CN113061770B - 铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents
铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113061770B CN113061770B CN202110295267.8A CN202110295267A CN113061770B CN 113061770 B CN113061770 B CN 113061770B CN 202110295267 A CN202110295267 A CN 202110295267A CN 113061770 B CN113061770 B CN 113061770B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- preparation
- hollow microspheres
- sintering
- aluminum alloy
- composite raw
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 138
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 60
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 44
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title description 6
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 claims abstract description 98
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 80
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 58
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 42
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 27
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 27
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 20
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 238000009736 wetting Methods 0.000 claims description 11
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 10
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N ethanol;hydrate Chemical group O.CCO IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 21
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 229910001250 2024 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000553 6063 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 229910001094 6061 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001008 7075 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 3
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/08—Alloys with open or closed pores
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/02—Compacting only
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/11—Making porous workpieces or articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
- B22F2003/248—Thermal after-treatment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了铝基多孔复合材料、其制备方法及应用，涉及梯度复合材料技术领域。制备方法包括：将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；将预制坯体进行热压烧结；其中，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。该复合材料的制备方法可设计性极强，制备得到的复合材料能够形成功能梯度，从而获得优异的缓冲吸能性能。
Description
技术领域
本发明涉及梯度复合材料技术领域，具体而言，涉及铝基多孔复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
铝基多孔复合材料作为一种缓冲吸能材料，是以空心微球作为“孔”，铝合金为基体，微球孔径可控，薄壳具有支撑作用，比强度/刚度高，具有较强的可设计性，可应用于航天航空缓冲件、装甲结构单元、抗撞汽车板件、防爆隔墙、抗爆罐等对人员、重要设备进行抗爆防护的领域。
然而，现有的铝基多孔复合材料自身吸能能力并不理想，尤其在受到冲击载荷时，各微区组元趋于瞬时压溃，内部各组分性能未能得到充分发挥。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝基多孔复合材料及其制备方法，旨在通过实现梯度铝基多孔复合材料孔结构与成分的多元协同梯度构造，形成功能梯度，提升材料的缓冲吸能性能。
本发明的另一目的在于提供上述铝基多孔复合材料在制备缓冲吸能材料中的应用。
本发明是这样实现的：
本发明提出一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：
将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；
将预制坯体进行热压烧结；
其中，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。
本发明还提出一种铝基多孔复合材料，由上述制备方法制备而得。
本发明还提出上述铝基多孔复合材料在制备缓冲吸能材料中的应用。
本发明具有以下有益效果：本发明以铝合金粉体和空心微球为原料，利用含量、粒度和成分的不同，借助冷压成型和热压烧结的工艺制备孔结构或成分协同可控的复合材料，通过空心微球与铝合金粉体的组合设计，实现梯度铝基多孔复合材料孔结构与成分的多元协同梯度构造。该复合材料的制备方法可设计性极强，制备得到的复合材料能够形成功能梯度，从而获得优异的缓冲吸能性能。
需要说明的是，发明人发现单一结构铝基多孔复合材料自身吸能能力有限的原因主要在于：材料内部各种参数同性，在受到外界载荷，材料内部结构的变形形式单一，尤其在受到冲击载荷时，各微区组元趋于瞬时压溃，内部各组分性能未能得到充分发挥。
而本发明中的梯度材料是指在空间上使材料的构成要素在某一方向上连续变化，形成功能梯变分布，与均匀结构相比，在冲击载荷下可有效降低局部应力集中，对冲击波起延时作用，在能量吸收方面发挥更大优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的技术流程图；
图2为实施例1复合材料内部结构示意图；
图3为实施例2复合材料内部结构示意图；
图4为实施例3复合材料内部结构示意图；
图5为实施例4复合材料内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，请参照图1，包括以下步骤：
(1)复合原料制备
根据预先的梯度设计制备多组复合原料，每组复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球。梯度设计是使多组复合原料的参数指标有所不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。在实际梯度设计时可以是以上指标中的至少一个指标不同，也可以是2个指标甚至更多指标不同，可以根据应用的环境进行针对性设计。
在一些实施例中，可以将复合原料设计为以上参数指标沿轴向呈渐变式梯度分布或周期排布的方式，实现孔结构与成分的梯度调控。
在一些实施例中，复合原料是将铝合金粉体、空心微球和润湿添加剂混合而得，润湿添加剂选自水和无水乙醇中的至少一种，利用水或无水乙醇起到一定的润湿的作用，使铝合金粉体和空心微球能够更好地混合均匀。
可选地，复合原料的制备过程包括先将铝合金粉体和空心微球混合2-4h，再与润湿添加剂混合4-8h，以使铝合金粉体和空心微球混合的均匀度更高。
具体地，空心微球选自陶瓷类空心微球、玻璃类空心微球和熔点高于铝材料熔点的金属类空心微球中的至少一种；以上几种类型的空心微球均适合于和铝合金粉体形成铝基多孔复合材料。空心微球的粒度为16-1000目，空心微球的粒度可以是多种级配的，以使每组复合材料的孔结构均有所差异。
具体地，铝合金粉体选自1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金和7xxx系铝合金中的至少一种，1xxx系-7xxx系均可以用于制备铝基多孔复合材料。优选地，铝合金粉体的粒度为150-1000目，铝合金粉体的粒度也可以是多种级配，在此不做限定。
根据空心微球含量的不同，复合原料分为高孔隙复合原料、中孔隙复合原料和低孔隙复合原料，高孔隙复合原料中空心微球的体积分数为60-90％，中孔隙复合原料中空心微球的体积分数为30-60％，低孔隙复合原料中空心微球的体积分数小于30％。在孔结构设计时可以采用三种复合原料按照一定的规律排布，也可以采用两种复合原料制备形成多组进行一定规律的排布。空心微球的体积分数是指空心微球的体积占两种主要原料总体积的比例。
优选地，高孔隙复合原料包括粒径为800-1000目的铝合金粉体和不同粒径的空心微球，以利用小粒径的铝合金粉体填充大粒径空心微球间隙。
(2)预制坯体制备
将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体，采用冷压成形的工艺将多组复合原料形成整体。
在优选的实施例中，冷压成形的过程是采用分步加压的方式对每层复合原料依次加压，以增加每层复合原料的致密度。在实际操作过程中，可以先铺设一层复合原料进行加压，再铺设一层复合原料再进行加压，这样逐层铺设逐层加压的方式进行冷压成形。
具体地，在铺设复合原料时，保证相邻的两层复合原料至少一个参数指标不同，参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。复合原料铺设的层数为2-10层，可以为2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层、10层。
可选地，每次加压的压力为10-30MPa，保压时间为5-10min，以保证每层复合原料的致密度。加压的压力可以为10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa，或相邻两个压力之间的任意值；保压时间可以根据加压的压力而定，可以为5min、6min、7min、8min、9min、10min，或相邻两个时间之间的任意值。
在一些实施例中，冷压成形结束之后进行热压烧结之前，在60-100℃的条件下进行干燥4-12h，以去除润湿添加剂。
(3)热压烧结
将预制坯体进行热压烧结，热压烧结可以采用现有的工艺，如放电等离子烧结或真空热压烧结，但是不同的烧结工艺的烧结温度、烧结压力均不相同，需要进行针对性的调整。
在一些实施例中采用放电等离子烧结的方式，控制烧结温度为520-600℃，烧结压力为5-10MPa，以得到复合材料。烧结温度可以为520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃，或相邻两个温度之间的任意值；烧结压力可以为5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa，或相邻两个压力之间的任意值。
在实际操作过程中，放电等离子烧结的过程包括将温度升温至400-450℃(如400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃)保温3-5min(如3min、4min、5min)，再升温至烧结温度保温3-10min(如3min、5min、8min、10min)，然后进行降温；其中，在升温和保温过程中均施加压力。
具体地，升温速率为80-100℃/min，如80℃/min、90℃/min、100℃/min。降温是以80-120℃/min的降温速率降温至100℃以下然后再进行自然冷却，降温的速率可以为80℃/min、90℃/min、100℃/min、110℃/min、120℃/min。
需要说明的是，发明人发现先将温度升温至400-450℃进行保温一段时间为宜，这样能够使制备得到的复合材料的复合效果更好，防止在升温过程中出现复合原料喷出的现象。
在一些实施例中采用真空热压烧结的方式，控制烧结温度为550-650℃，烧结压力为5-10MPa；以得到复合材料。烧结温度可以为550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃，或相邻两个温度之间的任意值；烧结压力可以为5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa，或相邻两个压力之间的任意值。
在实际操作过程中，真空热压烧结的过程包括将温度升温至400-450℃(如400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃)保温10-20min(如10min、12min、15min、20min)，再升温至烧结温度保温30-120min(如30min、50min、70min、90min、120min)，然后进行冷却。同理，采用先升温至中间温度进行保温再升温至烧结温度的方式，能够进一步提升复合材料的产品质量。
具体地，升温阶段是在真空度为100Pa以下的条件下，以5-20℃/min的升温速率进行升温，如5℃/min、15℃/min、20℃/min。冷却阶段是随炉冷却至100℃以下，再置于空气中自然冷却。
(4)热处理
在热压烧结之后根据铝合金粉体的热处理制度对复合材料进行热处理，以进一步提升合金材料的强度。
需要说明的是，热处理的步骤根据铝合金粉体的成分而定，有些成分可以不进行热处理。
本发明实施例还提出一种铝基多孔复合材料，由上述制备方法制备而得，利用铝合金粉体和空心微球形成的功能梯度，有益于材料在高速加载下的载荷转移，从而表现出更优异的缓冲吸能效果。
因此，铝基多孔复合材料在制备缓冲吸能材料中得到应用，可以通过和其他材料配合制备形成缓冲吸能材料。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：
(1)复合原料制备：按照空心微球体积分数为20％、40％和60％，称取目粒度为60-150目Al2O3陶瓷空心微球，分别与200-400目1100铝粉、6061铝粉和6063铝粉混合，6061铝粉对应的空心微球体积分数为20％，6063铝粉对应的空心微球体积分数为40％，1100铝粉对应的空心微球体积分数为60％；将每组原料分别放入混料机中混合2h，随后添加质量分数为5％无水乙醇(即占空心微球和铝粉总质量的5％)混合4h。
(2)预制坯体冷压成形：将步骤(1)中混合均匀复合原料，按空心微球体积分数由低到高的顺序沿石墨模具轴向由下到上依次逐层铺陈于石墨模具中，采用分步加压方式对每层复合原料依次加压，每次加压压力为10MPa，保压时间为10min，最终整体坯体成形，随后将装有坯体模具一同置于恒温干燥箱中进行干燥，干燥时间为4h，干燥温度为80℃。
(3)复合材料制备：采用真空热压烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为80Pa，以5℃/min从室温升温至450℃，保温10min，再升温至550℃，保温120min，加热与保温过程中施加5MPa压力，随后随炉冷却至100℃取出在空气中自然冷却。
(4)热处理：综合6061与6063铝合金的固溶时效热处理制度，将复合材料在530℃固溶处理1h，淬火，175℃时效处理8h。
如图2所示，A为1100铝，B为6063铝，C为6061铝；由于热压烧结复合过程中复合坯体粉体间隙存在一定致密化，因此，本实施例中制备获得的三层空心微球体积分数与铝合金基体成分协同梯度铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为57.6％，38.2％和18.5％。
实施例2
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：
(1)复合原料制备：按照空心微球体积分数为35％、55％和75％，称取目粒度为150-400目和500-1000目的玻璃空心微球，分别于目粒度为800-1000目的1100铝粉、5A03铝粉和5A06铝粉混合。
具体配料为：控制空心微球体积分数为35％与5A06铝粉混合，控制空心微球体积分数为55％与5A03铝粉混合，控制空心微球体积分数为75％与1100铝粉混合，其中，空心微球体积分数为35％的复合原料中，150-400目和500-1000目的体积分数比为2:1；空心微球体积分数为55％的复合原料中，150-400目和500-1000目的体积分数比为1:1；空心微球体积分数为75％的复合原料中，150-400目和500-1000目的体积分数比为1:2；将每组原料分别放入混料机中混合4h，随后添加质量分数为4％无水乙醇混合8h。
(2)预制坯体冷压成形：将步骤(1)中混合均匀复合原料，按空心微球体积分数由低到高的顺序沿石墨模具轴向由下到上依次逐层铺陈于石墨模具中，采用分步加压方式对每层复合原料依次加压，每次加压压力为20MPa，保压时间为6min，最终整体坯体成形，随后将装有坯体模具一同置于恒温干燥箱中进行干燥，干燥时间为4h，干燥温度为80℃。
(3)复合材料制备：采用放电等离子烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为80Pa，以80℃/min从室温升温至400℃，保温5min，再升温至600℃，保温5min，加热与保温过程中施加5MPa压力，随后以80℃/min降温至100℃取出在空气中自然冷却；
(4)热处理：综合5A06与5A03铝合金的低温退火热处理制度，将复合材料在温度300℃的条件下保温1h，空冷。
如图3所示，A为1100铝，B为5A03铝，C为5A06铝；本实施例中制备获得的经空心微球级配的三层空心微球体积分数与铝合金基体成分协同梯度铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为73.8％，54.0％和34.1％。
实施例3
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：
(1)复合原料制备：按照空心微球体积分数为20％和60％，称取目粒度为16-30目的铁质空心微球，分别与200-400目1100铝粉和2024铝粉混合。
具体配料为：控制空心微球体积分数为20％与2024铝粉混合，控制空心微球体积分数为60％与1100铝粉混合；将每组原料分别放入混料机中混合4h，随后添加质量分数为3％无水乙醇混合6h。
(2)预制坯体冷压成形：将步骤(1)中混合均匀复合原料，按原料空心微球体积分数为20％-60％-20％-60％的顺序沿石墨模具轴向由下到上逐层铺陈于石墨模具中，采用分步加压方式对每层复合原料依次加压，每次加压压力为30MPa，保压时间为5min，最终整体坯体成形，随后将装有坯体模具一同置于恒温干燥箱中进行干燥，干燥时间为6h，干燥温度为100℃。
(3)复合材料制备：采用放电等离子烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为60Pa，以100℃/min从室温升温至450℃，保温3min，再升温至520℃，保温10min，加热与保温过程中施加10MPa压力，随后以120℃/min降温至100℃取出在空气中自然冷却。
(4)热处理：根据2024铝合金T6处理，将复合材料在温度490℃固溶处理1h，淬火，170℃时效处理10h。
如图4所示，A为1100铝，B为2024铝；本实施例中制备获得的四层空心微球体积分数与铝合金基体成分呈周期性协同变化的梯度铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为57.3％，18.2％，58.0％和18.5％。
实施例4
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，包括：
(1)复合坯体原料制备：按照空心微球体积分数为35％和75％，称取目粒目粒度为150-400目和500-1000目的玻璃空心微球，分别和目粒度为800-1000目的7075铝粉和1100铝粉混合。
具体配料为：控制空心微球体积分数为35％与1100铝粉混合，控制空心微球体积分数为75％与7075铝粉混合，其中，空心微球体积分数为35％的复合原料中，150-400目和500-1000目的体积分数比为2:1，空心微球体积分数为75％的复合原料中，150-400目和500-1000目的体积分数比为1:2；将每组原料分别放入混料机中混合3h，随后添加质量分数为5％无水乙醇润湿添加剂混合4h。
(2)预制坯体冷压成形：将步骤(1)中混合均匀复合原料，按原料空心微球体积分数为35％-75％-35％-75％的顺序沿石墨模具轴向由下到上逐层铺陈于石墨模具中，采用分步加压方式对每层复合原料依次加压，每次加压压力为15MPa，保压时间为8min，最终整体坯体成形，随后将装有坯体模具一同置于恒温干燥箱中进行干燥，干燥时间为12h，干燥温度为60℃。
(3)复合材料制备：采用真空热压烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为60Pa，以20℃/min从室温升温至400℃保温20min，再升温至650℃，保温30min，加热与保温过程中施加10MPa压力，随后随炉冷却至100℃取出在空气中自然冷却；
(4)热处理：根据7075铝合金T6热处理制度，将复合材料在温度470℃固溶处理2h，淬火，120℃时效处理12h。
如图5所示，A为7075铝，B为1100铝；本实施例中制备获得的经空心微球级配的四层空心微球体积分数与铝合金基体成分呈周期性协同变化的梯度铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为73.2％，33.4％，73.5％和33.8％。
实施例5
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，与实施例1不同之处仅在于烧结工艺：采用真空热压烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为80Pa，以5℃/min从室温升温至550℃，保温120min，加热与保温过程中施加5MPa压力，随后随炉冷却至100℃取出在空气中自然冷却。
结果显示：本实施例中制备获得的铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为58.3％，37.6％和18.1％。
但试验中发现：直接升温至烧结温度进行复合制备的工艺窗口窄，制备成功率低。这可能是由于：添加的空心微球的空心结构在复合制备的升温过程中热胀明显，且当升温至铝粉熔融后，复合原料具备一定的流动性，此时，轻质空心微球同时热胀及向上浮动，使复合原料易发生溢出或喷出现象。
实施例6
本实施例提供一种铝基多孔复合材料的制备方法，与实施例2不同之处仅在于烧结工艺：采用放电等离子烧结技术，将装有坯体石墨模具放入炉腔中，真空度为80Pa，以80℃/min从室温升温至600℃保温5min，加热与保温过程中施加5MPa压力，随后以80℃/min降温至100℃取出在空气中自然冷却；
结果显示：本实施例中制备获得的铝基多孔复合材料，由上而下空心微球体积分数实际分别为73.2％，53.8％和33.9％。
但试验中发现，与实施例5类似，直接升温至烧结温度进行复合制备的工艺窗口窄，制备成功率低，制备过程中复合原料易发生溢出或喷出现象。
对比例1
本对比例提供一种可控梯度铝基多孔复合材料的制备方法，与实施例1不同之处仅在于：三层均采用空心微球体积分数为40％，且均为60-150目空心微球和200-400目6063铝粉混合而得。
结果显示，空心微球体积分数实际为38.5％。
试验例1
测试实施例1-6和对比例1中制备得到复合材料的准静态压缩性能，结果见表1，测试方法参照GB/T 31930。
表1复合材料性能测试结果
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种铝基多孔复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将多组复合原料逐层铺设于模具中，进行冷压成形得到预制坯体；
将所述预制坯体进行热压烧结；
其中，每组所述复合原料中均包括铝合金粉体和空心微球，相邻的两层所述复合原料至少一个参数指标不同，所述参数指标包括空心微球的体积分数、铝合金粉体粒度级配、空心微球的粒度级配、铝合金粉体的成分和空心微球的成分。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结为放电等离子烧结或真空热压烧结。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在热压烧结之后根据所述铝合金粉体的热处理制度对复合材料进行热处理。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的过程中，控制烧结温度为520-600℃，烧结压力为5-10MPa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的过程包括将温度升温至400-450℃保温3-5min，再升温至所述烧结温度保温3-10min，然后进行降温；其中，在升温和保温过程中均施加压力。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，升温速率为80-100℃/min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述降温是以80-120℃/min的降温速率降温至100℃以下，再自然冷却。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的过程中，控制烧结温度为550-650℃，烧结压力为5-10MPa。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的过程包括将温度升温至400-450℃保温10-20min，再升温至所述烧结温度保温30-120min，然后进行冷却。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，升温阶段是在真空度为100Pa以下的条件下，以5-20℃/min的升温速率进行升温。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，冷却阶段是随炉冷却至100℃以下，再置于空气中自然冷却。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成形的过程是采用分步加压的方式对每层所述复合原料依次加压。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，每次加压的压力为10-30MPa，保压时间为5-10min。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述复合原料铺设的层数为2-10层。
15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合原料是将铝合金粉体、空心微球和润湿添加剂混合而得，所述润湿添加剂选自水和无水乙醇中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述复合原料的制备过程包括先将所述铝合金粉体和所述空心微球混合2-4h，再与所述润湿添加剂混合4-8h。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成形结束之后进行热压烧结之前，在60-100℃的条件下进行干燥4-12h，以去除润湿添加剂。
18.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述空心微球选自陶瓷类空心微球、玻璃类空心微球和熔点高于铝材料熔点的金属类空心微球中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，所述空心微球的粒度为16-1000目。
20.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金粉体选自1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金和7xxx系铝合金中的至少一种。
21.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金粉体的粒度为150-1000目。
22.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，根据所述空心微球含量的不同，所述复合原料分为高孔隙复合原料、中孔隙复合原料和低孔隙复合原料，所述高孔隙复合原料中所述空心微球的体积分数为60-90％，所述中孔隙复合原料中所述空心微球的体积分数为30-60％，所述低孔隙复合原料中所述空心微球的体积分数小于30％。
23.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，所述高孔隙复合原料包括粒径为800-1000目的铝合金粉体和不同粒径的空心微球。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110295267.8A CN113061770B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110295267.8A CN113061770B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113061770A CN113061770A (zh) | 2021-07-02 |
| CN113061770B true CN113061770B (zh) | 2021-11-30 |
Family
ID=76562364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110295267.8A Active CN113061770B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113061770B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113523289A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-10-22 | 河北工业大学 | 一种铝/玻璃微珠复合金属夹芯材料的制备方法 |
| CN113930636A (zh) * | 2021-09-22 | 2022-01-14 | 鞍钢集团北京研究院有限公司 | 泡沫钢材制备装置及方法 |
| CN114131028B (zh) * | 2021-12-02 | 2024-04-05 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种铝基多孔复合夹芯结构及其制备方法和应用 |
| CN114231778A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-03-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种密度梯度空心球增强铝基多孔复合材料的制备方法 |
| CN114559044B (zh) * | 2022-03-15 | 2024-01-26 | 哈尔滨工业大学 | 一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法 |
| CN115745570B (zh) * | 2022-12-09 | 2023-08-01 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种具有梯度孔结构骨架的多孔陶瓷及其3d打印成型方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4357393A (en) * | 1979-04-10 | 1982-11-02 | Katuragi Sangyo Co., Ltd. | Sintered porous metal plate and its production |
| US4906518A (en) * | 1987-11-11 | 1990-03-06 | Inabata Techno Loop Corporation | Light filler material having damping function and composite material thereof |
| CN107486559A (zh) * | 2017-09-01 | 2017-12-19 | 中南大学 | 一种铝基密度梯度材料及其制备方法和应用 |
| CN107805728A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-16 | 武汉酷睿科技有限公司 | 一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法 |
| CN108796256A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050092403A1 (en) * | 2003-10-29 | 2005-05-05 | Lloyd David J. | Functionally graded aluminum alloy sheet |
| US7641984B2 (en) * | 2004-11-29 | 2010-01-05 | North Carolina State University | Composite metal foam and methods of preparation thereof |
-
2021
- 2021-03-19 CN CN202110295267.8A patent/CN113061770B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4357393A (en) * | 1979-04-10 | 1982-11-02 | Katuragi Sangyo Co., Ltd. | Sintered porous metal plate and its production |
| US4906518A (en) * | 1987-11-11 | 1990-03-06 | Inabata Techno Loop Corporation | Light filler material having damping function and composite material thereof |
| CN107486559A (zh) * | 2017-09-01 | 2017-12-19 | 中南大学 | 一种铝基密度梯度材料及其制备方法和应用 |
| CN107805728A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-16 | 武汉酷睿科技有限公司 | 一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法 |
| CN108796256A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Microstructure Characterization of Aluminium Syntactic Functionally Graded Composites Containing Hollow Ceramic Microspheres Manufactured by Radial Centrifugal Casting;S.C. Ferreira et al.;《Materials Science Forum》;20080630;Abstract、Introduction * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113061770A (zh) | 2021-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113061770B (zh) | 铝基多孔复合材料、其制备方法及应用 | |
| CN108486400B (zh) | 一种金属基空心球复合泡沫材料及其制备方法 | |
| CN105624451B (zh) | 一种高强高韧闭孔泡沫铝及其制备方法 | |
| CN103614586B (zh) | Al2O3空心球/铝多孔复合材料的制备方法 | |
| CN107805728B (zh) | 一种具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN109175360B (zh) | 基于粉末烧结法原位实现高锰铝高强钢多孔化的制备工艺 | |
| CN103862228A (zh) | 一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法 | |
| CN104289717B (zh) | 一种多级孔金属纤维烧结板的制作方法 | |
| CN113070464B (zh) | 铝基多孔复合材料、其制备方法和应用 | |
| CN108796314A (zh) | 一种电子封装用铝硅合金的制备方法 | |
| CN107130197B (zh) | 一种超细晶az80镁合金的形变热处理方法 | |
| CN106583739A (zh) | 一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制造方法 | |
| CN109487114B (zh) | 一种复杂构件仪表级复合材料及其制备方法 | |
| CN101700568B (zh) | 一种点阵夹芯板的低压铸造方法 | |
| CN114231778A (zh) | 一种密度梯度空心球增强铝基多孔复合材料的制备方法 | |
| CN102628132A (zh) | 一种镁锂合金低温超塑性材料及其制备工艺 | |
| CN104658917B (zh) | 一种含高体积分数SiC的金属基复合电子封装件的制备方法 | |
| CN106363174A (zh) | 一种新型泡沫铝薄壁异型件的制备方法 | |
| CN107649687B (zh) | 一种提高喷射沉积超高强铝合金致密度的方法 | |
| CN105220093A (zh) | 一种用于喷射成形超高强铝合金材料的致密化处理方法 | |
| CN114131028B (zh) | 一种铝基多孔复合夹芯结构及其制备方法和应用 | |
| CN106191499B (zh) | 粉末冶金法制备高硅铝合金的方法 | |
| CN108620593A (zh) | 一种大尺寸超薄金属基密度梯度材料及其制备方法和应用 | |
| CN110961622B (zh) | 一种钴合金的3d打印方法 | |
| CN109778019B (zh) | 一种过共晶铝硅合金复合变质剂及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220127 Address after: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Patentee after: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences Patentee after: Meizhou Yueke new materials and Green Manufacturing Research Institute Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Patentee before: Institute of materials and processing, Guangdong Academy of Sciences Patentee before: Meizhou Yueke new materials and Green Manufacturing Research Institute |
|
| TR01 | Transfer of patent right |