CN111036922A - 插销式结构的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法 - Google Patents

插销式结构的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及插销式结构的铝/镁/铝复合板及其粉末热压制备方法，包括以下步骤：(1)分别用含铝粉末和含镁粉末按照铝/镁/铝顺序在模具内铺粉；(2)在步骤(1)中，每铺一层粉末用压头对粉层进行预压，将粉末压平、压实，最终形成一定层厚的预压复合粉末块体；(3)将步骤(2)处理后的预压复合粉末块体中插入金属销钉，使其没入复合粉末块体内，并将其压实；(4)将步骤(3)处理后的预压复合粉末块体进行热压复合，保压冷却，即得到插销式结构的铝/镁/铝复合板。本发明能够得到具有高界面结合强度和抗界面剪切能力的插销式结构铝/镁/铝复合板。

Description

插销式结构的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，尤其是涉及一种插销式结构的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
背景技术
随着工业的迅速发展，以及能源利用和环境问题的出现，要求材料具有更高的性能和应用特点，如轻质、高比强度和比模量、优异的耐腐蚀性和耐腐蚀性。因此，轻金属被广泛受到关注与应用。镁及镁合金具有比铝、钛合金优良的比强度、比刚度、再生性和储备量，是目前工程应用中最轻的金属结构材料，在汽车工业领域、航空航天领域呈现出广阔的应用前景。但由于镁合金为密排六方结构，其室温塑性差和耐腐蚀性能差的不足极大地制约了其发展。而铝合金为面心立方结构，具有极好的塑性和耐蚀性。因此通过制备的铝/镁/铝复合板，可以很好地发挥铝合金的塑性优势和镁合金的比强度优势、扬长避短,以扩宽镁合金的在工程领域的应用。
目前，铝/镁/铝复合板的制备技术主要有爆炸焊、热轧和扩散焊。这些连接方法均是以铝、镁合金板的形式实现界面结合。这导致铝/镁/铝复合板结构单一，界面多为平面，在爆炸焊条件下界面会形成波浪状咬合。复合板在外载荷作用下，由于界面两侧金属塑性变形能力不一致，导致界面形成剪切应力，在界面结合强度一定的条件下，界面的结构是影响界面在剪切应力作用下是否开裂的关键因素。其中，波浪式界面结构由于结构曲折多变，要比平直界面有更好的抵抗剪切应力的阻力，使得界面剪切开裂势垒增加，裂纹扩展路径增长，相应的界面结合强度提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种插销式结构的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
本发明采用铝、镁合金粉末按铝/镁/铝顺序逐层铺粉，并在粉末内预埋金属销钉，通过热压工艺得到具有高界面结合强度和抗界面剪切能力的插销式结构铝/镁/铝复合板。该方法具有粉末质量要求低，制备方法简单，可实现多结构式复合材料，成品率高，生产效率高，节约生产成本等优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，包括以下步骤：
(1)分别用含铝粉末和含镁粉末按照铝/镁/铝顺序在模具内铺粉；
(2)在步骤(1)中，每铺一层粉末用压头对粉层进行预压，将粉末压平、压实，最终形成一定层厚的预压复合粉末块体；
(3)将步骤(2)处理后的预压复合粉末块体中插入金属销钉，使其没入复合粉末块体内，并将其压实；
(4)将步骤(3)处理后的预压复合粉末块体进行热压复合，保压冷却，即得到插销式结构的铝/镁/铝复合板。
优选地，所述含铝粉末、含镁粉末目数控制在220-800目。
优选地，所述含铝粉末包括铝粉与铝合金粉末。
优选地，所述含镁粉末包括镁粉与镁合金粉末。
优选地，含铝粉末的铺粉厚度为1-20mm。
优选地，含镁粉末的铺粉厚度为1-20mm。
优选地，步骤(3)中所述金属销钉长度应小于复合板厚度。
优选地，所述金属销钉选择直径为1-10mm圆棒。
优选地，步骤(3)中所述金属销钉的总圆截面积占复合板面积的50％以内。
优选地，步骤(3)中所述金属销钉选择铝合金、镁合金、铜合金或钛合金中的一种或几种。
优选地，步骤(4)所述热压复合包括室温预压和高温热压。
优选地，所述室温预压的压力为50-200MPa，时间为10-60s。
优选地，所述高温热压的温度为300-550℃，压力为100-500MPa，时间为10-480min。
优选地，步骤(4)中热压方法为：盛有预压复合粉末块体的模具带有压头，将模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块厚钢板之间，周围用石棉围堵，防止散热；所述厚钢板外侧均放置云母板绝热，且其中一块云母板置于热压装置的压机压头，另一块云母板置于热压装置的压机底座上。
优选地，本发明通过上述方法得到插销式结构的铝/镁/铝复合板后，还可以进行后处理操作。
本发明提供的后处理方法包括以下步骤：
(A)将粉末热压插销式结构的铝/镁/铝复合板进行轧前热处理；
(B)将步骤(A)热处理后的复合板进行轧制塑性变形处理；
(C)将步骤(B)处理后的复合进行轧后热处理。
优选地，步骤(A)所述轧前热处理方法为：热处理温度为300-500℃，保温时间为5-20min。
优选地，步骤(B)所述轧制塑性变形处理方法为：轧制温度为300-500℃，轧制压下量为10-60％。轧制塑性变形处理的目的在于使插销式结构的铝/镁/铝复合板在大塑性变形作用下组织结构致密化，消除孔洞和虚连、未连等缺陷，进一步促进原子间的结合。
优选地，步骤(C)所述轧后热处理方法为：热处理温度为100-300℃，保温时间为0.5-8h。轧后热处理的目的在于一方面消除轧制过程中形成的内应力，使组织发生回复再结晶，另一方面促进元素扩散，保证界面结合质量，提高塑性和界面结合强度，进一步改善插销式结构的铝/镁/铝复合板的综合力学性能。
优选地，步骤(A)和(B)可交替循环多次，然后再进行步骤(C)。
通过对粉末热压插销式结构的铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使插销式结构的铝/镁/铝复合板在大塑性变形作用下组织结构致密化，消除孔洞和虚连、未连等缺陷，进一步促进原子间的结合。随后配合后续的热处理工艺(退火处理)，一方面消除轧制过程中形成的内应力，使组织发生回复再结晶，另一方面促进元素扩散，保证界面结合质量，提高塑性和界面结合强度，进一步改善插销式结构的铝/镁/铝复合板的综合力学性能。
本发明还提供采用所述粉末热压制备方法获得的插销式结构的铝/镁/铝复合板。
本发明的有益效果在于：
采用铝、镁合金粉末按铝/镁/铝顺序逐层铺粉形式，在粉末内预埋金属销钉，通过热压工艺得到具有高界面结合强度和抗界面剪切能力的插销式结构铝/镁/铝复合板。该方法具有粉末质量要求低，制备方法简单，可实现多结构式复合材料，成品率高，生产效率高，节约生产成本等优点。
附图说明
图1为插销式结构的铝/镁/铝复合板结构示意图。
图2为粉末热压成型设备结构示意图。
具体实施方式
一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，包括以下步骤：
(1)分别用含铝粉末和含镁粉末按照铝/镁/铝顺序在模具内铺粉；
(2)在步骤(1)中，每铺一层粉末用压头对粉层进行预压，将粉末压平、压实，最终形成一定层厚的预压复合粉末块体；
(3)将步骤(2)处理后的预压复合粉末块体中插入金属销钉，使其没入复合粉末块体内，并将其压实；
(4)将步骤(3)处理后的预压复合粉末块体进行热压复合，保压冷却，即得到插销式结构的铝/镁/铝复合板。
其中，所述含铝粉末、含镁粉末目数控制在220-800目。
所述含铝粉末包括铝粉与铝合金粉末。所述含镁粉末包括镁粉与镁合金粉末。含铝粉末的铺粉厚度为1-20mm。含镁粉末的铺粉厚度为1-20mm。
步骤(3)中所述金属销钉长度应小于复合板厚度。所述金属销钉选择直径为1-10mm圆棒。所述金属销钉的总圆截面积占复合板面积的50％以内。中所述金属销钉选择铝合金、镁合金、铜合金或钛合金中的一种或几种。
步骤(4)所述热压复合包括室温预压和高温热压。所述室温预压的压力为50-200MPa，时间为10-60s。所述高温热压的温度为300-550℃，压力为100-500MPa，时间为10-480min。
步骤(4)中热压方法为：盛有预压复合粉末块体的模具带有压头，将模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块厚钢板之间，周围用石棉围堵，防止散热；所述厚钢板外侧均放置云母板绝热，且其中一块云母板置于热压装置的压机压头，另一块云母板置于热压装置的压机底座上。
在本发明的一个实施方式中，通过上述方法得到插销式结构的铝/镁/铝复合板后，还可以进行后处理操作，后处理方法包括以下步骤：
(A)将粉末热压插销式结构的铝/镁/铝复合板进行轧前热处理；
(B)将步骤(A)热处理后的复合板进行轧制塑性变形处理；
(C)将步骤(B)处理后的复合进行轧后热处理。
优选地，步骤(A)所述轧前热处理方法为：热处理温度为300-500℃，保温时间为5-20min。
优选地，步骤(B)所述轧制塑性变形处理方法为：轧制温度为300-500℃，轧制压下量为10-60％。轧制塑性变形处理的目的在于使插销式结构的铝/镁/铝复合板在大塑性变形作用下组织结构致密化，消除孔洞和虚连、未连等缺陷，进一步促进原子间的结合。
优选地，步骤(C)所述轧后热处理方法为：热处理温度为100-300℃，保温时间为0.5-8h。轧后热处理的目的在于一方面消除轧制过程中形成的内应力，使组织发生回复再结晶，另一方面促进元素扩散，保证界面结合质量，提高塑性和界面结合强度，进一步改善插销式结构的铝/镁/铝复合板的综合力学性能。
优选地，步骤(A)和(B)可交替循环多次，然后再进行步骤(C)。
通过对粉末热压插销式结构的铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使插销式结构的铝/镁/铝复合板在大塑性变形作用下组织结构致密化，消除孔洞和虚连、未连等缺陷，进一步促进原子间的结合。随后配合后续的热处理工艺(退火处理)，一方面消除轧制过程中形成的内应力，使组织发生回复再结晶，另一方面促进元素扩散，保证界面结合质量，提高塑性和界面结合强度，进一步改善插销式结构的铝/镁/铝复合板的综合力学性能。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例分别选用400目的AZ31镁合金粉和AlSi10Mg铝合金粉，按照铝/镁/铝顺序在模具中进行逐层铺粉，每层粉铺层厚度为5mm。并对在每层铺完粉后将其压平、压实，得到预压复合粉末块体。
在预压复合粉末块体内插入高度5mm、直径1mm的6082铝合金金属销钉，销钉总圆截面积占复合板面积的10％。插销式结构的铝/镁/铝复合板示意图如图1所示，图1中，A、B、C分别表示铝合金粉、镁合金粉层、销钉。
热压使用粉末热压成型设备进行，粉末热压成型设备如图2所示，包括压机压头1、云母板2、厚钢板3、模具压头4、模具5、电阻丝6、热电偶7及压机底座8，所述模具5用于盛放金属粉末9，所述模具压头4与模具5配合用于金属粉末9的压制，所述模具5与模具压头4置于两块厚钢板3之间，所述厚钢板3内部设置用于加热的电阻丝6与用于检测温度的热电偶7，所述云母板2设置两块，分别放置在两块厚钢板3的外侧用于绝热，其中一块云母板2置于压机压头1的下方，另一块云母板2置于压机底座8上，所述压机压头1的下压带动模具压头4下压，配合模具5实现金属粉末9的压制。所述模具压头4与模具5的周围用石棉围堵。
上述操作完毕后，开始对预压复合粉末块体进行热压，首先在室温下进行预压，压强为100MPa，保压30s。然后开始加热，当温度到达450℃后，将压强增加到500MPa，保压1h，随后关闭加热装置冷却至室温，此时压力保持不变，直至冷却至室温结束。
通过上述粉末热压方法可以得到界面结合良好、综合力学性能优良的界面铝/镁/铝复合板。
对本实施例所得的插销式结构的铝/镁/铝复合板进行抗拉强度、伸长率、抗弯强度、界面剪切强度的性能测试，其中，抗拉强度、伸长率、抗弯强度、界面剪切强度的性能测试方法采用本领域标准测试方法进行测试。
本实施例所得的插销式结构的铝/镁/铝复合板的相关性能如下表所示：
Figure BDA0002301063440000061
由于插销式结构的铝/镁/铝复合板中插销在界面的阻隔导致裂纹难以继续沿界面扩展，从而增大裂纹扩展阻力和裂纹扩展功，极大的改善了复合板的界面结合质量，提高了复合板的抗拉强度。
与传统轧制、爆炸焊相比的优点，通过上述粉末热压方法指的复合板的优点在于：界面剪切强度高、界面抗剪切撕裂能力提高、自由设计结构、任意成型、形式多样、效率高、废品率低、利用率高、无需再加工。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别用含铝粉末和含镁粉末按照铝/镁/铝顺序在模具内铺粉；
(2)在步骤(1)中，每铺一层粉末用压头对粉层进行预压，将粉末压平、压实，最终形成一定层厚的预压复合粉末块体；
(3)将步骤(2)处理后的预压复合粉末块体中插入金属销钉，使其没入复合粉末块体内，并将其压实；
(4)将步骤(3)处理后的预压复合粉末块体进行热压复合，保压冷却，即得到插销式结构的铝/镁/铝复合板。
2.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，所述含铝粉末、含镁粉末目数控制在220-800目。
3.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，所述含铝粉末包括铝粉与铝合金粉末；
所述含镁粉末包括镁粉与镁合金粉末。
4.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，含铝粉末的铺粉厚度为1-20mm，含镁粉末的铺粉厚度为1-20mm。
5.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述金属销钉长度小于复合板厚度，所述金属销钉选择直径为1-10mm圆棒，步骤(3)中所述金属销钉的总圆截面积占复合板面积的50％以内。
6.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述金属销钉选择铝合金、镁合金、铜合金或钛合金中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(4)所述热压复合包括室温预压和高温热压。
8.根据权利要求7所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，所述室温预压的压力为50-200MPa，时间为10-60s；所述高温热压的温度为300-550℃，压力为100-500MPa，时间为10-480min。
9.根据权利要求1所述的一种插销式结构的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(4)中热压方法为：盛有预压复合粉末块体的模具带有压头，将模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块厚钢板之间，周围用石棉围堵，防止散热；所述厚钢板外侧均放置云母板绝热，且其中一块云母板置于热压装置的压机压头，另一块云母板置于热压装置的压机底座上。
10.采用权利要求1-9中任一项所述粉末热压制备方法获得的插销式结构的铝/镁/铝复合板。
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