CN114807683A - 一种钛合金点阵增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金点阵增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金点阵结构增强铝基复合材料及其制备方法。所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料包括Ti‑6Al‑4V点阵增强体和铝基体，所述Ti‑6Al‑4V点阵增强体为二维圆形或二维蜂窝结构。本发明通过设计Ti‑6Al‑4V点阵增强体的点阵结构的三维模型，通过选区激光熔化将Ti‑6Al‑4V金属粉末成型；将铝基体和Ti‑6Al‑4V点阵增强体在真空环境下加热至700℃‑850℃，利用惰性气体加压将铝基体浸渗入Ti‑6Al‑4V点阵增强体的点阵结构中；冷却，得到钛合金点阵结构增强铝基复合材料。本发明制备的复合材料的结构精确可控，因此性能可得到有效调控，具有高比强度、高弹性模量的优异特性。

Description

一种钛合金点阵增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种钛合金点阵结构增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
在航空航天领域，轻质、高强是其结构材料永远的追求目标；而材料具有较高的比强度和比刚度，就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力，即运载能力可得到提升。而结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷，这样在增加飞行距离的同时可以提高单位结构重量的效费比；因此，高的比强度和比模量可以提高材料的寿命，减少能源的消耗，提高能源的利用率。
铝合金具有密度小、耐蚀性好、比强度高等优点，是轻量化的最佳材料之一。近100年来，铝合金在航空航天器机体结构材料的应用一直长盛不衰。人们对航空航天用的铝合金在成分及合成方法、轧制/挤压/锻造/热处理等工艺、零件加工、材料及结构服役性能表征等方面都开展了深入的系统研究，材料产品发展已形成系列化，在应用方面也取得了一系列显著成果。但是目前工业铝合金的最高抗拉强度低于700MPa，难以和高强度钢、钛合金竞争。2010年《科学》杂志刊载了评论文章《金属材料的未来》，就指出:铝合金太软，提高铝合金竞争能力的关键在于不牺牲其他性能的前提下提高强度。因此开发高强铝合金迫在眉睫。
通过在铝合金基体中引入增强相获得铝基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。传统铝基复合材料的增强体以随机分布的颗粒或纤维为主，其组织结构无法得到精确地调控，性能往往也不能得到有效的调控和提升。因此，增强相结构的可调控性显得尤为重要；中国专利202010370286.8，发明名称为“以钛或钛合金为骨架增强体的镁基复合材料及制备方法”，采用真空压力浸渗中的无压浸渗和真空浸渗制备出了一种新型的镁基复合材料，该复合材料的增强体可以进行精确的设计与控制，从而实现有序的组织结构和有效的强韧化搭配；但是由于在制备过程中未施加压力，不可避免的会出现较多的气孔、缩孔等铸造缺陷。真空压力浸渗中的压力浸渗通过惰性气体对材料施加压力，其压力容易控制，可以减少无压浸渗所带来的铸造缺陷，同时提高材料的致密度。
目前尚未有文献报道利用真空压力浸渗中的压力浸渗制备具有可调控组织的铝基复合材料，因此采用压力浸渗制备出具有优异力学性能的铝基复合材料具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种以钛合金点阵结构为增强体的铝基复合材料及其制备方法。采用3D打印技术实现对钛合金骨架结构的精确设计和控制，采用真空压力浸渗技术将铝基体浸渗到钛合金骨架中，在浸渗过程中对熔融态铝基体施加压力，可以减少缩孔、缩松等铸造缺陷，得到良好的界面结合，使得铝基体和钛骨架增强体在变形的过程中能够更好地相互限制，进而获得一种兼具高比强度、高弹性模量且性能可精确调控的铝基复合材料。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种钛合金点阵结构增强铝基复合材料，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料包括Ti-6Al-4V点阵增强体和铝基体，所述Ti-6Al-4V点阵增强体为二维圆形或二维蜂窝结构。
优选的，所述铝基体为7075铝合金。
优选的，所述Ti-6Al-4V点阵增强体的体积分数为40％～80％。
优选的，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料的理论密度为3.45～4.11g/cm3。
优选的，所述二维圆形或二维蜂窝结构的孔均呈平面密排分布；任意一个孔被周围6个孔环绕；所述二维圆形结构的圆形孔孔径为0.1～3mm；所述二维蜂窝结构的正六边形边长为0.1～3mm；所述二维圆形或二维蜂窝结构的壁厚为0.2～2mm。
优选的，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料的抗压强度为930-1172MPa，比强度为262-311MPa/g/cm3，弹性模量为92-102GPa。
上述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)设计Ti-6Al-4V点阵增强体的点阵结构，利用Solidworks软件建立点阵结构的三维模型，通过选区激光熔化将Ti-6Al-4V金属粉末成型，对成型后的Ti-6Al-4V点阵增强体进行磨粒流抛光处理；
(2)将铝基体和步骤(1)的Ti-6Al-4V点阵增强体在真空环境下加热至700℃-850℃，使铝基体完全熔化，利用惰性气体加压将铝基体浸渗入Ti-6Al-4V点阵增强体的点阵结构中；
(3)停止加热，冷却，得到钛合金点阵结构增强铝基复合材料。
优选的，所述磨粒流抛光处理的磨料为SiC，压力为30-60Kg，时间为0.5-1h。
优选的，所述真空环境的真空度为80-100Pa；
优选的，步骤(2)中，所述加热的过程为：以8-10℃/min的升温速率从室温25℃升高至350-400℃，保温10-15min，然后以6-8℃/min的升温速率升高至550-600℃，保温10-15min，最后以3-5℃/min的速率升高至700℃-850℃，保温10-15min；
优选的，步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述加压的压力为0-2.5MPa，所述加压的时间为1-2min，保压时间为5-10min。
本发明的制备方法及所得复合材料具有如下优点及有益效果：
(1)本发明得到的复合材料在没有明显增加铝合金密度的情况下显著提高了材料的强度、刚度，因此材料的比强度、比刚度得到了显著提升；
(2)本发明中钛合金点阵结构的制备方法充分利用了3D打印技术的优势，点阵增强体的结构可以进行精确设计与控制，从而可以有效调控复合材料的结构和力学性能；
(3)本发明的复合材料的制备方法具有工艺简单、流程短、可操作性强等特点，可以在其他材料体系进行推广。
附图说明
图1为本发明实施例1通过浸渗的钛合金点阵结构增强铝基复合材料实物图。
图2为本发明实施例1的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
图3为本发明实施例2通过浸渗制备的钛合金点阵结构增强铝基复合材料实物图。
图4为本发明实施例2的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
图5为本发明实施例3的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
图6为本发明实施例4的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
图7为本发明实施例5的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
图8为本发明实施例6的钛合金点阵结构增强铝基复合材料表面的背散射电子形貌图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
本实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)利用三维建模软件Solidworks设计具有圆形孔结构的Ti-6Al-4V钛合金点阵，建立点阵的三维模型。利用EOSINT M280型金属3D打印机打印得到Ti-6Al-4V钛合金点阵结构，该骨架的尺寸为Ф26×15mm，孔隙率为40％，孔径约为1mm，点阵内部壁厚为0.5mm；
(2)将步骤(1)打印得到的Ti-6Al-4V钛合金点阵进行磨粒流处理，磨料为SiC，压力为50Kg，时间为0.5h；
(3)将步骤(2)得到的Ti-6Al-4V钛合金点阵放入直径30mm的刚玉坩埚中，再将待浸渗的7075铝合金块放置于Ti-6Al-4V点阵上方；
(4)使用真空压力液态金属浸渗炉制备钛合金点阵增强铝基复合材料，通过设备的升降机构将装有Ti-6Al-4V点阵与7075铝合金块的刚玉坩埚升入电阻炉炉管内部，封闭炉管，抽取真空，待真空度达到100Pa，开始升温，以10℃/min的升温速率从室温升至350℃，保温10min，以8℃/min的升温速率从350℃升至600℃，保温10min，以5℃/min的升温速率从600℃升至750℃，保温15min；
(5)保温结束后，关闭真空泵，使用惰性气体氩气进行加压，加压时间为2min，压力为0.5MPa，保压5min；
(6)保温保压结束后，使样品随炉冷却，冷却后，取出样品，去除多余的铝料。图2为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好。
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料(图1)的抗压强度达1172MPa，密度为3.76g/cm3，比强度为311MPa/g/cm3，弹性模量为102GPa。
实施例2
本实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)该步骤与实施例1中的步骤(1)类似，不同之处在于骨架为蜂窝结构，该骨架的尺寸为Ф12×15mm，孔隙率为40％，对应的六边形边长为1mm，壁厚为0.5mm；
(2)该步骤与实施例1中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例1中的步骤(3)类似，不同之处在于所用坩埚直径为16mm；
(4)该步骤与实施例1中的步骤(4)相同；
(5)该步骤与实施例1中的步骤(5)相同；
(6)该步骤与实施例1中的步骤(6)相同；
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料(图3)的抗压强度达1100MPa，密度为3.77g/cm3，比强度为292MPa/g/cm3，弹性模量为100.3GPa。图4为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好。
实施例3
本实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)该步骤与实施例2中的步骤(1)类似，不同之处在于骨架的孔隙率为60％，对应的六边形边长为2mm，壁厚为0.2mm；
(2)该步骤与实施例2中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例2中的步骤(3)相同；
(4)该步骤与实施例2中的步骤(4)相同；
(5)该步骤与实施例2中的步骤(5)相同；
(6)该步骤与实施例2中的步骤(6)相同；
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料的抗压强度达930MPa，密度为3.45g/cm3，比强度为269MPa/g/cm3，弹性模量为93GPa。图5为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好。
实施例4
本实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)该步骤与实施例3中的步骤(1)类似，不同之处在于骨架为圆形结构，孔隙率为40％，孔径为1mm，壁厚为0.5mm；
(2)该步骤与实施例3中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例3中的步骤(3)相同；
(4)使用真空压力液态金属浸渗炉制备钛合金点阵增强铝基复合材料，通过设备的升降机构将装有Ti-6Al-4V点阵与7075铝合金块的刚玉坩埚升入电阻炉炉管内部，封闭炉管，抽取真空，待真空度达到80Pa，开始升温，以10℃/min的升温速率从室温升至350℃，保温10min，以8℃/min的升温速率从350℃升至600℃，保温10min，以5℃/min的升温速率从600℃升至800℃，保温15min；
(5)该步骤与实施例3中的步骤(5)相同；
(6)该步骤与实施例3中的步骤(6)相同；
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料的抗压强度达1042MPa，密度为3.73g/cm3，比强度为279MPa/g/cm3，弹性模量为97GPa。图6为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好。
实施例5
本实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)该步骤与实施例4中的步骤(1)相同；
(2)该步骤与实施例4中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例4中的步骤(3)相同；
(4)使用真空压力液态金属浸渗炉制备钛合金点阵增强铝基复合材料，通过设备的升降机构将装有Ti-6Al-4V点阵与7075铝合金块的刚玉坩埚升入电阻炉炉管内部，封闭炉管，抽取真空，待真空度达到87.5Pa，开始升温，以10℃/min的升温速率从室温升至350℃，保温10min，以8℃/min的升温速率从350℃升至600℃，保温10min，以5℃/min的升温速率从600℃升至700℃，保温15min；
(5)该步骤与实施例4中的步骤(5)相同；
(6)该步骤与实施例4中的步骤(6)相同；
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料的抗压强度达1020MPa，密度为3.75g/cm3，比强度为272MPa/g/cm3，弹性模量为95GPa。图7为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好。
实施例6
实施例中，钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备所用的原材料为：平均粒径为20μm Ti-6Al-4V粉末、圆柱状7075铝合金块。具体制备工艺如下：
(1)该步骤与实施例5中的步骤(1)相同；
(2)该步骤与实施例5中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例5中的步骤(3)相同；
(4)使用真空压力液态金属浸渗炉制备钛合金点阵增强铝基复合材料，通过设备的升降机构将装有Ti-6Al-4V点阵与7075铝合金块的刚玉坩埚升入电阻炉炉管内部，封闭炉管，抽取真空，待真空度达到85.6Pa，开始升温，以10℃/min的升温速率从室温升至350℃，保温10min，以8℃/min的升温速率从350℃升至600℃，保温10min，以5℃/min的升温速率从600℃升至750℃，保温15min；
(5)保温结束后，关闭真空泵，不施加压力，直接浸渗，浸渗时间与实施例5的保压时间相同，即5min；
(6)浸渗结束后，使样品随炉冷却，冷却后，取出样品，去除多余的铝料；
经检测钛合金点阵增强铝基复合材料的抗压强度达980MPa，密度为3.74g/cm3，比强度为262MPa/g/cm3，弹性模量为92GPa。图8为浸渗得到的复合材料形貌图，由图可以看出，该复合材料界面结合良好，但是由于未加压力，试样中存在明显的缩孔，会明显降低材料的性能。
上述实施例结果表明钛合金点阵结构增强铝基复合材料具有轻质、高强等优异特性，该复合材料的比强度可达311MPa/g/cm3，远高于目前工业铝合金的比强度259MPa/g/cm3，并且其结构和力学性能具有可调控性，因此作为新型结构功能一体化材料具有可观的应用前景。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料包括Ti-6Al-4V点阵增强体和铝基体，所述Ti-6Al-4V点阵增强体为二维圆形或二维蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝基体为7075铝合金。
3.根据权利要求1所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述Ti-6Al-4V点阵增强体的体积分数为40％～80％。
4.根据权利要求1所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料的理论密度为3.45～4.11g/cm3。
5.根据权利要求1所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述二维圆形或二维蜂窝结构的孔均呈平面密排分布；任意一个孔被周围6个孔环绕；所述二维圆形结构的圆形孔孔径为0.1～3mm；所述二维蜂窝结构的正六边形边长为0.1～3mm；所述二维圆形或二维蜂窝结构的壁厚为0.2～2mm。
6.根据权利要求1所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述钛合金点阵结构增强铝基复合材料的抗压强度为930-1172MPa，比强度为262-311MPa/g/cm3，弹性模量为92-102Gpa。
7.权利要求1-6任一项所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计Ti-6Al-4V点阵增强体的点阵结构，利用Solidworks软件建立点阵结构的三维模型，通过选区激光熔化将Ti-6Al-4V金属粉末成型，对成型后的Ti-6Al-4V点阵增强体进行磨粒流抛光处理；
(2)将铝基体和步骤(1)的Ti-6Al-4V点阵增强体在真空环境下加热至700℃-850℃，使铝基体完全熔化，利用惰性气体加压将铝基体浸渗入Ti-6Al-4V点阵增强体的点阵结构中；
(3)停止加热，冷却，得到钛合金点阵结构增强铝基复合材料。
8.根据权利要求7所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述磨粒流抛光处理的磨料为SiC，压力为30-60Kg，时间为0.5-1h。
9.根据权利要求5所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空环境的真空度为80-100Pa；
所述加热的过程为：以8-10℃/min的升温速率从室温升高至350-400℃，保温10-15min，然后以6-8℃/min的升温速率升高至550-600℃，保温10-15min，最后以3-5℃/min的速率升高至700℃-850℃，保温10-15min。
10.根据权利要求5所述的钛合金点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述加压的压力为0-2.5MPa，所述加压时间为1-2min，保压时间为5-10min。
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