CN116005025A - 多组元铝基复合材料均匀可控制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，具体包括以下步骤：步骤1，制备团簇结构；步骤2，制备坯料；步骤3，热压烧结后得到铝基复合材料。本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中利用低能球磨‑混粉‑热压烧结的工艺制备了的多组元铝基复合材料，组分可调，均匀性可控，避免了基体合金和增强相性能的发挥不充分，可通过合金化元素和增强相的种类和尺度调整材料的性能，达到目标性能要求；本发明制备方法中团簇结构形成的微观结构增加了位错开动和运动的空间提升材料的韧性，可控界面阻碍有助于抵抗塑性变形提高强度，SiC颗粒的弥散分布有助于提高材料的物理性能，使得铝基复合材料获得更好的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于铝基复合材料技术领域，具体涉及一种多组元铝基复合材料均匀可控制备方法。
背景技术
随着装备用材料的更新换代，铝基复合材料作为一种具有潜在应用前景的材料，因其比刚度高、比强度高、热膨胀系数小、耐磨、耐热性能好及优良的尺寸稳定性等优异特点，被广泛应用在航空航天、军工等领域。其中，中高体积分数SiC/Al复合材料具有优异的微屈服强度、比刚度、适中的热膨胀系数和高的弹性模量，已经成功应用于航空航天领域的惯性导航和精密仪表、发动机领域的制动系统零件之中。SiC/Al复合材料具有强的可设计性，目前较为普遍的方法是通过基体和增强相的选择、增强相的混杂、增强相的多尺度来调节材料各项性能。本文提供一种多级结构多组元设计方法来调节材料的性能。
专利CN201811162367.8报道了一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，增强相为混杂颗粒，包括微米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒，其中微米SiC颗粒为外加，纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒由原位反应制得，热压模锻强化、热处理强化等方法后制得具有较高的硬度及耐磨性的制件。
专利CN202111068662.9报道了一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒，形成双尺度复相混杂颗粒增强结构，双尺度混杂颗粒的协同作用提高了铝基复合材料的强度、硬度、塑韧性及其耐磨性，可广泛应用于汽车用轻质耐磨件。
由于通过基体和增强相的选择、增强相的混杂、增强相的多尺度等方法来调节材料的性能具有一定的局限性，只能发挥出增强相或基体的部分作用，不能达到强度韧性同步提升。本发明从界面、位错运动出发，充分发挥合金化元素提高界面结合强度、可控界面阻碍塑性变形以及团簇结构增加位错开动和运动的作用，实现铝基复合材料强韧性同步提高。从而提出一种多组元铝基复合材料均匀可控制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，解决了铝基复合材料强度和韧性无法同步提高的问题。
本发明所采用的技术方案是，多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，制备团簇结构；
步骤2，制备坯料；
步骤3，热压烧结后得到铝基复合材料。
本发明的特征还在于，
步骤1具体为：
步骤1.1，将体积分数为45％～78％且粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金经筛分、酒精清洗、60℃～80℃烘干4h～10h，获得表面纯净且尺寸均匀的铝或铝合金粉；
步骤1.2，将体积分数为2％～5％且粒径为5μm～10μm的合金化元素经筛分、清洗、60℃～80℃烘干4h～10h后备用；
步骤1.3，将粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金和粒径为5μm～10μm的合金化元素，通过低能球磨，形成以粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金为中心，合金化元素分布外表面的团簇结构。
步骤1.2中合金化元素为Mg、Zn、Ti或Zr中的一种或多种。
步骤1.3中低能球磨采用行星式球磨机，在真空条件下进行，磨球与粉末的重量比为1～3:1，转速为100r/min～200r/min，球磨时间为4h～20h。
步骤2具体为：
步骤2.1，将一种尺度或两种尺度体积分数为20％～50％且粒径为1μm～50μm的SiC粉在1000℃～1300℃进行高温表面预处理，处理时间为4h～10h；
步骤2.2，将步骤1制得的团簇结构和步骤2.1得到的SiC粉球磨混粉，在真空条件下进行，得到复合粉；
步骤2.3，将步骤2.2混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压并保压，制成坯料；
步骤2.2球磨混粉中磨球与粉末的重量比为1:1～3，转速为50r/min～100r/min，混合时间为8h～24h。
步骤2.3中冷压压力为200MPa～500MPa，保压时间为5min～10min。
步骤3具体为：
将步骤2制得的坯料放入真空热压烧结炉。
步骤3中热压温度为500℃～580，真空度＞1×10-2Pa，热压升温速率≤10℃/min，压力为50MPa～80MPa，保温时间为2h～4h。
本发明的有益效果是：
1.本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中利用低能球磨-混粉-热压烧结的工艺制备了的多组元铝基复合材料，组分可调，均匀性可控，避免了基体合金和增强相性能的发挥不充分，可通过合金化元素和增强相的种类和尺度调整材料的性能，达到目标性能要求。
2.本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中团簇结构形成的微观结构增加了位错开动和运动的空间提升材料的韧性，可控界面阻碍有助于抵抗塑性变形提高强度，SiC颗粒的弥散分布有助于提高材料的物理性能，使得铝基复合材料获得更好的综合性能。
3.本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中低能球磨形成的团簇结构，合金化元素可以很均匀的分散于纯铝或铝合金表面，再将球磨混粉氧化预处理后的增强相与团簇结构均匀混合，实现均匀分散。
附图说明
图1是本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中铝基复合材料制备过程示意图；
图2是本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中实施例1铝基复合材料金相分析图；
图3是本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中实施例2铝基复合材料金相分析图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方法对本发明做详细描述。
如图1所示，本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，制备团簇结构；团簇结构形成的微观结构增加了位错开动和运动的空间提升材料的韧性，可控界面阻碍有助于抵抗塑性变形提高强度，SiC颗粒的弥散分布有助于提高材料的物理性能，使得铝基复合材料获得更好的综合性能。
步骤1.1，将体积分数为45％～78％且粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金经筛分、酒精清洗、60℃～80℃烘干4h～10h，获得表面纯净且尺寸均匀的铝或铝合金粉；
步骤1.2，将体积分数为2％～5％且粒径为5μm～10μm的合金化元素经筛分、清洗、60℃～80℃烘干4h～10h后备用；合金化元素为Mg、Zn、Ti或Zr中的一种或多种。
步骤1.3，将粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金和粒径为5μm～10μm的合金化元素，通过低能球磨，形成以粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金为中心，合金化元素分布外表面的团簇结构；低能球磨采用行星式球磨机，在真空条件下进行，磨球与粉末的重量比为1～3:1，转速为100r/min～200r/min，球磨时间为4h～20h。
低能球磨形成的团簇结构，合金化元素可以很均匀的分散于纯铝或铝合金表面，再将球磨混粉氧化预处理后的增强相与团簇结构均匀混合，实现均匀分散。
步骤2，制备坯料；
步骤2.1，将一种尺度或两种尺度体积分数为20％～50％且粒径为1μm～50μm的SiC粉在1000℃～1300℃进行高温表面预处理，处理时间为4h～10h；
步骤2.2，将步骤1制得的团簇结构和步骤2.1得到的SiC粉球磨混粉，在真空条件下进行，得到复合粉；球磨混粉中磨球与粉末的重量比为1:1～3，转速为50r/min～100r/min，混合时间为8h～24h。
步骤2.3，将步骤2.2混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压并保压，制成坯料；冷压压力为200MPa～500MPa，保压时间为5min～10min。
步骤3，热压烧结后得到铝基复合材料；将步骤2制得的坯料放入真空热压烧结炉，热压温度为500℃～580℃，真空度＞1×10-2Pa，热压升温速率≤10℃/min，压力为50MPa～80MPa，保温时间为2h～4h，制得铝基复合材料。
本发明多组元铝基复合材料均匀可控制备方法中利用低能球磨-混粉-热压烧结的工艺制备了的多组元铝基复合材料，组分可调，均匀性可控，避免了基体合金和增强相性能的发挥不充分，可通过合金化元素和增强相的种类和尺度调整材料的性能，达到目标性能要求。
实施例1
步骤1：按照比例称取体积分数为78％的200μm6061铝合金粉经筛分、酒精清洗、80℃烘干4h，备用；按照比例称取体积分数5％的5μm合金化元素Mg筛分、清酒精洗、80℃烘干4h后备用；再将6061铝合金粉、Mg粉元素通过行星式球磨机真空球磨，磨球与粉末的重量比为3:1，转速200r/min，球磨时间10h，形成团簇结构。
步骤2：将体积分数10％的5μm和体积分数10％的20μm的SiC粉分别在1100℃处理4h；再将处理好的SiC粉与步骤1制得的团簇结构在真空下球磨，磨球与粉末的重量比为1:2，转速80r/min，混合时间为8h；将混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压，冷压压力300MPa，保压时间5min，制得坯料。
步骤3：将步骤2制得坯料放入真空热压烧结炉，真空度抽至0.5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到520℃，加压50MPa，保温时间为3h，制得铝基复合材料，制得铝基复合材料的金相分析图如图2所示。
实施例2
步骤1：按照比例称取体积分数为48％的50μm6061铝合金粉经筛分、酒精清洗、80℃烘干4h，备用；按照比例称取体积分数2％的5μm合金化元素Mg筛分、清酒精洗、80℃烘干4h后备用；再将6061铝合金粉、Mg粉元素通过行星式球磨机真空球磨，磨球与粉末的重量比为3:1，转速200转/min，球磨时间10h，形成团簇结构。
步骤2：将体积分数10％的10μm和体积分数40％的50μm的SiC粉分别在1100℃处理4h；再将处理好的SiC粉与步骤1制得的团簇结构在真空下球磨，磨球与粉末的重量比为1:2，转速100转/min，混合时间为8h；将混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压，冷压压力500MPa，保压时间5min，制得坯料。
步骤3：将步骤2制得坯料放入真空热压烧结炉，真空度抽至0.5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到580℃，加压30MPa，保温时间为4h，制得铝基复合材料，制得铝基复合材料的金相分析图如图3所示。
实施例3
步骤1：按照比例称取体积分数为45％的50μm6061铝合金粉经筛分、酒精清洗、60℃烘干4h，备用；按照比例称取体积分数2％的5μm合金化元素Mg筛分、清酒精洗、60℃烘干4h后备用；再将6061铝合金粉、Mg粉元素通过行星式球磨机真空球磨，磨球与粉末的重量比为1:1，转速100r/min，球磨时间4h，形成团簇结构。
步骤2：将体积分数10％的5μm和体积分数43％的30μm的SiC粉分别在1000℃处理4h；再将处理好的SiC粉与步骤1制得的团簇结构在真空下球磨，磨球与粉末的重量比为1:1，转速50r/min，混合时间为8h；将混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压，冷压压力200MPa，保压时间5min，制得坯料。
步骤3：将步骤2制得坯料放入真空热压烧结炉，真空度抽至0.5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到500℃，加压50MPa，保温时间为2h，制得铝基复合材料。
实施例4
步骤1：按照比例称取体积分数为60％的125μm6061铝合金粉经筛分、酒精清洗、70℃烘干7h，备用；按照比例称取体积分数5％的7μm合金化元素Mg筛分、清酒精洗、70℃烘干7h后备用；再将6061铝合金粉、Mg粉元素通过行星式球磨机真空球磨，磨球与粉末的重量比为2:1，转速150r/min，球磨时间12h，形成团簇结构。
步骤2：将体积分数35％10μm的SiC粉在1150℃处理7h；再将处理好的SiC粉与步骤1制得的团簇结构在真空下球磨，磨球与粉末的重量比为1:2，转速75r/min，混合时间为16h；将混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压，冷压压力350MPa，保压时间7min，制得坯料。
步骤3：将步骤2制得坯料放入真空热压烧结炉，真空度抽至0.5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到540℃，加压65MPa，保温时间为3h，制得铝基复合材料。
实施例5
步骤1：按照比例称取体积分数为50％的200μm6061铝合金粉经筛分、酒精清洗、80℃烘干10h，备用；按照比例称取体积分数5％的10μm合金化元素Mg筛分、清酒精洗、80℃烘干10h后备用；再将6061铝合金粉、Mg粉元素通过行星式球磨机真空球磨，磨球与粉末的重量比为3:1，转速200r/min，球磨时间20h，形成团簇结构。
步骤2：将体积分数45％的50μm的SiC粉在1300℃处理10h；再将处理好的SiC粉与步骤1制得的团簇结构在真空下球磨，磨球与粉末的重量比为1:3，转速100r/min，混合时间为24h；将混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压，冷压压力500MPa，保压时间10min，制得坯料。
步骤3：将步骤2制得坯料放入真空热压烧结炉，真空度抽至0.5×10-3Pa，以10℃/min的升温速率升温到580℃，加压80MPa，保温时间为4h，制得铝基复合材料。
Claims (9)
1.多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，制备团簇结构；
步骤2，制备坯料；
步骤3，热压烧结后得到铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1，将体积分数为45％～78％且粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金经筛分、酒精清洗、60℃～80℃烘干4h～10h，获得表面纯净且尺寸均匀的铝或铝合金粉；
步骤1.2，将体积分数为2％～5％且粒径为5μm～10μm的合金化元素经筛分、清洗、60℃～80℃烘干4h～10h后备用；
步骤1.3，将粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金和粒径为5μm～10μm的合金化元素，通过低能球磨，形成以粒径为50μm～200μm的纯铝或铝合金为中心，合金化元素分布外表面的团簇结构。
3.根据权利要求2所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中合金化元素为Mg、Zn、Ti或Zr中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中低能球磨采用行星式球磨机，在真空条件下进行，磨球与粉末的重量比为1～3:1，转速为100r/min～200r/min，球磨时间为4h～20h。
5.根据权利要求1所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1，将一种尺度或两种尺度体积分数为20％～50％且粒径为1μm～50μm的SiC粉在1000℃～1300℃进行高温表面预处理，处理时间为4h～10h；
步骤2.2，将步骤1制得的团簇结构和步骤2.1得到的SiC粉球磨混粉，在真空条件下进行，得到复合粉；
步骤2.3，将步骤2.2混合好的复合粉装入冷压模具，在压力机上进行冷压并保压，制成坯料。
6.根据权利要求5所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤2.2球磨混粉中磨球与粉末的重量比为1:1～3，转速为50r/min～100r/min，混合时间为8h～24h。
7.根据权利要求5所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤2.3中冷压压力为200MPa～500MPa，保压时间为5min～10min。
8.根据权利要求1所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，步骤3具体为：
将步骤2制得的坯料放入真空热压烧结炉。
9.根据权利要求8所述的多组元铝基复合材料均匀可控制备方法，其特征在于，所述步骤3中热压温度为500℃～580，真空度＞1×10-2Pa，热压升温速率≤10℃/min，压力为50MPa～80MPa，保温时间为2h～4h。
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2022
- 2022-12-13 CN CN202211594285.7A patent/CN116005025B/zh active Active
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