CN115852206A - 一种铝基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种铝基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的铝基复合材料，所述铝基复合材料的制备原料包括铝基体和预制块；所述预制块包括Al、Ti、B4C和La2O3；所述Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3～4:1～2，所述Al、Ti和B4C的总质量和La2O3的质量比为100:1～5；所述铝基复合材料的制备原料中Ti的质量百分含量为2～5％。在本发明中，所述Al、Ti、B4C和La2O3能够反应形成TiC、Al3Ti、TiB2和Ti2Al20La增强粒子；同时La2O3能够降低TiC和TiB2粒子的团聚倾向，提高TiC和TiB2粒子的分散性，进而提高铝基复合材料的硬度和拉伸强度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种铝基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
传统的铝基复合材料的生产方法包括粉末冶金法、喷射成型法以及铸造方法等。这些方法都有一个共同点，就是需要提前制备好增强相，然后将增强相加入在熔融状态的基体中；但是外加的增强相在基体中的尺寸较大、界面结合不牢靠。
为了避免克服这些缺点，原位合成技术应运而出。原位合成技术涉及增强相组分之间或增强相组分与熔融铝基体之间的放热反应以产生陶瓷颗粒。通过原位合成技术制备得到的铝基复合材料中的晶粒比较细，界面清洁且增强颗粒均匀分布于合金基质中，并与合金基质之间具有良好润湿性。
但是现有的原位合成方法制备得到的铝基复合材料的抗拉强度和延伸率还有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种铝基复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的铝基复合材料具有较高的硬度和抗拉强度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铝基复合材料，所述铝基复合材料的制备原料包括铝基体和预制块；
所述预制块包括Al、Ti、B4C和La2O3；所述Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3～4:1～2，所述Al、Ti和B4C的总质量和La2O3的质量比为100:1～5；
所述铝基复合材料的制备原料中Ti的质量百分含量为2～5％。
优选的，所述预制块中Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3.75:1.25。
优选的，所述铝基复合材料中的物相包括α-Al相、Al3Ti相、TiC相、TiB2相和Ti2Al20La相。
优选的，所述铝基体为铝合金，所述铝合金包括6063铝合金。
本发明还提供了上述技术方案所述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将La2O3、Al、Ti和B4C混合后依次进行压制和保温处理，得到预制块；
将铝基体和所述预制块进行熔炼后浇铸，得到所述铝基复合材料。
优选的，所述浇铸后还包括后处理，所述后处理包括以下步骤：
将浇铸后产物依次进行固溶处理和时效处理，得到所述铝基复合材料；
所述固溶处理的温度为480～520℃，所述固溶处理的时间为0.5～2h；
所述时效处理的温度为180～190℃，所述时效处理的时间为3～9h。
优选的，所述混合包括以下步骤：将La2O3、Al、Ti和B4C进行球磨；所述球磨的转速为180～220r/min，球料比为2.8～3.2:1，时间为2.8～3.2h。
优选的，所述保温处理的温度为180～220℃，时间为2～5h。
优选的，所述熔炼包括以下步骤：
将铝基体熔化，得到铝液；
将所述铝液与预制块混合，得到熔液；
所述熔化的温度为760～850℃；所述混合的温度为760～850℃，时间为5～10min。
本发明还提供了上述技术方案所述铝基复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的铝基复合材料在汽车制造、建筑型材、灌溉管材中的应用。
本发明提供了一种铝基复合材料，所述铝基复合材料的制备原料包括铝基体和预制块；所述预制块包括Al、Ti、B4C和La2O3；所述Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3～4:1～2，所述Al、Ti和B4C的总质量和La2O3的质量比为100:1～5；所述铝基复合材料的制备原料中Ti的质量百分含量为2～5％。在本发明中，所述Al、Ti、B4C和La2O3能够反应形成TiC、Al3Ti、TiB2和Ti2Al20La增强粒子；同时La2O3能够降低TiC和TiB2粒子的团聚倾向，提高TiC和TiB2粒子的分散性，进而提高铝基复合材料的硬度和拉伸强度。
附图说明
图1为实施例1、2制备得到的铝基复合材料的SEM图，其中(c)为实施例1制备得到的铝基复合材料的SEM图，(d)为实施例2制备得到的铝基复合材料的SEM图；
图2为对比例1、2制备得到的铝基复合材料的SEM图，其中(a)为对比例1制备得到的铝基复合材料的SEM图，(b)为对比例2制备得到的铝基复合材料的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝基复合材料，所述铝基复合材料的制备原料包括铝基体和预制块；
所述预制块包括Al、Ti、B4C和La2O3；所述Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3～4:1～2，优选为5:3.75:1.25；所述Al、Ti和B4C的总质量和La2O3的质量比为100:1～5，优选为100～2.5～3.5；
所述铝基复合材料的制备原料中Ti的质量百分含量为2～5％，优选为3～5％，更优选为3.5～4.5％。
在本发明中，所述Al、Ti和B4C反应形成TiC、Al3Ti、TiB2增强粒子；La2O3能够降低TiC、TiB2粒子的团聚倾向，提高TiB2、TiC粒子的分散性，进而提高铝基复合材料的硬度和拉伸强度。
在本发明中，所述铝基体优选为铝合金，所述铝合金优选为6063铝合金。
在本发明中，所述铝基复合材料中的物相优选包括α-Al相、Al3Ti相、TiC相、TiB2相和Ti2Al20La相。在本发明中，所述TiC、TiB2相和Ti2Al20La相细化了铝基体中铝晶粒的粒径，提高了铝基复合材料的力学性能，进而提高了铝基复合材料的延伸率。
本发明提供的铝基复合材料具有较高的力学性能、特别具有优良的延展性。
本发明还提供了上述技术方案所述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将La2O3、Al、Ti和B4C混合后依次进行压制和保温处理，得到预制块；
将铝基体和所述预制块进行熔炼后浇铸，得到所述铝基复合材料。
本发明将La2O3、Al、Ti和B4C混合后依次进行压制和保温处理，得到预制块。在本发明中，所述La2O3、Al、Ti和B4C的形态优选独立的为粉末。在本发明中，所述La2O3粉末的粒径优选为1～50μm，更优选为3～25μm；所述Al粉末的粒径优选为60～100μm，更优选为61～75μm；所述Ti粉末的粒径优选为30～50μm，更优选为38～45μm；所述B4C粉末的粒径优选为20～40μm，更优选为30～35μm，最优选为35μm。
在本发明中，所述混合优选包括以下步骤：将La2O3、Al、Ti和B4C进行球磨。在本发明中，所述球磨的转速优选为180～220r/min，更优选为190～200r/min；所述球磨的球料比优选为2.8～3.2:1，更优选为2.9～3:1；所述球磨的时间优选为2.8～3.2h，更优选为2.9～3h。
在本发明中，所述压制后产物的致密度优选为58～62％，更优选为60％。本发明对压制后产物的形状和尺寸无特殊限定，根据需要进行限定即可。在本发明的实施例中，所述压制后产物为直径为25mm，高度为50mm的圆柱体。本发明对所述压制的方式无特殊限定，采用本领域常规的方式即可。在本发明的实施例中，所述压制用装置为压力机。
在本发明中，所述保温处理的温度优选为180～220℃，更优选为190～200℃；所述保温处理的时间优选为2～5h，更优选为3～4h。本发明经过保温处理能够减少预制块中的水分，从而促进元素组分之间的反应进而得到所需物相。
得到预制块后，本发明将铝基体和所述预制块进行熔炼后浇铸，得到所述铝基复合材料。在本发明中，所述铝基体优选为铝合金，所述铝合金优选为6063铝合金。在本发明中，所述熔炼优选包括以下步骤：
将铝基体熔化，得到铝液；
将所述铝液与预制块混合，得到熔液。
在本发明中，所述熔化的温度优选为760～850℃，更优选为780～800℃；本发明对所述熔化的时间无特殊限定，只要能够使铝基体完全熔化即可。本发明对所述熔化的装置无特殊限定，采用本领域常规的熔化装置即可。在本发明的实施例中，熔化在硅碳棒电阻炉中进行。在本发明中，所述铝液与预制块混合的温度优选为760～850℃，更优选为780～800℃；时间优选为5～10min，更优选为6～8min。
在本发明中，所述浇铸用模具优选为钢质模具，本发明对所述模具的形状和尺寸无特殊限定，根据需要进行设定即可。在本发明的实施例中，所述模具为内径为45mm，外径为70mm，高为70mm的环形钢模。
在本发明中，所述浇铸后还优选包括后处理，所述后处理优选包括以下步骤：
将浇铸后产物依次进行固溶处理和时效处理，得到所述铝基复合材料。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为480～520℃，更优选为500℃；所述固溶处理的时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为180～190℃，更优选为185～188℃；所述时效处理的时间优选为3～9h，更优选为5～7h。
本发明经过后处理能够显著提高复合材料的断后伸长率。本发明经过固溶处理将铝基体中镁、硅等合金元素充分溶解到固溶体中，以得到过饱和固溶体；这种过饱和固溶体不稳定，经过时效处理合金元素再次析出，并以Mg2Si等增强相的形式分布在晶内和晶界处，从而提高了铝基复合材料的力学性能并改善了铝基复合材料的理化性能。
本发明还提供了上述技术方案所述铝基复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的铝基复合材料在汽车制造、建筑型材、灌溉管材中的应用。在本发明中，所述应用优选为将所述铝基复合材料作为高压密封材料、安全起落架材料或座椅材料。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将粒径为3～25μm的La2O3粉、粒径为61～75μm的Al粉、粒径为38～45μm的Ti粉和粒径为35μm的B4C粉置于球磨机中，在转速为200r/min，球料比为3:1的条件下球磨3h；其中Al粉、Ti粉和B4C粉的摩尔比为5:3.75:1.25，Al粉、Ti粉和B4C粉的总质量和La2O3粉的质量比为100:3；
将球磨后混合物压制为致密度为60％，直径为25mm，高度为50mm的圆柱体；将压制得到的圆柱体200℃保温处理4h，得到预制块；
将6063铝合金在硅碳棒电阻炉中800℃熔化，得到铝液；将预制块和铝液混合后800℃保温8min，得到熔液；熔液中Ti的质量百分含量为4％；
将熔液在内径为45mm，外径为70mm，高为70mm的环形钢模中进行浇铸；
将浇铸后的产物与500℃固溶处理1h后与185℃时效处理5h，得到铝基复合材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备铝基复合材料，不同之处在于，熔液中Ti的质量百分含量为2％。
对比例1
按照实施例1的方法制备铝基复合材料，不同之处在于，熔液中Ti的质量百分含量为6％。
对比例2
按照实施例1的方法制备铝基复合材料，不同之处在于，不进行固溶处理和时效处理。
对实施例1～2和对比例1～2制备得到的铝基复合材料进行扫描电镜检测，得到SEM图，如图1和2所示，其中图1为实施例1～2制备得到的铝基复合材料的SEM图，(c)为实施例1制备得到的铝基复合材料的SEM图，(d)为实施例2制备得到的铝基复合材料的SEM图；图2为对比例1～2制备得到的铝基复合材料的SEM图，(a)为对比例1制备得到的铝基复合材料的SEM图，(d)为对比例2制备得到的铝基复合材料的SEM图。
由图1和图2可知，当铝基复合材料(熔液)中Ti的质量百分含量为4％或2％时，如图1c和图1d，制备的复合材料中的第二相主要有TiC、Al3Ti、TiB2和Ti2Al20La增强粒子，且粒子数量多且尺寸小，均匀分布在6063合金中。而当铝基复合材料中Ti的质量百分含量为6％时，如图2a，制备的复合材料中的第二相主要有Al3Ti粒子，且尺寸较大。进一步的如图2b所示，若不进行固溶处理和时效处理，合金中Mg2Si增强相的数量也非常少，这不利于复合材料综合性能的提高。
对实施例1～2和对比例1～2制备得到的铝基复合材料进行硬度测试，将得到的维氏硬度列于表1中。
表1实施例1～2和对比例1～2制备得到的铝基复合材料的维氏硬度
对实施例1～2和对比例1～2制备得到的铝基复合材料进行拉伸性能测试，且测试结果列于表2中。
表2实施例1～2和对比例1～2制备得到的铝基复合材料的拉伸性能
由表1和表2可以看出，在采用本发明制备铝基复合材料时，控制铝基复合材料中Ti的质量百分含量为2～5％，且采取合适固溶处理和时效处理工艺，可以提高铝基复合材料的延伸率和抗拉强度，特别是铝基复合材料的延伸率获得大幅度提升。
对比实施例1、2和对比例1的检测结果证明铝基复合材料中Ti的含量会影响铝基复合材料的抗拉强度和延伸率，只有限定Ti在铝基复合材料中的含量在2～5％的范围内才能制备得到高抗拉强度和高延伸率的铝基复合材料。
对比实施例1、2和对比例2的检测结果证明经过固溶处理和时效处理能够提高铝基复合材料的抗拉强度和延伸率。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种铝基复合材料，所述铝基复合材料的制备原料包括铝基体和预制块；
所述预制块包括Al、Ti、B4C和La2O3；所述Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3～4:1～2，所述Al、Ti和B4C的总质量和La2O3的质量比为100:1～5；
所述铝基复合材料的制备原料中Ti的质量百分含量为2～5％。
2.根据权利要求1所述铝基复合材料，其特征在于，所述预制块中Al、Ti和B4C的摩尔比为5:3.75:1.25。
3.根据权利要求1所述铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料中的物相包括α-Al相、Al3Ti相、TiC相、TiB2相和Ti2Al20La相。
4.根据权利要求1所述铝基复合材料，其特征在于，所述铝基体为铝合金，所述铝合金包括6063铝合金。
5.权利要求1～4任一项所述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将La2O3、Al、Ti和B4C混合后依次进行压制和保温处理，得到预制块；
将铝基体和所述预制块进行熔炼后浇铸，得到所述铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述浇铸后还包括后处理，所述后处理包括以下步骤：
将浇铸后产物依次进行固溶处理和时效处理，得到所述铝基复合材料；
所述固溶处理的温度为480～520℃，所述固溶处理的时间为0.5～2h；
所述时效处理的温度为180～190℃，所述时效处理的时间为3～9h。
7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述混合包括以下步骤：将La2O3、Al、Ti和B4C进行球磨；所述球磨的转速为180～220r/min，球料比为2.8～3.2:1，时间为2.8～3.2h。
8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述保温处理的温度为180～220℃，时间为2～5h。
9.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述熔炼包括以下步骤：
将铝基体熔化，得到铝液；
将所述铝液与预制块混合，得到熔液；
所述熔化的温度为760～850℃；所述混合的温度为760～850℃，时间为5～10min。
10.权利要求1～4任一项所述铝基复合材料或权利要求5～9任一项所述制备方法制备得到的铝基复合材料在汽车制造、建筑型材、灌溉管材中的应用。
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2022
- 2022-08-30 CN CN202211048445.8A patent/CN115852206A/zh active Pending
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