CN113684391A - 一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1)将铝合金粉末和增强体粉末通过球磨混合得到混合粉末；2)将步骤1)得到的混合粉末装入钢制包套内，施加30～50MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化；3)将步骤2)所得的坯料，加工去除钢制包套，即得到铝基复合材料。在室温高速冷旋锻冲击下，通过铝合金粉末的塑性变形和增强体相互摩擦，去除铝合金粉末表面的致密氧化膜，增强粉末冶金粘结能力，实现粉末致密化。

Description

一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属及其基复合材料领域，尤其是涉及一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法。

背景技术

粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点，表现出广阔的应用前景。目前，铝基粉末冶金主要的生产工艺有常温压制、温压、热挤压、粉末锻造等，这些制备方法往往需要400℃以上的温度进行烧结或挤压变形。在粉末固化过程中，由于Al活性高，在快速凝固制粉过程中，不可避免地形成一层致密氧化膜，导致致密化过程中合金元素的相互扩散受到限制，难以形成冶金粘结。

如中国发明专利申请《一种高阻尼铝硅基复合材料及其制备方法》，其专利申请号为CN201910774888.7(申请公布号为CN112410623A)公开了一种高阻尼铝硅基复合材料的制备方法，包括有球磨，随后在常温下对包套冷压压制，成型后进行热等压烧结，使粉末颗粒之间发生充分扩散而形成均匀致密的组织。球料质量比为(5～10)：1，球磨机转速控制在200～300转/分的范围内，球磨时间为5～15小时；冷压压力200～250MPa，保压时间5～10min，在热压烧结炉中，在350℃～400℃下对成型粉末进行脱气脱水处理1～2h，进行热等静压烧结，烧结温度500～570℃，烧结压力100～200MPa，保温时间1～5h。上述专利中的制备方法的铝基复合材料往往塑性较低，要提高塑韧性需要进行高温热挤压。

又如中国发明专利申请《一种镀镍碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法》，其专利申请号为CN201510605315.3(申请公布号为CN10508810A)公开的制备方法是将铝粉或铝合金粉、质量百分数为铝粉或铝合金粉的0.5～4.0％的镍包覆的碳纳米管、质量百分数为铝粉或铝合金粉的0.5～2.0％的过程控制剂混合球磨，得到复合粉体；将复合粉体封装在金属包套内，升温至400～620℃后进行轧制，得到复合材料坯料；再剥离金属包套，去除毛边后得到所述镀镍碳纳米管增强铝基复合材料。上述专利虽然获得铝基复合材料，但需要在较高温度下进行轧制，且这种方法一般用于制造板材。

因此，需要对现有的铝基复合材料的制备方法作进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法，使所制备出的铝基复合材料兼具高致密化和高抗拉强度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

1)将铝合金粉末和增强体粉末通过球磨混合得到混合粉末；

2)将步骤1)得到的混合粉末装入钢制包套内，施加30～50MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化；

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除钢制包套，即得到铝基复合材料。

具体地，所述的旋锻致密化与强韧化为：首先，在室温下，将装有粉末的包套按照每道次0.5～10mm的加工率进行旋锻；然后，将装有粉末的包套按照每道次0.5～10mm 的加工率在150～300℃范围内进行温旋锻。上述旋锻成形方法优点是，在室温旋锻条件下，通过复合粉末机械咬合与铝合金粉末冷变形相结合可以获得高致密的旋锻坯料；通过温旋锻，可以实现粉末界面冶金扩散增强界面结合强度，且通过三向强塑性变形提高材料强韧性，与现有的直接包套热旋锻相比较，本发明减少了加热次数，且可以通过铝合金室温冷变形提高了基体材料强度。

优选地，所述的铝合金为Al-Li合金、Al-Fe合金、Al-Si合金、2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金、7xxx系铝合金中的任意一种。

优选地，所述增强体为石墨烯、碳纳米管、SiC、B₄C、TiC、Al₂O₃、TiN中的至少一种。

具体地，所述增强体为片状、颗粒状、短纤维状。

优选地，在步骤1)中，球磨混合在氩气气氛保护下进行，且球磨转速为100～200r/min，球磨时间为0.5～8h，使铝合金粉末和增强相粉末充分混合。

具体地，在步骤1)中，所述铝合金粉末的粒径为5～200um。

采用上述制备方法，所制备出的铝基复合材料的抗拉强度为380MPa以上，断裂伸长率为5.0％以上，弹性模量为81GPa以上。如此，铝基复合材料具有较高的抗拉强度、良好的断裂延伸率及良好的弹性模量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用粉末旋锻成形短流程制备工艺，在室温高速冷旋锻冲击下，通过铝合金粉末的塑性变形和增强体相互摩擦，去除铝合金粉末表面的致密氧化膜，增强粉末冶金粘结能力，实现粉末致密化；旋锻成形具有成形温度低和速度快、加工成本低的优点，通过温旋锻，能增强界面扩散，进一步提高致密度，并实现强塑性变形，如此使得制备出的粉末冶金铝合金及其复合材料具有高强韧、高弹性模量的优点，此外，整个制备方法无需高温轧制或高温挤压；采用将粉末置于包套内，实现了制备全流程氧含量可控，有效避免材料氧化，对设备条件要求较低，成本较低，具有广阔的工业应用前景。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例的高性能铝合金及其复合材料的制备方法包括如下步骤：

1)将平均粒径为30μm的球形6082铝合金粉末与粒径为1μm的SiC粉末通过球磨混合，在氩气保护气氛下，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，得到混合粉末；

2)将步骤1)选用外径125mm，内径119mm的不锈钢管作为包套材料，将混合粉末装入不锈钢包套内，施加40MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化。前述的进行旋锻致密化与强韧化是指：将填充混合粉末的钢管按照每次3mm的道次加工率进行室温旋锻，使钢管外径变为 65mm；把室温旋锻后的棒料在200℃条件下保温30min，然后按照5mm的道次加工率进行旋锻，使钢管外径变为35mm。

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除不锈钢包套，即得到SiC增强6082铝基复合材料。

采用室温拉伸性能测试本实施例的SiC增强6082铝基复合材料的抗拉强度为450MPa，断裂伸长率8.0％，弹性模量85GPa，致密度为99.7％。

实施例2：

本实施例的高性能铝合金及其复合材料的制备方法包括如下步骤：

1)将平均粒径为30μm的球形6061铝合金粉末与粒径为1μm的SiC粉末通过球磨混合，在氩气保护气氛下，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，得到混合粉末；

2)将步骤1)选用外径100mm，内径95mm的不锈钢管作为包套材料，将混合粉末装入不锈钢包套内，施加40MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化。前述的进行旋锻致密化与强韧化是指：将填充混合粉末的钢管按照每次3mm的道次加工率进行室温旋锻，使钢管外径变为 50mm；把室温旋锻后的棒料在200℃条件下保温30min，然后按照5mm的道次加工率进行旋锻，使钢管外径变为30mm。

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除不锈钢包套，即得到SiC增强6061铝基复合材料。

采用室温拉伸性能测试本实施例的SiC增强6061铝基复合材料的抗拉强度为380MPa，断裂伸长率9.5％，弹性模量81Gpa，致密度为99.8％。

实施例3

本实施例的高性能铝合金及其复合材料的制备方法包括如下步骤：

1)将平均粒径为30μm的球形6061铝合金粉末与石墨烯通过球磨混合，在氩气保护气氛下，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，得到混合粉末；

2)将步骤1)选用外径100mm，内径95mm的不锈钢管作为包套材料，将混合粉末装入不锈钢包套内，施加40MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化。前述的进行旋锻致密化与强韧化是指：将填充混合粉末的钢管按照每次3mm的道次加工率进行室温旋锻，使钢管直径变为 50mm；把室温旋锻后的棒料在200℃条件下保温30min，然后按照5mm的道次加工率进行旋锻，使钢管直径变为30mm。

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除不锈钢包套，即得到石墨烯增强6061铝基复合材料。

采用室温拉伸性能测试本实施例的SiC增强6061铝基复合材料的抗拉强度为395MPa，断裂伸长率10％，弹性模量84GPa，致密度为99.8％。

实施例4

本实施例的高性能铝合金及其复合材料的制备方法包括如下步骤：

1)将平均粒径为24μm的球形2024铝合金粉末与粒径为1μm的SiC粉末通过球磨混合，在氩气保护气氛下，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，得到混合粉末；

2)将步骤1)选用外径100mm，内径95mm的不锈钢管作为包套材料，将混合粉末装入不锈钢包套内，施加40MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化。前述的进行旋锻致密化与强韧化是指：将填充混合粉末的钢管按照每次3mm的道次加工率进行室温旋锻，使钢管直径变为 50mm；把室温旋锻后的棒料在240℃条件下保温30min，然后按照5mm的道次加工率进行旋锻，使钢管直径变为30mm。

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除不锈钢包套，即得到SiC增强2024铝基复合材料。

采用室温拉伸性能测试本实施例的SiC增强2024铝基复合材料的抗拉强度为510MPa，断裂伸长率5.0％，弹性模量88GPa，致密度为99.8％。

实施例5：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：

步骤1)中的铝合金为Al-Li合金，铝合金粉末的粒径为5um，球磨转速为100r/min，球磨时间为0.5h；

增强体为片状石墨烯；步骤2)中的工艺参数有所区别，具体地，施加压力为30Mpa；在室温下，将装有粉末的包套按照每道次5mm的加工率进行旋锻，使其致密度达到97％以上；然后，将装有粉末的包套按照每道次5mm的加工率在150℃范围内进行温旋锻。

采用室温拉伸性能测试本实施例的铝基复合材料的抗拉强度为410MPa，断裂伸长率5.0％，弹性模量88GPa，致密度为99.7％。

实施例6：

本实施例与上述实施例2的区别仅在于：

步骤1)中的铝合金为Al-Fe合金，铝合金粉末的粒径为5um，球磨转速为200r/min，球磨时间为8h；

增强体为B4C；步骤2)中的工艺参数有所区别，具体地，施加压力为50Mpa；在室温下，将装有粉末的包套按照每道次2mm的加工率进行旋锻；然后，将装有粉末的包套按照每道次3mm的加工率在300℃范围内进行温旋锻。

采用室温拉伸性能测试本实施例的铝基复合材料的抗拉强度为500MPa，断裂伸长率5.0％，弹性模量87GPa。，致密度为99.7％。

此外，上述的铝合金还可以采用Al-Si合金、2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金、7xxx系铝合金中的任意一种，而增强体还可以采用颗粒状或短纤维状的碳纳米管、TiC、Al2O3、TiN中的至少一种。

Claims (8)

1.一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

1)将铝合金粉末和增强体粉末通过球磨混合得到混合粉末；

2)将步骤1)得到的混合粉末装入钢制包套内，施加30～50MPa压力，使粉末在包套内达到充实、紧密，然后除气、抽真空、封焊后，进行旋锻致密化与强韧化；

3)将步骤2)所得的坯料，加工去除钢制包套，即得到铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的旋锻致密化与强韧化为：首先，在室温下，将装有粉末的包套按照每道次0.5～10mm的加工率进行旋锻；然后，将装有粉末的包套按照每道次0.5～5mm的加工率在150～300℃范围内进行温旋锻。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的铝合金为Al-Li合金、Al-Fe合金、Al-Si合金、2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金、7xxx系铝合金中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述增强体为石墨烯、碳纳米管、SiC、B₄C、TiC、Al₂O₃、TiN中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述增强体为片状、颗粒状、短纤维状。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，球磨混合在氩气气氛保护下进行，且球磨转速为100～200r/min，球磨时间为0.5～8h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述铝合金粉末的粒径为5～200um。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所制备出的铝基复合材料的抗拉强度为380MPa以上，断裂伸长率为5.0％以上，弹性模量为81GPa以上。