CN114083103A - 增强相分布可控的铝基复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，属于铝合金复合材料制备技术领域，解决铝基复合材料中增强相难以控制的技术问题，解决方案为：1.将铝合金表面自生成的氧化铝膜作为增强相；2.利用层状结构改善增强相的分布，使用不同层数控制增强相的层状分布；3.利用热压焊合以及波纹轧制破坏层状结构材料中氧化铝膜的完整性，使用不同的压缩量或者轧制速度及状态，使层与层间的氧化膜破裂，漏出新鲜金属液促进层状金属的结合；4.多向压缩改变层状碎裂氧化膜的分布状态，得到可控增强相分布的高性能铝基复合材料。本发明实质上是一种超细晶和粗晶相结合的多层非均匀层状复合结构，超越了传统方式对强塑性的改善，有利于材料安全性的提高。
Description
技术领域
本发明属于铝合金复合材料制备技术领域，具体涉及一种增强相分布可控的铝基复合材料制备方法。
背景技术
铝基复合材料虽然具有优良的性能，但在复合材料的制备过程中仍然有很多难以克服的困难。因为基体铝合金和增强相颗粒间的润湿角一般都很大，结合有一定的困难，其制备过程也多种多样。在传统的铸造过程中，颗粒相的添加与融入不容易进行，用常规方法所制备的金属复合材料，颗粒在基体中以杂质的形式出现，其力学性能反而不如基体材料，尤其是纳米级的增强相颗粒，颗粒具有很高的表面能，促进了纳米颗粒的团聚，所以这些颗粒的加入，不仅不能在基体中形成有效的颗粒增强作用，也会使增强相颗粒与基体间的结合失效，弱化复合材料的力学性能。只有在特定的搭配条件下，使增强相分布均匀，两种材料融为一体，优势得到互补，才能减少单独发挥时的不足，进而复合材料的性能得到改善。综上所述，颗粒在基体中的团聚、与基体的界面结合不牢固，直接影响材料的使用性能。
在当今资源节约型的社会大背景下，颗粒增强铝基复合材料制备方法的创新及新型材料的研发显得越来越重要，只有技术的革新才能够节约资源，降低成本，提高生产效率，带来更多更大的经济效益。层状结构复合材料的制备，具有一定的优势，可控增强相的分布。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术部分所述的不足，提供一种增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，采用扩散连接+波纹轧制复合工艺，制备出增强相呈层状结构分布的铝基复合材料，实质上是一种超细晶和粗晶相结合的多层非均匀层状结构，超越了传统方式对强塑性的改善，有利于材料安全性的提高，而且大大节约了成本，有助于增加经济效益。
本发明的设计构思为：
1.将铝合金表面生成的氧化铝膜(可为自生氧化膜，也可为阳极氧化后生成的膜)作为增强相；
2.利用层状结构改善增强相的分布，使用不同层数控制增强相的层状分布；
3.利用热压焊合以及波纹轧制破坏层状结构材料中氧化铝膜的完整性，使用不同的压缩量或者轧制速度及状态，使层与层间的氧化膜破裂，漏出新鲜金属液促进层状金属的结合；
4.多向压缩改变层状碎裂氧化膜的分布状态，得到可控增强相分布的高性能铝基复合材料。
本发明采用的技术方案如下：
增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，依次包括以下步骤：
S1、铝合金板材氧化处理：
首先，切取厚度为5mm的铝合金板材，使用磨床对铝合金板材的表面进行抛光；
然后，将抛光后的铝合金板材在空气中自然氧化；
最后，取氧化后的铝合金板材和未进行氧化处理的板材的表面分别进行两次砂纸打磨，两次打磨的方向相互垂直，制得的板坯留待后步使用；
S2、将步骤S1制得的氧化后的板坯与未氧化的板坯叠放，然后用锡纸包裹，并用真空包装机进行抽真空，制得层叠圆柱备用；
S3、热压扩散连接：
将步骤S2制得的层叠圆柱放入加热炉中加热至300℃，升温速率为5℃/min，升温的同时向层叠圆柱两端施加恒载力，恒载力的方向为沿轴线方向的挤压变形以及沿圆周方向的扭转变形，恒载力的大小为25～55MPa，保温时间为30min，应变速率为0.1s-1，通过恒载力进行保温扩散焊合连接及热压扭挤变形，热压变形量为50％，制得厚度为5mm的双层预焊合柱坯；
S4、首先，重复上述步骤S1～S3制得若干块双层预焊合柱坯；然后，将若干块双层预焊合柱坯叠放，再次重复步骤S3，制得焊合柱坯；
S4、轧制成形
将步骤S3扩散连接后的预焊合柱坯首先通过波纹辊轧制成形，压至厚度为3mm，再进行平辊轧制，制得2mm厚具有非均匀层状结构的铝合金坯料，轧制的压下速率为20mm/min；
S5、退火处理：
将步骤S4制得的具有非均匀层状结构的铝合金坯料放入加热炉中进行退火，温度为300℃，保温时间为3h，制得具有不同氧化铝分布的层状结构的铝基复合材料。
进一步的，在所述步骤S1中，使用浓度为180g/L的硫酸，在温度为20℃和电流密度为2A·dm2的工艺条件下进行阳极氧化，得到具有氧化膜的铝合金试样。
进一步的，在所述步骤S4中，所述波纹辊轧制过程中，上工作辊为波纹辊，下工作辊为光滑辊；所述平辊轧制过程的上下工作辊均为光滑辊。
进一步的，在所述步骤S4中，压制成形过程中，在热压后的圆柱上下表面涂抹润滑脂，并用石墨纸粘在端面上。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明制得的具有可控增强相分布的层状结构的铝基复合材料，层状结构能使连接界面处的氧化膜均匀分散到相邻层，软区(AR层)与硬区(CR层)晶粒尺寸、析出物数量均不同，层内晶粒结构、位错存在差异，界面上形成了含等轴晶的非均匀区域，非均匀变形诱导强化和加工硬化，实现优异的强塑性结合。
附图说明
图1为本发明制得的铝基复合材料层间断裂形貌图。
图2为保温阶段不同恒载力制得的非均匀层状结构铝基复合材料的能谱图，图(a)中恒载力为25MPa，图(b)中恒载力为35MPa，图(c)中恒载力为45MPa，图(d)中恒载力为55MPa。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，依次包括以下步骤：
S1、铝合金板材氧化处理：
首先，使用DK7735电火花数控线切割机床切取厚度为5mm的铝合金板材，使用磨床对铝合金板材的表面进行抛光；
然后，将抛光后的铝合金板材进行氧化处理：将抛光后的铝合金板材在空气中自然氧化；或者使用浓度为180g/L的硫酸，在温度为20℃和电流密度为2A·dm2的工艺条件下进行阳极氧化，得到具有氧化膜的铝合金试样；
最后，取氧化后的铝合金板材和未进行氧化处理的板材的表面分别进行两次砂纸打磨，两次打磨的方向相互垂直，制得的板坯留待后步使用，打磨的目的是将氧化膜划开、破碎；
S2、将步骤S1制得的氧化后的板坯与未氧化的板坯叠放，然后用锡纸包裹，并用真空包装机进行抽真空，制得层叠圆柱备用；
S3、热压扩散连接：
将步骤S2制得的层叠圆柱放入加热炉中加热至300℃，升温速率为5℃/min，升温的同时向层叠圆柱两端施加恒载力，恒载力的方向为沿轴线方向的挤压变形以及沿圆周方向的扭转变形，在本实施例中恒载力的大小分别为25MPa、35MPa、45MPa以及55MPa，保温时间为30min，应变速率为0.1s-1，通过恒载力进行保温扩散焊合连接及热压扭挤变形，热压变形量为50％，制得厚度为5mm的双层预焊合柱坯；
S4、首先，重复上述步骤S1～S3制得四块双层预焊合柱坯；然后，将四块双层预焊合柱坯叠放，再次重复步骤S3，上下工作辊均为光滑辊，制得焊合柱坯，步骤S4达到分散层间的氧化铝的目的；
S4、轧制成形
将步骤S3扩散连接后的预焊合柱坯首先通过波纹辊轧制成形，上工作辊为波纹辊，下工作辊为光滑辊，压至厚度为3mm；再进行平辊轧制，制得2mm厚具有非均匀层状结构的铝合金坯料，轧制的压下速率为20mm/min；压制成形过程中，在热压后的圆柱上下表面涂抹润滑脂，并用石墨纸粘在端面上；
S5、退火处理：
微观组织结构是制备高性能非均匀层状结构铝合金的关键。考虑到非均匀层状结构铝合金获得高强度的一个重要方式是通过固溶强化，通过使非均匀层状结构铝合金在不同温度和时间进行热处理，利用沉淀强化来发挥合金的潜力，获得预期的强化效果。
将步骤S4制得的具有非均匀层状结构的铝合金坯料放入加热炉中进行退火，温度为300℃，保温时间为3h，制得具有不同氧化铝分布的层状结构的铝基复合材料，其层间断裂形貌图如图1所示。
如图2所示，热压焊合过程中不同恒载力扭挤成形条件下增强相与基体的结合状态，在25MPa压力下，氧化膜未破碎，属于亲密接触，随着压力的增加，在35MPa和45MPa时氧化层破裂漏出新基体，同时存在裂缝，到55MPa时，裂缝消失，新金属紧密接触，增加了复合材料的界面结合性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
S1、铝合金板材氧化处理：
首先，切取厚度为5mm的铝合金板材，使用磨床对铝合金板材的表面进行抛光；
然后，将抛光后的铝合金板材在空气中自然氧化；
最后，取氧化后的铝合金板材和未进行氧化处理的板材的表面分别进行两次砂纸打磨，两次打磨的方向相互垂直，制得的板坯留待后步使用；
S2、将步骤S1制得的氧化后的板坯与未氧化的板坯叠放，然后用锡纸包裹，并用真空包装机进行抽真空，制得层叠圆柱备用；
S3、热压扩散连接：
将步骤S2制得的层叠圆柱放入加热炉中加热至300℃，升温速率为5℃/min，升温的同时向层叠圆柱两端施加恒载力，恒载力的方向为沿轴线方向的挤压变形以及沿圆周方向的扭转变形，恒载力的大小为25～55MPa，保温时间为30min，应变速率为0.1s-1，通过恒载力进行保温扩散焊合连接及热压扭挤变形，热压变形量为50％，制得厚度为5mm的双层预焊合柱坯；
S4、首先，重复上述步骤S1～S3制得若干块双层预焊合柱坯；然后，根据需要将若干块双层预焊合柱坯叠放，再次重复步骤S3，制得焊合柱坯；
S4、轧制成形
将步骤S3扩散连接后的预焊合柱坯首先通过波纹辊轧制成形，压至厚度为3mm，再进行平辊轧制，制得2mm厚具有非均匀层状结构的铝合金坯料，轧制的压下速率为20mm/min；
S5、退火处理：
将步骤S4制得的具有非均匀层状结构的铝合金坯料放入加热炉中进行退火，温度为300℃，保温时间为3h，制得具有不同氧化铝分布的层状结构的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，使用浓度为180g/L的硫酸，在温度为20℃和电流密度为2A·dm2的工艺条件下进行阳极氧化，得到具有氧化膜的铝合金试样。
3.根据权利要求1所述的增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，所述波纹辊轧制过程中，上工作辊为波纹辊，下工作辊为光滑辊；所述平辊轧制过程的上下工作辊均为光滑辊。
4.根据权利要求1所述的增强相分布可控的铝基复合材料制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，压制成形过程中，在热压后的圆柱上下表面涂抹润滑脂，并用石墨纸粘在端面上。
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| CN116871322A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 太原理工大学 | 基于多道次轧制成形的颗粒增强层状金属复合板制备方法 |
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2021
- 2021-11-15 CN CN202111350368.7A patent/CN114083103B/zh active Active
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| CN116871322B (zh) * | 2023-09-08 | 2024-02-27 | 太原理工大学 | 基于多道次轧制成形的颗粒增强层状金属复合板制备方法 |
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