CN111054927A - 界面结构设计的铝/镁/铝复合板及其粉末热压制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及界面结构设计的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法，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，每铺一层粉末用预制形状的磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花，并将粉末压实，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进行热压复合，保压冷却，即得到界面结构设计的铝/镁/铝复合板。所述的铝/镁/铝复合板具有良好的界面结合强度和抗界面剪切能力。与现有技术相比，本发明具有粉末质量要求低、制备方法简单、可自主设计界面结构、成品率高、生产效率高、节约生产成本等优点。

Description

界面结构设计的铝/镁/铝复合板及其粉末热压制备方法
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，尤其是涉及一种界面结构设计的铝/镁/铝复合板及其粉末热压制备方法。
背景技术
镁合金具有重量轻、环保、阻尼性能好等优点，被认为是汽车结构件的潜在材料。然而，镁合金在制备和应用中仍存在两个主要的腐蚀和成形性问题，严重制约了镁合金在工业上的应用。铝合金通常具有优异的耐腐蚀性和成形性。通过制备的铝/镁/铝复合板，有望提高耐腐蚀性和机械性能。
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。爆炸焊方法是利用爆炸产生的爆炸冲击波使金属材料界面发生高速碰撞，在高压作用下实现金属板的连接，但爆炸焊具有瞬时、极速和复杂物理化学反应的特点，复合板界面不可控，且制备环境恶劣，难以实现自动化生产。铝/镁/铝复合材料在轧制过程中，镁层容易形成边缘裂纹和表面微裂纹，导致成品率相对较低，这主要是因为镁合金的塑性变形能力差。扩散焊可以通过添加钎料使得钎料与母材相互润湿、扩散和溶解，实现复合板界面的结合，但钎料对于铝、镁合金板的润湿能力、对于界面间隙的填充能力和扩散导致的界面脆性金属间化合物形成直接影响复合板界面结合质量。
除了界面扩散形成的金属间化合物和扩散层，界面的结构形态也能影响铝/镁/铝复合板的界面结合强度和抗界面剪切力的作用。轧制和扩散焊方式制备的铝/镁/铝复合板界面几乎为平直界面，这种界面结构在界面剪切力作用下容易发生界面开裂，特别是界面处存在硬脆金属间化合物。而爆炸焊制备铝/镁/铝复合板由于受冲击波的波传递效果会使复合板界面形成波浪式结构，这种波浪式结构有效阻碍界面剪切力的作用，提高剪切开裂势垒，增加裂纹扩展路径，有效提高铝/镁/铝复合板界面结合强度和抗剪切开裂能力。但又由于爆炸焊制备工艺恶劣、不可控等因素不易自动化生产。为得到具有同样抗界面剪切效果的界面结构，粉末热压法制备铝/镁/铝复合板由于自身特点使得其可以自行设计界面结构，以优化铝/镁/铝复合板界面并提高其界面结合强度和抗界面剪切能力。
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界面结构设计的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
本发明采用粉末逐层铺粉形式，利用各种形状(如齿形、方波形和正弦波形等)的磨具压头分别在每层铺粉界面上压制预制形状压花，从而得到预制形状(如齿形、方波形和正弦波形等)的界面，提高铝/镁/铝复合板界面结合强度和抗界面剪切能力。该方法具有粉末质量要求低，制备方法简单，可自主设计界面结构，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：
本发明提供一种界面结构设计的铝/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，每铺一层粉末用预制形状的磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花，并将粉末压实，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进行热压复合，保压冷却，即得到界面结构设计的铝/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(2)中所述预制压头形状主要包括齿形、方波形和正弦波形等。
优选地，步骤(3)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(3)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界面结构设计的铝/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)将粉末热压界面结构设计的铝/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界面结构设计的铝/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，进一步改善界面结构设计的铝/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)。
通过对粉末热压界面结构设计的铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使界面结构设计的铝/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，进一步改善界面结构设计的铝/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界面结构设计的铝/镁/铝复合板。
本发明的有益效果在于：
采用粉末逐层铺粉形式，利用各种形状(如齿形、方波形和正弦波形等)的磨具压头分别在每层铺粉界面上压制预制形状压花，从而得到预制形状(如齿形、方波形和正弦波形等)的界面，提高铝/镁/铝复合板界面结合强度和抗界面剪切能力。该方法具有粉末质量要求低，制备方法简单，可自主设计界面结构，成品率高，生产效率高，节约生产成本等优点。
附图说明
图1为预压铝/镁/铝复合板粉末块体示意图。
图2为复合板横截面的锯齿形界面压花形状。
图3为复合板横截面的正弦波形界面压花形状。
图4为复合板横截面的方波形界面压花形状。
图5为粉末热压成型设备结构示意图。
具体实施方式
一种界面结构设计的铝/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，每铺一层粉末用预制形状的磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花，并将粉末压实，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进行热压复合，保压冷却，即得到界面结构设计的铝/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(2)中所述预制压头形状主要包括齿形、方波形和正弦波形等。
步骤(3)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(3)中热压方法为：盛使用粉末热压成型设备进行，粉末热压成型设备如图5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。
在本发明的一个实施方式中，通过上述方法得到界面结构设计的铝/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)将粉末热压界面结构设计的铝/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界面结构设计的铝/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，进一步改善界面结构设计的铝/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)。
通过对粉末热压界面结构设计的铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使界面结构设计的铝/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，进一步改善界面结构设计的铝/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10mm。每铺一层粉末用预制锯齿形磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花。预压复合板粉末块体示意图如图1所示，图1中，A、B分别表示含铝粉末层、含镁粉末层。复合板横截面的界面压花形状如图2所示。
将盛有预压复合粉末块体的模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块后钢板之间，周围用石棉围堵，以防止散热，厚钢板外侧均放置云母板隔热，且其中一块云母板置于所述的热压装置的压机压头，另一块云母板置于所述的热压装置的压机底座上。
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锯齿形界面铝/镁/铝复合板。
对本实施例所得的锯齿形界面铝/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。
本实施例所得的锯齿形界面铝/镁/铝复合板的相关性能如下表所示：
Figure BDA0002301392560000061
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、自由设计界面结构、任意成型、形式多样、效率高、废品率低、利用率高、无需再加工。
实施例2：
本实施例分别选用400目的AZ31镁合金粉和纯铝粉，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10mm。每铺一层粉末用预制正弦波形磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花。复合板横截面的界面压花形状如图3所示。
将盛有预压复合粉末块体的模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块后钢板之间，周围用石棉围堵，以防止散热，厚钢板外侧均放置云母板隔热，且其中一块云母板置于所述的热压装置的压机压头，另一块云母板置于所述的热压装置的压机底座上。
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正弦波形界面铝/镁/铝复合板。
实施例3：
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15mm。每铺一层粉末用预制方波形磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花。复合板横截面的界面压花形状如图4所示。
将盛有预压复合粉末块体的模具置于带有若干个加热电阻丝和热电偶的两块后钢板之间，周围用石棉围堵，以防止散热，厚钢板外侧均放置云母板隔热，且其中一块云母板置于所述的热压装置的压机压头，另一块云母板置于所述的热压装置的压机底座上。
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方波形界面铝/镁/铝复合板。
由于通过设计铝/镁/铝复合板界面结构，增大了界面裂纹扩展路径，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，提高了复合板的力学性能。
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)

1.一种界面结构设计的铝/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，每铺一层粉末用预制形状的磨具压头对粉层进行预压，在界面上压制预制形状压花，并将粉末压实，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进行热压复合，保压冷却，即得到界面结构设计的铝/镁/铝复合板。
2.根据权利要求1所述的一种界面结构设计的铝/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所述的一种界面结构设计的铝/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所述的一种界面结构设计的铝/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所述的一种界面结构设计的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述预制压头形状主要包括齿形、方波形和正弦波形。
6.根据权利要求1所述的一种界面结构设计的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热压复合包括室温预压和高温热压。
7.根据权利要求6所述的一种界面结构设计的铝/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。
8.根据权利要求6所述的一种界面结构设计的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，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所述的一种界面结构设计的铝/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界面结构设计的铝/镁/铝复合板。
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