CN111663059A - 一种低热膨胀系数的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低热膨胀系数的铝基复合材料及其制备方法，以SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒混合作为增强颗粒，用于强化铝合金基体和降低合金热膨胀系数；经预处理、加热熔融、雾化沉积制备而成。本发明科学合理设计增强颗粒各组分质量比例，充分利用SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒对铝合金热膨胀系数和力学性能的综合影响；制备的铝基复合材料的热膨胀系数可以接近0，且增强颗粒分布均匀、基体组织细小、复合材料的力学性能优异。本发明设备简单，生产效率高，可实现低热膨胀系数、近净尺寸轻量化铝基复合材料的工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，更具体地，涉及一种低热膨胀系数的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天技术、宇宙探测技术的高速发展，航天器对材料的轻量化、高强韧、低膨胀系数等性能提出了更高的要求，譬如航天器上的电子封装部件、测量仪表、光学器件、灵敏元件、卫星镜筒等结构件，不仅要求质量轻、高强韧，而且要求有低的、甚至零热膨胀系数。
通过在铝合金中添加一种或多种增强颗粒一直是人们寻求实现上述目标的研究方向。颗粒增强铝基复合材料现有制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、半固态复合法、挤压铸造法、高能球磨法和喷射沉积法等，但这些方法均在不同程度上存在：增强体难以分散均匀、力学性能差，难以实现零热膨胀系数，且产品的加工难度大、成本高等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料，以SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒混合作为增强颗粒，获得轻量化，高强韧，低热膨胀系数的铝基复合材料。
本发明的另一目的在于提供上述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，预先使用铝合金薄带包裹增强颗粒，简化了生产工艺，熔融后铝合金液滴紧密包裹增强颗粒，能有效提高陶瓷颗粒的沉积效率和分散的均匀性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低热膨胀系数的铝基复合材料，采用增强颗粒和铝合金薄带为原材料制备而成，按原材料的总质量计，所述增强颗粒和铝合金薄带的质量百分比为45～65:35～55；所述增强颗粒包括SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒，按增强颗粒的总质量计，所述SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量百分比为32～55:20～54:14～25。
优选地，所述增强颗粒和铝合金的质量百分比为55:45。
优选地，所述增强颗粒中SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量百分比为43:37:20。
进一步地，所述增强颗粒的粒度为200～300目。
进一步地，所述铝合金薄带材质为2024铝合金，所述2024铝合金的质量百分比如下：4％Cu、1.8％Mg、0.4％Mn、余量Al。
一种上述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备增强颗粒：将SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒按比例混合均匀，获得混合增强颗粒；
S2.预处理：将增强颗粒包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备得充满增强颗粒的铝丝；
S3.加热熔融：将步骤S1中制备的铝丝输送至感应加热器中，加热熔化，形成包裹增强颗粒的熔融液滴；
S4.雾化沉积：使用高压氮气将步骤S2中的熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，共同沉积形成低热膨胀系数的铝基复合材料。
本发明使用铝合金薄带包裹增强颗粒后再进行熔融，形成包裹增强颗粒的熔融液滴，经过高压氮气雾化形成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，再沉积形成低热膨胀系数的铝基复合材料；增强颗粒在铝基复合材料中分布均匀，不会产生团聚。
进一步地，步骤S3中所述感应加热的温度为800～1000℃。
进一步地，步骤S4中所述高压氮气从熔融液滴四周分别对熔融液滴进行雾化。
进一步地，所述高压氮气的压力为2～5MPa，温度为-10℃～-20℃。
本发明使用高压氮气对熔融液滴进行雾化，形成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，铝合金液滴在低温氮气作用下快速冷却，得到晶粒细小、组织均匀的铝合金基体材料。
进一步地，步骤S4中所述低热膨胀系数的铝基复合材料的沉积距离为200～300mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于增强颗粒中各颗粒的物理性能，科学合理设计混合增强颗粒各组分质量比例，充分利用SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒对铝合金热膨胀系数和力学性能的综合影响；制备的铝基复合材料的热膨胀系数可以接近0，且增强颗粒分布均匀、基体组织细小、复合材料的力学性能优异。铝合金的热膨胀系数一般在60*10-6K-1以上，而SiC、CaZr2(PO4)3和ZrV2O7的热膨胀系数分别为6.58、0、-10.8，添加比铝合金更低的热膨胀系数的材料，才能有效降低复合材料的热膨胀系数，制备出零热膨胀系数的复合材料。
本发明对设备要求低，工艺简单，生产效率高，可制备任意质量分数的增强颗粒增强铝基复合材料。增强颗粒在铝基复合材料中分布均匀，能起到很好的增强效果。本发明采用沉积成型，通过控制沉积距离和铝丝输送速率，即可调整混合颗粒增强铝基复合材料的尺寸，制备出近净尺寸的颗粒增强铝基复合材料半成品，可实现批量化生产。
制备过程中，在高压氮气的保护下，铝合金液不易氧化；同时冷却速率快，沉积后得到的铝合金基体晶粒细小，组织均匀，能有效提高铝基复合材料的强度和塑性。制备过程中，混合增强颗粒与铝基体产生充分冶金结合，两者界面处氧化物少，杂质少，复合增强颗粒强化效果好。
附图说明
图1为实施例1中的低热膨胀系数的铝基复合材料制备装置的结构示意图；
其中1为包裹增强颗粒的铝丝、2为输送装置、3为感应加热器、4为高压氮气、5为熔融液滴、6为增强颗粒、7为铝合金液滴、8为热膨胀系数的铝基复合材料。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于制作低热膨胀系数的铝基复合材料的设备装置，其工作过程如下：将包裹有增强颗粒的铝丝1经输送装置2运输至感应加热器3，进行快速感应加热、熔化，形成包裹有增强颗粒的熔融液滴5，随后高压氮气4从熔融液滴5四周分别对熔融液滴5进行雾化处理，形成微纳米级的铝合金液滴7和增强颗粒6，共同沉积形成低热膨胀系数的铝基复合材料8。
本申请中所用铝合金为2024铝合金，质量百分比如下：4％Cu、1.8％Mg、0.4％Mn、余量Al；所用SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的性能见表1，其中温度范围指增强颗粒在所述温度范围内可以保持表中的热膨胀系数值。
表1
| 密度g/cm<sup>3</sup> | 热膨胀系数10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup> | 温度范围℃ | |
| SiC | 3.2 | 6.58 | -100～1300 |
| CaZr<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> | 3.2 | 0 | -200～1000 |
| ZrV<sub>2</sub>O<sub>7</sub> | 3.2 | -10.8 | 100～500 |
实施例2
本实施例提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，基于实施例1的装置完成，具体制备方法包括以下步骤：
S1.制备增强颗粒：将200目的SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒按43:37:20的质量比混合，混合时间24小时，得混合增强颗粒；
S2.预处理：将步骤S1制备的增强颗粒包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备得充满SiC颗粒的铝丝，其中增强颗粒与铝合金薄带的质量比为55:45；
S3.加热熔融：将步骤S1中制备的铝丝输送至感应加热器中，快速感应加热、熔化，形成包裹增强颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为1000℃；
S4.雾化沉积：使用高压氮气将步骤S2中的熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，氮气的压力为3MPa，温度为-15℃，共同沉积，沉积距离为200mm，得低热膨胀系数的铝基复合材料。
实施例3
本实施例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为；45:55。
实施例4
本实施例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为；65:35。
实施例5
本实施例提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，基于实施例1的装置完成，具体制备方法包括以下步骤：
S1.制备增强颗粒：将300目的SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒按32:54:14的质量比混合，混合时间24小时，得混合增强颗粒；
S2.预处理：将步骤S1制备的增强颗粒包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备得充满SiC颗粒的铝丝，其中增强颗粒与铝合金薄带的质量比为45:55；
S3.加热熔融：将步骤S1中制备的铝丝输送至感应加热器中，快速感应加热、熔化，形成包裹增强颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为800℃；
S4.雾化沉积：使用高压氮气将步骤S2中的熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，氮气的压力为2MPa，温度为-20℃，共同沉积，沉积距离为240mm，得低热膨胀系数的铝基复合材料。
实施例6
本实施例参照实施例5，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例5不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为55：45。
实施例7
本实施例参照实施例5，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例5不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为65:35。
实施例8
本实施例提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，基于实施例1的装置完成，具体制备方法包括以下步骤：
S1.制备增强颗粒：将280目的SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒按55:20:25的质量比混合，混合时间24小时，得混合增强颗粒；
S2.预处理：将步骤S1制备的增强颗粒包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备得充满SiC颗粒的铝丝，其中增强颗粒与铝合金薄带的质量比为45:55；
S3.加热熔融：将步骤S1中制备的铝丝输送至感应加热器中，快速感应加热、熔化，形成包裹增强颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为850℃；
S4.雾化沉积：使用高压氮气将步骤S2中的熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，氮气的压力为5MPa，温度为-10℃，共同沉积，沉积距离为300mm，得低热膨胀系数的铝基复合材料。
实施例9
本实施例参照实施例8，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例8不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为55:45。
实施例10
本实施例参照实施例8，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例8不同之处在于，步骤增强颗粒与铝合金薄带的质量比为65:35。
对比例1
本对比例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤S1中SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量比为20:60:20。
对比例2
本对比例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤S1中SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量比为60:10:30。
对比例3
本对比例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤S2中增强颗粒与铝合金薄带的质量比为30:70。
对比例4
本对比例参照实施例2，提供一种低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于，步骤S4中高压氮气的温度为-5℃。
对实施例2～10和对比例1～4制备的低热膨胀系数的铝基复合材料进行性能检测，检测结果见表2。
表2
从上述实验结果可以看出，本发明制备的铝基复合材料的热膨胀系数低，质量轻，力学性能好。其中以实施例2的效果最佳，热膨胀系数为0，能满足航天器对铝基复合材料的需要。
将实施例2与对比例1～4比较可知，对比例1和2中所用的增强颗粒对铝基复合材料的强化效果不如实施例2。
对比例3降低了增强颗粒的质量分数，对铝基复合材料力学性能的提升有限，同时难以实现低热膨胀系数。
对比例4中高压氮气温度为-5℃，在雾化沉积过程中，铝合金液滴冷却速率慢，未能有效细化晶粒，从而影响了铝合金基体材料的力学性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低热膨胀系数的铝基复合材料，其特征在于，以增强颗粒和铝合金薄带为原材料制备而成，按原材料的总质量计，所述增强颗粒和铝合金薄带的质量百分比为45～65:35～55；所述增强颗粒包括SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒，按增强颗粒的总质量计，所述SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量百分比为32～55:20～54:14～25。
2.根据权利要求1所述低热膨胀系数的铝基复合材料，其特征在于，所述增强颗粒和铝合金薄带的质量百分比为55:45。
3.根据权利要求2所述低热膨胀系数的铝基复合材料，其特征在于，所述增强颗粒中SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒的质量百分比为43:37:20。
4.根据权利要求1所述低热膨胀系数的铝基复合材料，其特征在于，所述增强颗粒的粒度为200～300目。
5.根据权利要求1所述低热膨胀系数的铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金薄带材质为2024铝合金，所述2024铝合金的质量百分比如下：4％Cu、1.8％Mg、0.4％Mn、余量Al。
6.一种权利要求1～5任一项所述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备增强颗粒：将SiC颗粒、CaZr2(PO4)3颗粒和ZrV2O7颗粒按比例混合均匀，获得混合增强颗粒；
S2.预处理：将增强颗粒包裹至铝合金薄带中，再对铝合金薄带封口处进行焊合，制备得充满增强颗粒的铝丝；
S3.加热熔融：将步骤S2中制备的铝丝输送至感应加热器中，加热熔化，形成包裹增强颗粒的熔融液滴；
S4.雾化沉积：使用高压氮气将步骤S3中的熔融液滴雾化成微纳米级的铝合金液滴和增强颗粒，共同沉积形成低热膨胀系数的铝基复合材料。
7.根据权利要求6所述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述感应加热的温度为800～1000℃。
8.根据权利要求6所述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述高压氮气从熔融液滴四周分别对熔融液滴进行雾化。
9.根据权利要求8所述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高压氮气的压力为2～5MPa，温度为-10℃～-20℃。
10.根据权利要求6所述低热膨胀系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述低热膨胀系数的铝基复合材料的沉积距离为200～300mm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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