CN113481403A - 一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及泡沫铝材料技术领域，具体涉及一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料及其制备方法，所述方法包括向铝熔体中掺入表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒，经发泡、冷却处理得到泡沫铝复合材料；金刚石颗粒表面镀覆钛粉的方法包括，采用酸性溶液清洗金刚石颗粒，用去离子水反复冲洗后干燥处理，接着将该金刚石颗粒与钛粉混合，倒入坩埚内，再将金属盐铺在其表面；将盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热，保温处理，接着冷却至室温，除去金属盐，烘干，筛选处理后得到表面镀覆钛粉的金刚石颗粒；本发明通过将表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒引入到铝熔体中，藉由金刚石颗粒所具有的高强度和硬度，显著地提升了泡沫铝基复合材料的强度和耐磨性能。

Description

一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及泡沫铝材料技术领域，具体涉及一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料及其制备方法。
背景技术
泡沫金属是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料，它具有密度小、阻尼减振、消声、隔热、电磁屏蔽、冲击吸能等一系列独特的性能，具有广泛的应用前景。常见的泡沫金属有铝、镍及其合金，此外，泡沫铜也有一定的发展空间，但是，现有一般泡沫金属材料的强度和刚度较低，在一些场合下，不能满足应用要求。同时，低的力学性能也限制了其独特性能的发挥，如30％～60％孔隙率的胞状铝(AlSi12合金)抗拉强度仅为3N/mm2～4N/mm2。为了解决泡沫金属强度低的技术问题，本领域的研发人员提出了一种稀土增强铝基复合材料的方法，通过在普通铝合金中添加适量的稀土元素，适量的稀土元素能够显著改善材料的金相组织，细化晶粒，去除材料中气体和有害杂质，从而提高材料的强度，增加硬度和韧性，改善加工性能、可塑性和可锻性等；但是，稀土元素的使用成本较高，不利于大规模的推广使用。
又如本领域的研发人员还提出了一种原位生长MgAl2O4尖晶石晶须增强铝基复合泡沫，其具体的技术方案是以纯铝粉、镁粉以及硼酸作为原料，通过长时间高速球磨处理得到复合粉末，随后采用冷压烧结方式在复合块体材料中通过原位反应制备MgAl2O4尖晶石晶须，得到原位生成陶瓷相增强的前驱体材料，最后以水浴的方式除去造孔剂NaCl，制备出复合泡沫。最终的结果表明，在750℃条件下烧结2h原位生成的MgAl2O4晶须与基体界面结合良好，其直径在50～300nm之间，长径比介于10～50之间，并在基体中呈现三种不同的分布形式，对于复合泡沫，随着孔隙率的增加，复合泡沫致密度降低，对应的应力-应变曲线平台应力降低，致密应变增加，能量吸收性能降低，而不同孔径对于其性能没有明显影响。在Mg含量为10wt.％时，对于孔隙率为50％、60％和70％的复合泡沫其平台应力(18.67、16.04、9.14MPa)相对于纯铝泡沫(7.87、3.58、2.01MPa)分别增加了137.23％、348.04％和354.73％，因此，采用这种原位的制备方法制备的MgAl2O4晶须增强的铝基复合泡沫性能有明显的提升。但是，采用这种方法提升泡沫铝基复合材料的强度时，需要花费大量的时间高速球磨以得到复合粉末，成本高，且不利于大批量的生产制造。由此，提供一种低成本的方式提高泡沫铝复合材料的力学性能，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料的制备方法，其具有相对于现有泡沫铝基材料的制备方法改动小，成本低，且易于实施的优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料的制备方法，所述的方法包括向铝熔体中掺入表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒，然后经发泡、冷却处理得到所述的泡沫铝复合材料；
其中，金刚石颗粒表面镀覆钛粉的方法包括，采用酸性溶液清洗金刚石颗粒使其表面粗化，然后用去离子水反复冲洗后干燥处理，接着将该金刚石颗粒与钛粉混合，倒入坩埚内，再将金属盐铺在其表面；将盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至700-900℃，保温处理20-120min，接着冷却至室温，将镀后产物采用高温超声清洗除去金属盐，然后烘干，筛选处理后得到表面镀覆钛粉的金刚石颗粒。
在进一步的技术方案中，表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的掺入量为所述铝熔体重量的0.1％～3wt.％。
在进一步的技术方案中，所述的酸性溶液为稀盐酸，优选地，所述稀盐酸的浓度为1mol/L。
在进一步的技术方案中，所述金刚石颗粒的粒度为80-300目，所述钛粉的粒度为300目。
在进一步的技术方案中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐的重量比为(5-10)：1：(5-10)。
在进一步的技术方案中，盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至850℃，并保温处理60min。
在进一步的技术方案中，所述的金属盐选自NaCl、KCl中的一种或其任意比例的组合物。
在进一步的技术方案中，所述的高温超声清洗具体是采用60-80℃的去离子水对镀后产物进行超声清洗，清洗时间为20-30min。
在进一步的技术方案中，经高温超声清洗去除金属盐的镀后产物在烘干后，采用250目的筛子筛选去除多余的钛粉，得到表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒。
本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的高强度耐磨型泡沫铝复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的技术方案中，通过在现有泡沫铝材料的发泡工序前，将表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒采用内添加的方式引入到铝熔体中，藉由金刚石颗粒所具有的高强度和硬度，显著地提升了泡沫铝基复合材料的强度和耐磨性能；
此外，由于金刚石颗粒所具有的优异导热性能，添加有金刚石颗粒的铝熔体在生产过程中的冷却速率明显提高，进而提高了泡沫铝基复合材料的成品率。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料的制备方法，所述的方法包括向铝熔体中掺入表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒，然后经发泡、冷却处理得到所述的泡沫铝复合材料；
其中，金刚石颗粒表面镀覆钛粉的方法包括，采用酸性溶液清洗金刚石颗粒使其表面粗化，然后用去离子水反复冲洗后干燥处理，接着将该金刚石颗粒与钛粉混合，倒入坩埚内，再将金属盐铺在其表面；将盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至700-900℃，保温处理20-120min，接着冷却至室温，将镀后产物采用高温超声清洗除去金属盐，然后烘干，筛选处理后得到表面镀覆钛粉的金刚石颗粒。
本发明提供的技术方案中，通过在现有泡沫铝材料生产的发泡工序前，将表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒采用内添加的方式引入到铝熔体中，由于金刚石是目前自然界中已知的天然存在的坚硬物质，强度高，硬度大，因此可以显著的提升泡沫铝基复合材料的强度和耐磨性能。并且，由于金刚石颗粒具有优异的导热性能，通过金刚石颗粒的引入，加快了泡沫铝材料生产过程中的冷却速率，提高了泡沫铝基复合材料的成品率。
根据本发明提供的方法，本发明中，表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒在铝熔体中的添加量可以在较宽的范围内选择，本申请的发明人发现，若表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的掺入量过少，起不到较好的增强效果，而表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的掺入量进一步增加，对于泡沫铝基复合材料的力学性能并没有进一步的提升效果。作为优选的，本发明中，表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的掺入量为所述铝熔体重量的0.1％～3wt.％。
根据本发明提供的方法，为了提高钛粉在金刚石颗粒表面的镀覆效果，本发明提供的方法中采用酸性溶液对金刚石颗粒进行清洗使其表面粗化，所述的酸性溶液可选用本领域技术人员所常用的，具体的，例如所述的酸性溶液为稀盐酸，更为优选地，所述稀盐酸的浓度为1mol/L。
进一步的，本发明中，为了避免附着在金刚石颗粒表面的杂质、脏污对钛粉的镀覆产生影响，所述的方法还优选对金刚石颗粒表面进行清洗，具体的，将金刚石颗粒浸没到丙酮溶液中，超声清洗，然后滤出金刚石颗粒，用去离子水冲洗并烘干即可。
根据本发明提供的方法，所述金刚石颗粒和钛粉的粒度可在一定的范围内进行选择，作为优选的，本发明中，所述金刚石颗粒的粒度为80-300目，所述钛粉的粒度为300目。
根据本发明提供的方法，本发明中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐的用量可以在较宽的范围内选择，作为优选的，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐的重量比为(5-10)：1：(5-10)。
根据本发明提供的方法，本发明中，作为进一步优选的技术方案，盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至850℃，并保温处理60min。
根据本发明提供的方法，本发明中，作为进一步优选的技术方案，所述的金属盐选自NaCl、KCl中的一种或其任意比例的组合物。
根据本发明提供的方法，本发明中，高温超声清洗的目的是为了充分、快速的去除镀后产物中的金属盐，作为该高温超声清洗的一种具体的实施方式，所述的高温超声清洗具体是采用60-80℃的去离子水对镀后产物进行超声清洗，清洗时间为20-30min。
根据本发明提供的方法，本发明中，经高温超声清洗去除金属盐的镀后产物在烘干后，采用250目的筛子筛选去除多余的钛粉，得到表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒。
以下通过具体的实施例对本发明提供的高强度耐磨型泡沫铝复合材料的制备方法做出进一步的说明。
实施例1
将铝-硅合金(AlSi12Mg0.45)放入坩埚中加热到640℃呈熔液状，向该铝合金熔液中加入其重量1.5wt.％的表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒，以500r/min的转速搅拌混合2min；接着加入铝合金熔液重量2.5wt.％的发泡剂氢化钛，以1200r/min的转速搅拌混合3min，使发泡剂弥散分布于铝合金熔液中，保温处理10min，经自然冷却得到泡沫铝复合材料。
其中，所述的表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的制备方法具体是：
将金刚石颗粒浸没到丙酮溶液中浸泡处理5min，然后捞出，用去离子水冲洗，烘干，然后用浓度为1mol/L的稀盐酸对金刚石颗粒进行清洗使其表面粗化，清洗的时间为10min，然后用去离子水反复冲洗直至清洗液的pH值显示为中性，然后将表面粗化处理后的金刚石颗粒干燥处理；将处理过的金刚石颗粒与钛粉混合，倒入坩埚内，将NaCl和KCl按重量比1:1的混合物铺在金刚石颗粒与钛粉混合物的表面，将坩埚置于箱式炉中加热至850℃，并保温处理60min，接着冷却至室温，将产物采用高温超声清洗除去金属盐，具体是采用70℃的去离子水对产物进行超声清洗，清洗时间为20min；然后烘干，采用250目的筛子筛选处理后得到表面镀覆钛粉的金刚石颗粒。
上述制备过程中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐(NaCl和KCl的混合物)的重量比为8：1：7。
金刚石颗粒的粒度为120目，钛粉的粒度为300目。
实施例2
本实施例与实施例1中泡沫铝复合材料的制备方法基本一致，不同的是，在表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的制备方法中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐(NaCl和KCl的混合物)的重量比为5：1：5。
实施例3
本实施例与实施例1中泡沫铝复合材料的制备方法基本一致，不同的是，在表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的制备方法中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐(NaCl和KCl的混合物)的重量比为10：1：10。
对比例1
本实施例与实施例1中泡沫铝复合材料的制备方法基本一致，不同的是，在表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的制备方法中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐(NaCl和KCl的混合物)的重量比为12：1：10。
对比例2
本实施例与实施例1中泡沫铝复合材料的制备方法基本一致，不同的是，在铝合金熔液中不加入表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒。
采用线切割的方式取样，测试仪器采用TMS试验机；对实施例1-3、对比例1-2制备得到的泡沫铝复合材料取样并进行测试，测试结果汇总于表1中。
表1：
抗拉强度(N/mm<sup>2</sup>) 抗压强度(N/mm<sup>2</sup>)
实施例1 6.94 16.2
实施例2 7.35 16.8
实施例3 6.82 15.7
对比例1 5.46 14.2
对比例2 3.26 4.05
基于上述测试数据可以看出，基于本发明提供的技术方案得到的泡沫铝复合材料，显著的提升了抗拉强度和抗压强度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高强度耐磨型泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括向铝熔体中掺入表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒，然后经发泡、冷却处理得到所述的泡沫铝复合材料；
其中，金刚石颗粒表面镀覆钛粉的方法包括，采用酸性溶液清洗金刚石颗粒使其表面粗化，然后用去离子水反复冲洗后干燥处理，接着将该金刚石颗粒与钛粉混合，倒入坩埚内，再将金属盐铺在其表面；将盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至700-900℃，保温处理20-120min，接着冷却至室温，将镀后产物采用高温超声清洗除去金属盐，然后烘干，筛选处理后得到表面镀覆钛粉的金刚石颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒的掺入量为所述铝熔体重量的0.1％～3wt.％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的酸性溶液为稀盐酸，优选地，所述稀盐酸的浓度为1mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金刚石颗粒的粒度为80-300目，优选为120目，所述钛粉的粒度为300目。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金刚石颗粒、钛粉和金属盐的重量比为(5-10)：1：(5-10)，优选为5：1：5。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，盛有混合物的坩埚置于箱式炉中加热至850℃，并保温处理60min。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的金属盐选自NaCl、KCl中的一种或其任意比例的组合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的高温超声清洗具体是采用60-80℃的去离子水对镀后产物进行超声清洗，清洗时间为20-30min。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，经高温超声清洗去除金属盐的镀后产物在烘干后，采用250目的筛子筛选去除多余的钛粉，得到表面镀覆有钛粉的金刚石颗粒。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的方法制备得到的高强度耐磨型泡沫铝复合材料。
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