CN111733357A - 一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，以铝合金薄带和陶瓷颗粒为原材料，经预处理、加热熔融、雾化沉积制备而成。本发明可制备任意高体积分数的陶瓷颗粒增强铝基复合材料，陶瓷颗粒在铝基复合材料中分布均匀，能显著降低铝基复合材料的热膨胀系数、提高复合材料的综合力学性能。本发明采用沉积成型，通过控制沉积距离和铝丝输送速率，即可调整陶瓷增强铝基复合材料的尺寸，制备出近净尺寸的陶瓷增强铝基复合材料半成品，可应用于工业生产。

Description

一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，更具体地，涉及一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法。
背景技术
陶瓷增强铝基复合材料一般具有低密度、高比刚度、低膨胀、高导热等优异的综合性能，有望成为继铝合金和钛合金后的新型结构材料。但随着航空航天技术、宇宙探测技术的高速发展，低体积分数(5～30％)的陶瓷增强铝基复合材料已难以满足太空恶劣环境的使用要求，如航天中广泛应用的各种结构件、电子封装、测量仪表、光学器件、灵敏元件、卫星镜筒等，要求有更低的热膨胀系数、更好的导热系数、更高的弹性模量和更优异的综合力学性能。要满足上述要求，开发出高体积分数(40％以上)的、优异力学性能的陶瓷增强铝基复合材料是一条可行的途径。
目前高体积分数陶瓷增强铝基复合材料现有原制备方法主要有浸渗法和铸造法等，浸渗法是将铝合金通过挤压浸渗或气压浸渗的方式渗入多孔网状的陶瓷颗粒预制块中制备而成；铸造法是将增强陶瓷颗粒加入高速搅拌的完全或者部分溶化的基体金属熔体中，然后浇注成复合材料。这两种方法的主要缺点是陶瓷增强体难以分散均匀、力学性能差，难以实现低热膨胀系数和较高的导热系数，且产品的加工难度大、成本高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，预先使用铝合金薄带包裹陶瓷颗粒，简化了生产工艺，熔融后铝合金液滴紧密包裹陶瓷颗粒，能有效提高陶瓷颗粒的沉积效率和分散的均匀性。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料，陶瓷颗粒在铝基体中分布均匀，强化效果好。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，以铝合金薄带和陶瓷颗粒为原材料，所述制备方法包括以下步骤：
S1.预处理：将陶瓷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，制备出充满陶瓷颗粒的铝丝；
S2.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，形成包裹陶瓷颗粒的熔融液滴；
S3.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陶瓷颗粒，共同沉积形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
本发明使用铝合金薄带包裹陶瓷颗粒后再进行熔融，形成包裹陶瓷颗粒的熔融液滴，经过高压氮气雾化形成微纳米级的铝合金液滴和陶瓷颗粒，再沉积形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料；陶瓷颗粒在铝基复合材料中分布均匀，不会产生团聚。
进一步地，所述原材料中陶瓷颗粒的体积比大于40％。
进一步地，所述陶瓷颗粒和铝合金薄带的体积比为45～65:35～55。
进一步地，所述陶瓷颗粒包括SiC、TiC、MgO、Al2O3的任意一种或多种。
进一步地，步骤S2中所述感应加热的温度800～1000℃。
进一步地，步骤S3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-15℃～-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陶瓷颗粒，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S3中所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的沉积距离为200～300mm。
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。
一种根据上述制备方法得到的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明对设备要求低，可制备任意高体积分数的陶瓷颗粒增强铝基复合材料。在制备过程中可同时添加多种陶瓷增强颗粒，陶瓷颗粒在铝基复合材料中分布均匀，能起到很好的增强效果；可通过设计陶瓷增强颗粒的种类和成分，制备出具有低热膨胀系数、高导热系数、高弹性模量等特殊性能的功能材料。
制备过程中，陶瓷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，陶瓷颗粒强化效果好。
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。本发明采用沉积成型，通过控制沉积距离和铝丝输送速率，即可调整陶瓷增强铝基复合材料的尺寸，制备出近净尺寸的陶瓷增强铝基复合材料半成品，可应用于工业生产。
附图说明
图1为实施例1中的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备装置的结构示意图；
其中1为包裹陶瓷颗粒的铝丝、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为陶瓷颗粒、7为铝合金液滴、8为陶瓷增强铝基复合材料。
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高体积分数陶瓷增强铝基复合材料的设备装置，其工作过程如下：将包裹有陶瓷颗粒的铝丝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，形成包裹有陶瓷颗粒的熔融液滴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和陶瓷颗粒6，共同沉积形成高体积分数陶瓷增强铝基复合材料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。
实施例2
本实施例提供一种高体积分数陶瓷增强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.预处理：将SiC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SiC颗粒的体积分数为45％；
S2.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，形成充满SiC颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为1000℃；
S3.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SiC颗粒，氮气的压力为3MPa，温度为-15℃，共同沉积，沉积距离为200mm，得体积分数为45％的SiC颗粒增强2024铝基复合材料。
实施例3
本实施例提供一种高体积分数陶瓷增强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.预处理：将SiC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SiC颗粒的体积分数为65％；
S2.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，形成充满SiC颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为850℃；
S3.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SiC颗粒，氮气的压力为5MPa，温度为-20℃，共同沉积，沉积距离为260mm，得体积分数为65％的SiC颗粒增强2024铝基复合材料。
实施例4
本实施例提供一种高体积分数陶瓷增强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.预处理：将TiC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TiC颗粒的铝丝，其中TiC颗粒的体积分数为50％；
S2.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，形成充满TiC颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为800℃；
S3.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SiC颗粒，氮气的压力为2MPa，温度为-15℃，共同沉积，沉积距离为300mm，得体积分数为50％的TiC颗粒增强2024铝基复合材料。
实施例5
本实施例提供一种高体积分数陶瓷增强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.预处理：将MgO和Al2O3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MgO和Al2O3颗粒的铝丝，其中MgO和Al2O3颗粒的体积分数分别为30％、20％；
S2.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，形成充满MgO和Al2O3颗粒的熔融液滴，感应加热的温度为900℃；
S3.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MgO颗粒、Al2O3颗粒，氮气的压力为4MPa，温度为-15℃，共同沉积，沉积距离为240mm，得体积分数为50％的MgO和Al2O3颗粒增强2024铝基复合材料。
实施例6
本实施例参照实施例2，提供一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于：SiC颗粒的体积分数为55％。
对比例1
本对比例参照实施例2，提供一种高体积分数陶瓷增强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颗粒的体积分数为35％。
对比例2
本对比例参照实施例2，提供一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料的制备方法，与实施例2不同之处在于：步骤S3中高压氮气的温度为-5℃。
对比例3
本对比例采用浸渗法制备体积分数为45％的SiC颗粒增强2024铝基复合材料，具体过程如下：将SiC颗粒(粒径为100～800μm)压制成预制块，将2024铝合金熔体压入预制块中，压力为30MPa，预制块和铝合金熔体保持700℃，使铝合金熔体渗入预制块的孔隙，浸渗时间为30min，待渗入孔隙的铝合金熔体缓慢凝固后，得体积分数为45％的SiC颗粒增强2024铝基复合材料。
对实施例2～6和对比例1～3制备的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料进行物理力学性能检测，检测结果见表1。
表1
Figure BDA0002502275480000061
本发明制备的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料中，陶瓷颗粒在铝基复合材料中分布均匀，能起到很好的增强效果；制备的铝基复合材料热膨胀系数低，导热系数高，具有优异的力学性能。
将实施例2与对比例1进行比较可知，实施例2中提高了陶瓷颗粒的体积分数，提高了陶瓷增强铝基复合材料的力学性能和热导率，降低了热膨胀系数，优化了陶瓷增强铝基复合材料的综合性能。
对比例2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。
对比例3采用浸渗法制作陶瓷增强铝基复合材料陶瓷增强铝基复合材料，陶瓷颗粒在铝合金基体中难以分散均匀，导致铝基复合材料力学性能差，难以实现低热膨胀系数和较高的导热系数。
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)

1.一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，以铝合金薄带和陶瓷颗粒为原材料，所述制备方法包括以下步骤：
S1.预处理：将陶瓷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，制备出充满陶瓷颗粒的铝丝；
S2.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，形成包裹陶瓷颗粒的熔融液滴；
S3.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陶瓷颗粒，共同沉积形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述原材料中陶瓷颗粒的体积比大于40％。
3.根据权利要求2所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒和铝合金薄带的体积比为45～65:35～55。
4.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒包括SiC、TiC、MgO、Al2O3的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，步骤S2中所述感应加热的温度为800～1000℃。
6.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，步骤S3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。
7.根据权利要求6所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述高压氮气的压力为2～5MPa，温度为-10℃～-20℃。
8.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，步骤S3中所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的沉积距离为200～300mm。
9.根据权利要求1所述的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法，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。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述制备方法得到的高体积分数陶瓷增强铝基复合材料。
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