CN109967749A - 一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料及粉末冶金领域，该制动盘用先进金属基复合材料的制备方法具体步骤为准备制备原料，分拣，储存、将准备的原料进行挑取，并进行纯度检测，再进行混合工作、取出混合粉造粒，并制成粉末颗粒、使用3D打印共喷射沉积设备进行喷射沉积、将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理和将处理后的坯体进行冷却，储存。本发明工艺简单，无需保温处理，生产效率低，由于在热处理之前通过机械合金化预合成了碳化钛相，并且在喷射沉积与热处理过程中，在1000℃～1400℃，材料体系产生部分液相，使TiC颗粒层状增强铝基复合材料已逐步反应完全。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法。
背景技术
金属基复合材料是现代工业中的一类重要复合材料，金属基复合材料的发展对航空、汽车等工业领域的发展起着举足轻重的作用。由于其具有高比模量、高比强度、良好的耐磨性、可控的热膨胀性以及优良的高温综合性能，成为发展迅速的重要先进材料。
目前在汽车制动方面主要使用以铸铁或者铸钢材质为摩擦材料生产的制动盘，或者由铸铁-铸钢组合生产的制动盘，也有以SiC或A12O3等陶瓷颗粒为增强体、铝合金为基体的制动材料。但在铸钢盘在使用中存在摩擦面易出现沟槽,使用寿命短,质量较难控制等缺点，SiC或A12O3等陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备的刹车盘存在塑性较低，制动盘在承受交变热负荷作用时，在复合材料中一旦出现裂纹萌生，裂纹容易迅速扩展，导致突发事故。目前的研究结果表明，TiC增强铝基复合材料是有潜力取代传统制动摩擦材料、成为下一代刹车制动材料的最佳候选材料之一。
作为刹车制动材料使用的金属基复合材料取得广泛应用的前提条件是该材料具有良好的导热性、抗热裂性、耐磨性，低的刹车噪音。以TiC增强铝基复合材料为代表的一类陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有优良的耐磨、耐高温性、抗热裂性以及较高的硬度和导热性率，在汽车刹车制动领域有着广阔的应用前景。
但是，现有的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法存在着工艺步骤繁琐，生产中需进行保温和生产效率低的问题。
因此，发明一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法显得非常必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，以解决现有的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法存在着工艺步骤繁琐，生产中需进行保温和生产效率低的问题，一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：准备制备原料，TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉为主要原料，分拣，储存；
步骤二：将准备的原料进行挑取，并进行纯度检测，再进行混合工作，具体操作步骤如下：
第一步：挑取原料，对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行挑选，通过放大镜进行观察挑选；
第二步：纯度检测，测纯度的方法可分为两种：①直接测定法，用电解法测定纯金属的纯度，用重量法测定纯物质的纯度等。由于纯度的百分率数值较大，对有效的位数要求也多,因此,测定方法必须是高精度和高准确度的，这样就使高纯物质的纯度测定受到了限制。②间接测定法，它是用高准确度、高灵敏度的方法测定高纯物质中的各种杂质含量，然后从待测物质中减去所测杂质总量的百分率作为该高纯物质的纯度，通过对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行纯度检测；
第三步：混合原料，将确定好纯度的原料进行混合；
步骤三：取出混合粉造粒，并制成粉末颗粒，具体操作步骤如下：
第一步：抽取原料中的一部分按照合理范围内的比例置入高能球磨罐中；
第二步：向高能球磨罐内部充入氩气进行机械合金化；
第三步：加入添加粉进行混合，取出混合粉体造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B；
步骤四：使用3D打印共喷射沉积设备进行喷射沉积，具体操作步骤如下：
第一步：准备3D打印共喷射沉积设备；
第二步：确定氮气保护环境；
第三步：准备送粉器，使得送粉器A和送粉器B进行交替喷射送粉工作；
步骤五：将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料；
步骤六：将处理后的坯体进行冷却，储存。
优选地，在步骤一中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉的纯度设置为99.9％-99.99％。
优选地，在步骤一中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度9μm-10μm。
优选地，在步骤三中，在第二步中所述的机械合金化时间设置为48小时-50小时。
优选地，在步骤三中，在第三步中所述的添加粉设置为TiC粉和Al粉。
优选地，在步骤三中，在第三步中所述的混合时间设置为5小时-10小时。
优选地，在步骤三中，在第一步中所述的抽取原料设置为Ti粉、Si粉和石墨粉，所述的抽取原料比例设置为1:1:1。
优选地，在步骤三中，在第三步中所述的造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒，所述的Al粉造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒。
优选地，在步骤三中，在第三步中所述的3D打印共喷射沉积设备控制喷头孔径0.5～2.0mm，喷头移动速度1mm/s～10mm/s，送气速度3mL/min～20mL/min。
优选地，在步骤五中，所述的热处理温度设置为1000℃～1200℃，升温速度设置为(5℃～10℃)/min，真空度设置为10-20Pa。
优选地，在步骤五中，所述的随炉冷却温度设置为650℃-750℃。
优选地，在步骤六中，所述的冷却温度设置为65℃-75℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：由于本发明的一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法广泛应用于金属基复合材料及粉末冶金技术领域。本发明工艺简单，无需保温处理，生产效率低，由于在热处理之前通过机械合金化预合成了碳化钛相，并且在喷射沉积与热处理过程中，在1000℃～1400℃，材料体系产生部分液相，使TiC颗粒层状增强铝基复合材料已逐步反应完全。制得的TiC颗粒层状增强铝基复合材料相对密度较高，主要力学性能指标优异(最高致密度达98.74％，摩擦系数为0.20～0.40，最高抗拉强度达573MPa，最高断裂韧性达30.91MPa·m1/2，最高硬度达87HRA)。
附图说明
图1是制动盘用先进金属基复合材料的制备方法流程图。
图2是将准备的原料进行挑取，并进行纯度检测，再进行混合工作的流程图。
图3是取出混合粉造粒，并制成粉末颗粒的流程图。
图4是使用3D打印共喷射沉积设备进行喷射沉积的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
图中：
如附图1所示
一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
S101：准备制备原料，TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉为主要原料，分拣，储存；
S102：将准备的原料进行挑取，并进行纯度检测，再进行混合工作，具体操作步骤如下：
S201：挑取原料，对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行挑选，通过放大镜进行观察挑选；
S202：纯度检测，测纯度的方法可分为两种：①直接测定法，用电解法测定纯金属的纯度，用重量法测定纯物质的纯度等。由于纯度的百分率数值较大，对有效的位数要求也多,因此,测定方法必须是高精度和高准确度的，这样就使高纯物质的纯度测定受到了限制。②间接测定法，它是用高准确度、高灵敏度的方法测定高纯物质中的各种杂质含量，然后从待测物质中减去所测杂质总量的百分率作为该高纯物质的纯度，通过对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行纯度检测；
S203：混合原料，将确定好纯度的原料进行混合；
S103：取出混合粉造粒，并制成粉末颗粒，具体操作步骤如下：
S301：抽取原料中的一部分按照合理范围内的比例置入高能球磨罐中；
S302：向高能球磨罐内部充入氩气进行机械合金化；
S303：加入添加粉进行混合，取出混合粉体造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B；
S104：使用3D打印共喷射沉积设备进行喷射沉积，具体操作步骤如下：
S401：准备3D打印共喷射沉积设备；
S402：确定氮气保护环境；
S403：准备送粉器，使得送粉器A和送粉器B进行交替喷射送粉工作；
S105：将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料；
S106：将处理后的坯体进行冷却，储存。
优选地，在S101中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉的纯度设置为99.9％-99.99％。
优选地，在S101中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度9μm-10μm。
优选地，在S103中，在S302中所述的机械合金化时间设置为48小时-50小时。
优选地，在S103中，在S303中所述的添加粉设置为TiC粉和Al粉。
优选地，在S103中，在S303中所述的混合时间设置为5小时-10小时。
优选地，在S103中，在S301中所述的抽取原料设置为Ti粉、Si粉和石墨粉，所述的抽取原料比例设置为1:1:1。
优选地，在S103中，在S303中所述的造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒，所述的Al粉造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒。
优选地，在S103中，在S303中所述的3D打印共喷射沉积设备控制喷头孔径0.5～2.0mm，喷头移动速度1mm/s～10mm/s，送气速度3mL/min～20mL/min。
优选地，在S105中，所述的热处理温度设置为1000℃～1200℃，升温速度设置为(5℃～10℃)/min，真空度设置为10-20Pa。
优选地，在S105中，所述的随炉冷却温度设置为650℃-750℃。
优选地，在S106中，所述的冷却温度设置为65℃-75℃。
具体实施例1：
1、选用纯度不低于99.9％的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉为主要原料，要求TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度≤10μm。
2、将Ti粉、Si粉和石墨粉按照Ti-0.2Si-1.2C装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化48h，然后加入0.2TiC-0.1Al粉混合5～10h。
3、取出混合粉体造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B。
4、使用3D打印共喷射沉积设备，在氮气保护环境下喷射沉积，控制喷头孔径0.5mm，喷头移动速度1mm/s，送气速度3mL/min，送粉器A与送粉器B交替喷射送粉。
5、将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，热处理温度在1000℃，升温速度在5℃/min，真空度≤10-20Pa，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料。
对其进行性能测试，致密度为96.1％，摩擦系数为0.28，断裂韧性为26.7MPa·m1/2,抗拉强度达512MPa，硬度达81.2HRA。
具体实施例2：
1、选用纯度不低于99.9％的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉为主要原料，要求TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度≤10μm。
2、将Ti粉、Si粉和石墨粉按照Ti-0.3Si-1.5C装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化48h，然后加入0.1TiC-0.1Al粉混合5～10h。
3、取出混合粉体造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B。
4、使用3D打印共喷射沉积设备，在氮气保护环境下喷射沉积，控制喷头孔径1.0mm，喷头移动速度5mm/s，送气速度10mL/min，送粉器A与送粉器B交替喷射送粉。
5、将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，热处理温度在1100℃，升温速度在8℃/min，真空度≤10-20Pa，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料。
对其进行性能测试，致密度为97.4％，摩擦系数为0.32，断裂韧性为23.3MPa·m1/2,抗拉强度达556MPa，硬度达85.3HRA。
具体实施例3：
1、选用纯度不低于99.9％的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉为主要原料，要求TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度≤10μm。
2、将Ti粉、Si粉和石墨粉按照Ti-0.5Si-2.0C装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化48h，然后加入0.5TiC-0.5Al粉混合5～10h。
3、取出混合粉体造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，制成直径为0.1mm球形颗粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B。
4、使用3D打印共喷射沉积设备，在氮气保护环境下喷射沉积，控制喷头孔径2.0mm，喷头移动速度10mm/s，送气速度20mL/min，送粉器A与送粉器B交替喷射送粉。
5、将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，热处理温度在1200℃，升温速度在10℃/min，真空度≤10-20Pa，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料。
对其进行性能测试，致密度为94.1％，摩擦系数为0.36，断裂韧性为30.1MPa·m1/2,抗拉强度达540MPa，硬度达86HRA。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，该种制动盘用先进金属基复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：准备制备原料，TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉为主要原料，分拣，储存；
步骤二：将准备的原料进行挑取，并进行纯度检测，再进行混合工作，具体操作步骤如下：
第一步：挑取原料，对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行挑选，通过放大镜进行观察挑选；
第二步：纯度检测，测纯度的方法可分为两种：①直接测定法，用电解法测定纯金属的纯度，用重量法测定纯物质的纯度等。由于纯度的百分率数值较大，对有效的位数要求也多,因此,测定方法必须是高精度和高准确度的，这样就使高纯物质的纯度测定受到了限制。②间接测定法，它是用高准确度、高灵敏度的方法测定高纯物质中的各种杂质含量，然后从待测物质中减去所测杂质总量的百分率作为该高纯物质的纯度，通过对TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉进行纯度检测；
第三步：混合原料，将确定好纯度的原料进行混合；
步骤三：取出混合粉造粒，并制成粉末颗粒，具体操作步骤如下：
第一步：抽取原料中的一部分按照合理范围内的比例置入高能球磨罐中；
第二步：向高能球磨罐内部充入氩气进行机械合金化；
第三步：加入添加粉进行混合，取出混合粉体造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器A；将Al粉造粒，将制成的粉末颗粒装入送粉器B；
步骤四：使用3D打印共喷射沉积设备进行喷射沉积，具体操作步骤如下：
第一步：准备3D打印共喷射沉积设备；
第二步：确定氮气保护环境；
第三步：准备送粉器，使得送粉器A和送粉器B进行交替喷射送粉工作；
步骤五：将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，将沉积成型的坯体放入真空热处理炉中进行热处理，随炉冷却，得到原位反应生成的TiC颗粒层状增强铝基复合材料；
步骤六：将处理后的坯体进行冷却，储存。
2.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉和Si粉的纯度设置为99.9％-99.99％。
3.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述的TiC粉、石墨粉、Ti粉、Al粉、Si粉的粒度9μm-10μm。
4.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第二步中所述的机械合金化时间设置为48小时-50小时。
5.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第三步中所述的添加粉设置为TiC粉和Al粉。
6.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第三步中所述的混合时间设置为5小时-10小时。
7.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第一步中所述的抽取原料设置为Ti粉、Si粉和石墨粉，所述的抽取原料比例设置为1:1:1。
8.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第三步中所述的造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒，所述的Al粉造粒为直径0.09-0.1mm的球形颗粒。
9.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在第三步中所述的3D打印共喷射沉积设备控制喷头孔径0.5～2.0mm，喷头移动速度1mm/s～10mm/s，送气速度3mL/min～20mL/min。
10.如权利要求1所述的制动盘用先进金属基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤五中，所述的热处理温度设置为1000℃～1200℃，升温速度设置为(5℃～10℃)/min，真空度设置为10-20Pa。
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