CN112743084A - 一种铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝/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，即得到铝/镁/铝复合板。所述铝/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
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，尤其是涉及一种铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法。
背景技术
随着节能减排和可持续发展的战略要求，轻量化技术被提出，其中以铝、镁合金为代表的有色金属被广泛应用。而复合材料相比于传统材料有其特有的优点，即通过其他材料来弥补自身的不足来提高复合材料整体的性能。由于铝合金塑性好、耐蚀性强，而镁合金比强度高、阻尼性好，铝/镁复合可以得到具有较好塑性和比强度的复合材料。通常制备铝/镁/铝复合板的主要方法有爆炸焊、热轧和扩散焊，其中，爆炸焊主要利用爆炸冲击波在高压作用下实现铝/镁复合板复合，但该工艺生产条件恶劣且制备工艺不可控，使得复合板质量波动幅度大，且难以实现自动化。热轧虽然效率较高，但在高温下铝、镁合金表面易形成氧化膜，这使得复合界面产生夹杂，严重影响界面结合质量。同时由于爆炸焊和轧制过程较快，板边缘易于开裂，成品率低，对复合板界面的控制能力较差，而扩散焊可以通过在界面处添加钎料来改善界面性能，但往往使用的低熔点钎料并不能在铝、镁合金表面有效润湿扩散，同时板材的热扩散方式由于接触表面积有限，在熔点温度以下金属流动性亦较差，所以界面结合通常并不牢固。
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，增大界面处材料接触面积和流动性，通过优化热压工艺参数，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，粉末质量要求低，制备方法简单，成品率高，生产效率高，节约生产成本。
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进行热压复合，保压冷却，即得到铝/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)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Cu钎料增强界面的铝/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，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为铝/镁/铝复合板宏观形貌图。
图3为铝/镁/铝复合板截面微观形貌。
图4为铝/镁/铝复合板的弯曲曲线。
图5为铝/镁/铝复合板的弯曲宏观形貌。
图6为铝/镁/铝复合板的弯曲微观形貌。
图7为粉末热压成型设备结构示意图。
具体实施方式
一种铝/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进行热压复合，保压冷却，即得到铝/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)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：热压使用粉末热压成型设备进行，粉末热压成型设备如图7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Cu钎料增强界面的铝/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，结构如图1所示，图中，A、B分别表示镁合金粉层、铝合金粉层。
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铝/镁/铝复合板，宏观形貌如图2所示。
从图3的复合板微观截面形貌可以看出，铝/镁界面呈粉末颗粒镶嵌交错状，界面没有形成脆性金属间化合物过渡层。图4为粉末热压铝/镁/铝复合板弯曲曲线，其抗弯载荷达300MPa，弯曲挠度较低，从图5和图6的弯曲宏观和微观形貌可以看出，复合板弯曲塑性虽然较差，但界面结合质量较好，没有形成界面开裂现象，裂纹主要沿层内扩展，导致最终断裂。而传统的爆炸焊和轧制铝/镁/铝复合板的抗弯强度稍高，约300～500MPa，但界面易开裂，导致复合板失效。
对本实施例所得的铝/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。
本实施例所得的铝/镁/铝复合板的相关性能如下表所示：
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：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 (9)
1.一种铝/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进行热压复合，保压冷却，即得到铝/镁/铝复合板。
2.根据权利要求1所述的一种铝/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。
6.根据权利要求5所述的一种铝/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。
7.根据权利要求5所述的一种铝/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。
8.根据权利要求1所述的一种铝/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。
9.采用权利要求1-8中任一项所述粉末热压制备方法获得的铝/镁/铝复合板。
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