CN112743082A - Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法 - Google Patents

Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/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，并在铝/镁界面处添加Ni钎料；(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进行热压复合，保压冷却，即得到Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板。所述Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板具有重量轻、比强度高、界面结合强度高和综合力学性能优良等优点。本发明具有粉末质量要求低、复合板界面结合质量高、制备方法简单、成品率高、生产效率高、节约生产成本等优点。

Description

Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
背景技术
镁合金作为密排六方晶体结构，其室温塑性变形能力较差，比强度高而塑性低，但铝合金为面心立方晶体结构，滑移系较多，室温塑性变形能力相对于镁合金要好得多。再者，由于两者同为有色轻金属，比重轻而结构力学性能出色，可以通过铝/镁复合的方式来弥补相互的不足以发挥各自的优势，提高铝/镁复合整体的力学性能，使其表现有出色的比强度和塑性。
制备双金属复合材料的关键是获得具有良好结合性能的界面。冶金结合界面是通过原子相互扩散使两种金属材料紧密的结合在一起，相比机械结合界面，具有结合强度高、稳定性好、杂质缺陷少等优点，已成为制备双金属复合材料的主要界面结合机制。目前双金属复合材料制备方法主要包含以下几类：
1)固/固复合。包含轧制复合、焊接、挤压复合和爆炸复合等技术。CN101518848A公开了一种制备镁与铝异种金属复合板的方法，通过叠合焊接后高温扩散反应，获得铝/镁复合板。CN102642344A公开了一种铝包镁线材轧制复合制备方法。CN101992345A公开了一种铝合金和镁合金叠层板爆炸复合制备方法。CN102689090A公开了一种镁/铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法。
2)固/液复合。主要为铸造复合法。由于铝/镁金属间化合物形成温度远低于合金熔体浇铸温度，铸造复合过程中两种金属会在界面反应生成硬脆中间相，严重影响结合性能，铸造复合工艺的关键就在于控制和减少界面反应。CN102350492A公开了一种铸造铝包镁复合铸锭的制备方法，通过将液态镁合金浇入到一定形状和尺寸的铝板盒内，冷却后既得包铝镁合金铸锭。但是该方法需要预制铝板盒，且浇注前还需对其进行预热和表面处理，工艺复杂，且浇注时界面反应较剧烈，无法保证均匀良好的界面结合。CN103691909A公开了一种铝/镁固液复合铸造成型方法，通过将经表面处理和预热的铝合金管材置入镁合金液中，然后迅速淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中冷却获得复合铸锭。该方法减少了铝/镁界面反应，但工艺复杂，且受限于模具尺寸。CN105964919A公开了一种消失模制造液/液复合铝/镁双金属铸件的方法，首先提供一个包含镁合金部分、中间铝片和铝合金部分的复合泡沫模型，其次对其涂涂料并埋砂造型，最后分别浇注镁合金液和铝合金液，冷却凝固后获得铝/镁双金属铸件。该方法通过在界面处预先添加铝片阻碍界面反应，工艺复杂，不能保证均匀良好的冶金结合，且受限于模具尺寸。
3)液/液复合。主要为连续铸造复合法。相比其它方法，连续铸造复合法制备双金属材料具有成本低、流程短、效率高、且易实现冶金结合等优点，具有广阔发展前景。CN106216618A公开了一种浇注连续铸造制备双金属复合材料的方法，通过向液态金属熔体在结晶器形成的凝固液穴内加入金属半固态浆料，凝固后获得梯度过渡的双金属复合铸锭。CN104174823A公开了一种包覆材料固/液复合连铸成型设备与方法，适于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷曲的大尺寸包覆材料连铸成型。CN1927504A公开了一种包覆材料水平连铸直接复合成形设备与工艺。但是，这些工艺仅适用于熔点相差较大或没有中间相产生的异种金属复合，如铝/钢，铝/铜，铝/铝复合材料等。由于液/液复合时界面温度高，原子扩散加剧，且铝和镁的熔点仅相差约10℃，铝/镁界面处会形成大量脆性第二相，从而限制了连续铸造法在制备铝/镁复合材料方面的应用。
目前常用于制备铝/镁合金属层状复合板的方法主要以热加工或大塑性变形加工为主，如：爆炸焊、轧制和扩散焊等。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。热轧铝/镁复合板易在金属板表面形成氧化，从而在轧制界面产生氧化物夹杂，这严重影响复合板界面结合质量。同时轧制过程易导致铝/镁复合板出现边裂，成品率相对较低。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。
目前镁铝复合板的制备主要包括固/固复合、固/液复合、液/液复合方法，以轧制和热压作为使用最多的办法，没有采用粉末制备的方法。
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Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
本发明采用铝、镁粉末逐层铺粉，增大界面处材料接触面积和流动性，且在铝/镁界面处添加薄Ni钎料，在高压高温作用下，实现界面Ni元素的充分扩散和富Ni颗粒的弥散分布，从而实现铝/镁界面元素充分扩散与结合，提高界面结合强度，得到具有优良综合力学性能的铝/镁/铝复合板。该Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板具有重量轻、比强度高、界面结合强度高和综合力学性能优良等优点。
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Ni钎料增强界面的铝/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，并在铝/镁界面处添加Ni钎料；
(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进行热压复合，保压冷却，即得到Ni钎料增强界面的铝/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，所述Ni钎料铺层厚度为0.1-0.5mm。
优选地，所述Ni钎料选自纯镍箔或各系列镍基钎料。
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300-600℃，压力为100-1000MPa，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Ni钎料增强界面的铝/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)。
通过对粉末热压铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板。
本发明的有益效果在于：
采用粉末热压方式可以增大界面处材料的有效接触面积和材料流动性，实现铝/镁界面元素充分扩散与结合，同时在铝/镁界面处添加薄Ni钎料，在高压高温作用下，实现界面Ni元素的充分扩散和富Ni颗粒的弥散分布，从而实现铝/镁界面元素充分扩散与结合，从而实现铝/镁界面元素充分扩散与结合，提高界面结合强度，得到具有优良综合力学性能的铝/镁/铝复合板。该Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板具有重量轻、比强度高、界面结合强度高和综合力学性能优良等优点。与现有技术相比，本发明具有粉末质量要求低、复合板界面结合质量高、制备方法简单、成品率高、生产效率高、节约生产成本等优点。
附图说明
图1为预压复合粉末块体结构示意图。
图2为粉末热压成型设备结构示意图。
具体实施方式
一种Ni钎料增强界面的铝/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，并在铝/镁界面处添加Ni钎料；
(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进行热压复合，保压冷却，即得到Ni钎料增强界面的铝/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。所述Ni钎料铺层厚度为0.1-0.5mm。所述Ni钎料选自纯镍箔或各系列镍基钎料。
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300-600℃，压力为100-1000MPa，时间为10-480min。
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。
在本发明的一个实施方式中，通过上述方法得到Ni钎料增强界面的铝/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)。
通过对粉末热压铝/镁/铝复合板进行轧制塑性变形，使Ni钎料增强界面的铝/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、AlSi10Mg铝合金粉和0.1mm厚的纯镍钎料，按照铝/镁/铝顺序在模具中进行逐层铺粉，并在铝/镁界面处添加Ni钎料，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，结构如图1所示，图中，A、B、C分别表示镁合金粉层、Ni钎料、铝合金粉层。
使用粉末热压成型设备进行热压成型，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600℃后，将压强增加到1000MPa，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铝/镁/铝复合板。
对本实施例所得的Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板的相关性能如下表所示：
Figure BDA0002254099870000071
传统的爆炸焊和轧制工艺制备的铝/镁/铝复合板一般具有300MPa的抗拉强度，但其塑性相对较低，复合板断裂后易出现分层现象，界面结合较弱。通过热压工艺制备的Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板在同等抗拉强度下，具有较好的塑性和界面结合质量。
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：塑性好，无分层，界面结合质量好、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Ni钎料增强界面的铝/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，并在铝/镁界面处添加Ni钎料；
(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进行热压复合，保压冷却，即得到Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板。
2.根据权利要求1所述的一种Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/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，所述Ni钎料铺层厚度为0.1-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板的粉末热压制备方法，其特征在于，所述Ni钎料选自纯镍箔或镍基钎料。
6.根据权利要求1所述的一种Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/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300-600℃，压力为100-1000MPa，时间为10-480min。
9.根据权利要求1所述的一种Ni钎料增强界面的铝/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Ni钎料增强界面的铝/镁/铝复合板。
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