CN110153408A - 一种陶瓷颗粒增强6xxx铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法。本发明是要解决现有陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料制备方法导致Mg元素偏聚，进而无法发挥强化相Mg2Si时效硬化能力；以及传统粉末冶金制备复合材料需在真空环境下进行，加热、保温以及降温时间很长，严重影响制备效率的问题。方法：一、球磨混粉；二、冷压制备预制体；三、热压烧结。本方法制备效率高、且能够得到综合性能优异的6XXX铝基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有低密度、高比强度和高比刚度，优异的耐磨性以及优异的耐高温性能，因此在航空航天、汽车、轨道交通以及体育等行业应用广泛，相应的铝基复合材料的制备工艺也迅速发展。而6XXX系铝合金由于具有优良的强韧性而常被用作基体。
然而，由于颗粒加入后复合材料引入了大量的界面，大量界面的存在会导致合金中元素的偏聚和非正常扩散，进而影响基体合金的时效硬化行为，如6061Al主要的强化相为Mg2Si，然而，当大量的镁元素扩散或者是偏聚至界面后，基体中Mg元素减少，会导致合金的时效硬化能力下降，进而造成颗粒的强化效率显著降低(强化效率＝(复合材料性能-基体性能)/基体性能)。而6XXX铝合金中Mg元素的含量仅为0.3％～1.4％，极易因Mg元素偏聚而失去时效硬化能力，如何发挥6XXX铝合金基体的时效硬化能力是改善陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料性的主要手段。此外，传统粉末冶金法制备铝基复合材料大多数均在真空条件下进行，加热、保温以及降温时间很长，结果造成制备复合材料制备效率低，能源损耗大。
因此，亟需开发一种快速制备6XXX铝基复合材料的新方法，保证Mg元素的时效硬化行为，进而获得性能优异的复合材料，同时提高制备效率。
发明内容
本发明是要解决现有陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料制备方法导致Mg元素偏聚，进而无法发挥强化相Mg2Si时效硬化能力；以及传统粉末冶金制备复合材料需在真空环境下进行，加热、保温以及降温时间很长，严重影响制备效率的问题，而提供一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法。
本发明一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、球磨混粉：将陶瓷颗粒粉末、6XXX铝合金粉末和铝镁合金粉末在V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中陶瓷颗粒粉末的体积分数为0.1～20％；所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:(3～5)；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:(0.5～5)；
二、制备预制体：将混合粉末加入钢模具中压实，在压力为10～25MPa的条件下保压5～10min，得到预制体；
三、热压烧结：将预制体放入炉内，以300～400℃/h的升温速率将炉温由室温升至560～580℃，在温度为560～580℃的条件下保温30min～120min完成烧结，然后烧结后的预制体连同模具转移到压力机上，施加压力，在压力为40～60MPa的条件下保压5～10min，随后自然冷却至室温，脱模得到陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明采用V型混料机进行混粉，通过铝镁合金粉末额外添加Mg元素，实现镁元素的补充；控制制备的烧结温度和时间，减少Mg元素向界面的扩散，最终实现高性能6XXX铝基复合材料制备。采用该方法制备的B4C/6061Al复合材料屈服强度≥420MPa，抗拉强度大于等于460MPa，延伸率≥5％。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、球磨混粉：将陶瓷颗粒粉末、6XXX铝合金粉末和铝镁合金粉末在V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中陶瓷颗粒粉末的体积分数为0.1～20％；所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:(3～5)；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:(0.5～5)；
二、制备预制体：将混合粉末加入钢模具中压实，在压力为10～25MPa的条件下保压5～10min，得到预制体；
三、热压烧结：将预制体放入炉内，以300～400℃/h的升温速率将炉温由室温升至560～580℃，在温度为560～580℃的条件下保温30min～120min完成烧结，然后烧结后的预制体连同模具转移到压力机上，施加压力，在压力为40～60MPa的条件下保压5～10min，随后自然冷却至室温，脱模得到陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料。
本实施方式步骤一所述铝镁合金粉末是额外添加Mg元素的重要手段。由于复合材料中存在大量的基体合金和颗粒的界面，而这些界面的存在会导致6XXX铝合金中的Mg元素极易发生偏聚，导致基体合金内部的Mg元素含量降低，导致强化相Mg2Si的数量减少，造成复合材料合金的时效硬化能力降低，因此，适当条件Mg元素，可以有效的补充合金的时效硬化能力，充分发挥基体合金的优势。
本实施方式步骤一所述控制升温速率和保温时间也是实现本发明效果的重要因素。影响元素扩散的外部条件中、温度和时间是最重要的，因此，在保证复合材料烧结质量的前提下，尽量降低保温时间，提高升温速率，能够有效的降低Mg元素在复合材料中的扩散行为，从而减少Mg元素向界面的偏聚过程。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述陶瓷颗粒位碳化硼和碳化硅中的一种或两者的混合，颗粒尺寸为1～20μm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述铝镁合金粉末尺寸为1～20μm，铝镁合金粉末中镁元素含量为5～10％。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述6XXX铝合金粉末为6061Al粉末。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述6XXX铝合金粉末尺寸为1～20μm。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述V型混料机的转速为30r/min，球料比为10:1，混料时间为1～2h。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:1。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3.5；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:0.5。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中在压力为25MPa的条件下保压8min。其他与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中以350℃/h的升温速率将炉温由室温升至580℃，在温度为580℃的条件下保温120min完成烧结。其他与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、球磨混粉：将碳化硅颗粒粉末、、6061Al粉末和铝镁合金粉末在V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中陶瓷颗粒粉末的体积分数为20％；所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:1；V型混料机转速为30r/min，球料比为10:1，混粉时间为2h；其中镁铝合金粉末中Mg的质量分数为5％；
二、制备预制体：将混合粉末加入钢模具中压实，在压力为25MPa的条件下保压10min，得到预制体；
三、热压烧结：将预制体放入炉内，以400℃/h的升温速率将炉温由室温升至580℃，在温度为580℃的条件下保温40min完成烧结，然后烧结后的预制体连同模具转移到压力机上，施加压力，在压力为45MPa的条件下保压10min，随后自然冷却至室温，脱模得到陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料。
实施例二：一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、球磨混粉：将碳化硅颗粒粉末、、6061Al粉末和铝镁合金粉末在V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中陶瓷颗粒粉末的体积分数为20％；所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3.5；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:0.5；V型混料机转速为30r/min，球料比为10:1，混粉时间为2h；其中镁铝合金粉末中Mg的质量分数为5％；
二、制备预制体：将混合粉末加入钢模具中压实，在压力为25MPa的条件下保压10min，得到预制体；
三、热压烧结：将预制体放入炉内，以300℃/h的升温速率将炉温由室温升至580℃，在温度为580℃的条件下保温120min完成烧结，然后烧结后的预制体连同模具转移到压力机上，施加压力，在压力为45MPa的条件下保压10min，随后自然冷却至室温，脱模得到陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料。
对比例一：一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
与实施例一中不同的是球磨混粉过程中碳化硅陶瓷粉末、6061Al粉末和铝镁合金粉末的体积比例为1：4：0，其他具体参数与实施例一相同。
对比例二：一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
与实施例二中不同的是升温速率控制为250℃/h，保温时间控制为150min，其他具体参数与实施例二相同。
实施例一、二与对比例一、二的得到的陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料力学性能如表1所述。
表1
| 项目 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) | 弹性模量(GPa) |
| 实施例一 | 415 | 470 | 6 | 110 |
| 实施例二 | 410 | 465 | 7 | 110 |
| 对比例一 | 397 | 430 | 9 | 109 |
| 对比例二 | 395 | 425 | 8 | 108 |
从实施例一和对比例一对比结果中可以看出：通过添加铝镁合金实现额外添加镁元素，复合材料的制备效果是非常显著的，强度明显上升，延伸率稍降；对比例一中复合材料性能的降低主要是由于界面位置吸收了大量的镁元素，导致基体合金的时效硬化能力下降。
从实施例二和对比例二对比结果中可以看出：通过提高升温速率和减小保温时间，是非常有利于复合材料力学性能的改善，对比例二中复合材料下降的主要原因是升温速率降低，保温时间增加都会延长复合材料在高温阶段的时间，复合材料内部的Mg元素有充分的时间向界面处扩散，导致基体合金时效硬化能力降低。
Claims (10)
1.一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、球磨混粉：将陶瓷颗粒粉末、6XXX铝合金粉末和铝镁合金粉末在V型混料机中混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中陶瓷颗粒粉末的体积分数为0.1～20％；所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:(3～5)；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:(0.5～5)；
二、制备预制体：将混合粉末加入钢模具中压实，在压力为10～25MPa的条件下保压5～10min，得到预制体；
三、热压烧结：将预制体放入炉内，以300～400℃/h的升温速率将炉温由室温升至560～580℃，在温度为560～580℃的条件下保温30min～120min完成烧结，然后烧结后的预制体连同模具转移到压力机上，施加压力，在压力为40～60MPa的条件下保压5～10min，随后自然冷却至室温，脱模得到陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述陶瓷颗粒位碳化硼和碳化硅中的一种或两者的混合，颗粒尺寸为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述铝镁合金粉末尺寸为1～20μm，铝镁合金粉末中镁元素含量为5～10％。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述6XXX铝合金粉末为6061Al粉末。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述6XXX铝合金粉末尺寸为1～20μm。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述V型混料机的转速为30r/min，球料比为10:1，混料时间为1～2h。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:1。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述陶瓷颗粒粉末与6XXX系铝合金粉末的体积比为1:3.5；所述陶瓷颗粒粉末与铝镁合金粉末的体积比为1:0.5。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中在压力为25MPa的条件下保压8min。
10.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中以350℃/h的升温速率将炉温由室温升至580℃，在温度为580℃的条件下保温120min完成烧结。
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