳米复合材料的SEM图；
图6为本发明实例3获得的铝基纳米复合材料的拉伸曲线图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
将铝粉末和SiC纳米粉末混合，并高能球磨获得SiC增强铝基纳米复合材料粉末，其中SiC纳米颗粒占复合粉末总体积的5％，将SiC增强铝基纳米复合材料粉末装入到石墨模具中，将放电等离子体设备烧结腔体抽真空，真空度达到1mbar以下，在500℃和50MPa下通过放电等离子体烧结5min获得形状为圆柱型块体的预成型块体，再将该预成型块体放入挤压设备中，挤压设备抽真空并充入氩气，使所述挤压设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将预成型块体通过感应线圈加热至500℃并保温2min，进行热挤压，挤压比为9：1，制得Al/SiC复合材料圆棒。
图1是制备得到的Al/SiC复合材料圆棒的SEM图，从图1可以观察到大量SiC纳米颗粒均匀弥散分布在铝基体中。图2是Al/SiC复合材料圆棒的拉伸测试结果，结果显示该复合材料块体的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为300MPa、320MPa和7％。
实施例2
将6061铝合金粉末和SiC纳米粉末混合，并高能球磨获得SiC增强铝基纳米复合材料粉末，其中SiC纳米颗粒占复合粉末总体积的5％，将SiC增强铝基纳米复合材料粉末装入到H13钢模具中，将放电等离子体设备烧结腔体抽真空，真空度达到1mbar以下，在500℃和50MPa下通过放电等离子体烧结5min获得预成型块体，再将该预成型块体放入挤压设备中，挤压设备抽真空并充入氩气，使所述挤压设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将预成型块体通过感应线圈加热至500℃下，挤压比为9：1，进行热挤压，制得6061/SiC复合材料圆棒。
图3是制备得到的6061/SiC复合材料圆棒的TEM图，从图3可以观察到SiC纳米颗粒分布在基体晶粒内部和晶界上。图4是6061/SiC复合材料圆棒的拉伸测试结果，结果显示该复合材料块体的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为390MPa、426MPa和6％。
实施例3
将7075铝合金粉末和TiB2纳米粉末混合，并高能球磨获得TiB2增强铝基纳米复合材料粉末，其中TiB2纳米颗粒占复合粉末总体积的2％，首先通过放电等离子体烧结设备在500℃和50MPa进行烧结5min获得预成型块体，再将该预成型块体在500℃下，挤压比为9：1，进行热挤压，制得7075/TiB2复合材料方棒。
图5是制备得到的7075/TiB2复合材料方棒的SEM图，从图5可以观察到大量TiB2纳米颗粒均匀弥散分布在7075铝基体中。图6是制备得到的7075/TiB2复合材料方棒的拉伸测试结果，结果显示该复合材料块体的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为340MPa、410MPa和5.5％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种铝基纳米复合材料，其特征在于，所述铝基纳米复合材料为铝或铝合金和纳米增强相材料组成。
2.如权利要求1所述的铝基纳米复合材料，其特征在于，所述铝基纳米复合材料为圆形棒材或方形棒材或扁圆型块体。
3.如权利要求1所述的铝基纳米复合材料，其特征在于，所述铝基纳米复合材料为Al/SiC复合材料、6061/SiC复合材料、7075/TiB2复合材料中的一种。
4.一种如权利要求1或2或3所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述铝或铝合金的粉末与所述纳米增强相材料的粉末混合，通过高能球磨制备得到铝基纳米复合材料粉末；
(2)将所述铝基纳米复合材料粉末装入到模具中，通过烧结或者冷压或者热压得到预成型块体；
(3)将所述预成型块体通过热压或者热锻获得所述铝基纳米复合材料。
5.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述模具为石墨模具或H13钢模具，所述烧结过程如下：将所述石墨模具或H13钢模具置于放电等离子体设备中，将所述放电等离子体设备烧结腔体抽真空，真空度达到1mbar以下，将所述铝基纳米复合材料粉末加热到400-550℃，并施加30-150MPa的压力，保温保压1-30min。
6.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述模具为H13钢模具，所述冷压过程如下：将所述H13钢模具放入冷压设备中，施加100-800MPa压力，保压1-30min。
7.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述模具为H13钢模具，所述热压过程如下：将所述H13钢模具置于热压设备中，将所述热压设备抽真空，再充入氩气使所述热压设备腔体内氧含量达到200ppm以下，将所述铝基纳米复合材料粉末加热到400-500℃，并施加50-600MPa压力，保温保压0.5-3min。
8.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热压过程如下：挤压设备抽真空并充入氩气，使所述挤压设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将所述预成型块体通过感应线圈加热至400-500℃并保温2min，然后迅速转移到450℃的挤压模具中，进行热挤压，挤压比为5-30之间。
9.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热锻过程如下：将热锻设备抽真空并充入氩气，使所述热锻设备工作腔体内氧含量达到200ppm以下，将所述预成型块体通过感应线圈加热至400-500℃并保温2min，然后迅速转移到450℃的锻压模具中进行热锻。
10.如权利要求4所述的铝基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相材料的粉末占所述铝基纳米复合材料粉末的体积比为1-10％，所述纳米增强相材料的粉末为SiC纳米颗粒或TiB2纳米颗粒，所述SiC纳米颗粒或TiB2纳米颗粒尺寸为1-100nm。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110592410A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-20 | 中南大学 | 一种铝基复合材料的制备方法 |
| CN112176211A (zh) * | 2020-09-03 | 2021-01-05 | 上海交通大学 | 一种铝基复合材料及其制备方法 |
| CN112410598A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-02-26 | 中国科学院金属研究所 | 颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的粉末冶金制备方法 |
| CN112620387A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-09 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法 |
| CN113737062A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-03 | 江苏大学 | 一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN115652126A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-01-31 | 日铭电脑配件(上海)有限公司 | 一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN117161381A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种铝基复合材料球头和碗头金具的近净成形制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102747254A (zh) * | 2012-07-27 | 2012-10-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法 |
| WO2018142141A1 (en) * | 2017-02-01 | 2018-08-09 | Brunel University London | Methods and process to improve the mechanical properties of cast aluminium alloys at ambient temperature and at elevated temperatures |
-
2019
- 2019-04-04 CN CN201910268743.XA patent/CN109897987A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102747254A (zh) * | 2012-07-27 | 2012-10-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种外加纳米陶瓷颗粒增强晶内型铝基复合材料及其制备方法 |
| WO2018142141A1 (en) * | 2017-02-01 | 2018-08-09 | Brunel University London | Methods and process to improve the mechanical properties of cast aluminium alloys at ambient temperature and at elevated temperatures |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110592410A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-20 | 中南大学 | 一种铝基复合材料的制备方法 |
| CN112176211A (zh) * | 2020-09-03 | 2021-01-05 | 上海交通大学 | 一种铝基复合材料及其制备方法 |
| CN112410598A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-02-26 | 中国科学院金属研究所 | 颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的粉末冶金制备方法 |
| CN112620387A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-09 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 基于高模量铝合金的特高压阀厅接地开关用导电管的制备方法 |
| CN113737062A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-03 | 江苏大学 | 一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN115652126A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-01-31 | 日铭电脑配件(上海)有限公司 | 一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN115652126B (zh) * | 2022-11-14 | 2024-01-23 | 日铭电脑配件(上海)有限公司 | 一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN117161381A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种铝基复合材料球头和碗头金具的近净成形制备方法 |
| CN117161381B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-01-16 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种铝基复合材料球头和碗头金具的近净成形制备方法 |
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