CN116144997B - 一种高性能铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高性能铝基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料制备的技术领域，用以解决纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒团聚严重、力学强度低、不耐磨损的技术问题。其制备方法包括如下步骤：将铝合金加热熔化得到铝合金浆液，对铝合金浆液进行降温处理，形成半固态浆液；向半固态浆液中加入TiO2纳米颗粒制得半固态混合浆液；将半固态混合浆液升温，形成混合熔体并超声振动处理；随后浇筑在模具中并冷却降温，制得铝基复合材料；对铝基复合材料进行多向热锻，多向热锻完成后进行多向冷锻。本发明制备复合材料中TiO2颗粒均匀分散，增加复合材料的性能和塑性。采用极冷锻造可大幅度增加基体内的位错密度，使得晶粒进一步细化。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种高性能铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝合金因其优异的耐腐蚀性、耐低温性及焊接特性，被广泛用于航空航天、汽车工业及铁路运输等行业。如今随着科技水平的发展，传统合金已经无法满足日益增加的功能需求。纳米颗粒增强铝基复合材料作为一种新型功能材料因其具有高的比模量、强度、硬度、耐腐蚀、耐磨性等优点，在航空航天、汽车制造等领域有广泛的应用前景。因纳米氧化钛(TiO2)具有高硬度、熔点、密度、热膨胀系数及与铝有相近的晶格结构等特点，成为纳米颗粒增强铝基复合材料研究的方向之一。
然而铸造制备的复合材料，无法直接用于航空、航天等行业，需要进行有效的加工处理。大量研究表明，利用传统搅拌铸造方法，基体熔液流动性差、纳米颗粒与铝基体润湿性差、纳米颗粒与铝基体界面结合不紧密、纳米颗粒团聚严重很难均匀分布在基体内等问题。专利公开号CN115058619A公开一种纳米碳化钛增强2024铝基复合材料及其制备方法，制备步骤为将TiC纳米颗粒进行清洗干燥；将2024铝合金加热熔化，除气打渣后保温得到2024铝合金浆液，随后对2024铝合金浆液进行降温处理，形成半固态浆液；加入TiC纳米颗粒并进行机械搅拌，制得半固态混合浆液；将半固态混合浆液升温，形成混合熔体，采用预热后的超声杆进行超声振动处理并进行浇筑。该专利通过改进纳米颗粒的添加工艺以提高纳米颗粒在铝基复合材料中分散情况，使复合材料的力学性能得到了一定的提高，但是，仅通过添加工艺的改进仍难以满足航空、航天等行业中对复合材料高强度、耐磨损的要求。另外，现有工艺中，为进一步提高铝基复合材料的力学性能，在颗粒增强复合材料加工方法上还会使用单一锻造或轧制等工艺。但是，这种单一的加工方法无法有效的分散复合材料中团聚的纳米颗粒及强化纳米颗粒与基体界面的结合，制约了纳米颗粒增强铝基复合材料性能的提升。
发明内容
针对纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒团聚严重、力学强度低、不耐磨损的技术问题，本发明提出一种高性能铝基复合材料及其制备方法。采用本发明所述方法制备高性能铝基复合材料中TiO2纳米颗粒分布均匀，同时晶粒尺寸减小且分布更均匀，拉伸强度和耐磨性显著提升。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步：称取一定量的铝合金铸锭备用；所述铝合金为2219铝合金。
第二步：称取一定量粒径为50-90nm的TiO2纳米颗粒，放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗5-20分钟，后静置1-10分钟，滤去悬浮液，再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理，干燥温度60-80℃，干燥时间1-5小时；
第三步：将称取好的铝合金铸锭装进坩埚放置在已经设置好温度为750-850℃的电阻炉中，除气打渣后保温2-5个小时，然后将电阻炉的温度降至620-650℃，形成半固态浆液；
第四步：向形成的半固态浆液中加入干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置，制得半固态混合浆液；所述半固态混合浆液中TiO2纳米颗粒的添加量为0.3-1.4wt％。
第五步：将上述半固态混合浆液升温至750-850℃，形成混合熔体，采用预热过的超声杆进行超声振动处理；所述超声振动处理在氩气气氛环境下进行，超声杆的温度为750-850℃，超声杆端面浸入后距离液面15-25mm，超声振动频率为19-21kHz，振动功率为300-450W，振动时间为5-20min。
第六步：超声振动结束后，取出超声杆，将混合熔体浇注在预热400-500℃的石墨模具中，并将此石墨模具放入带有液氮的容池中进行冷却，最终得到铝基复合材料；
第七步：将铸造好的铝基复合材料切成矩形体坯料，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将矩形体坯料在炉中加热至530-580℃，保温2-3小时，随后进行多向热锻，对矩形坯料三个互相垂直的面轮流进行锻造，即在每个镦锻过程中，试样沿不同轴向压缩，变形量为40-60％。
第八步：将热锻后的铝基复合材料置于-130～-160℃的液氮中，保温20-40分钟，然后取出在室温中进行多向冷锻，对矩形坯料三个互相垂直的面轮流进行锻造，即在每个镦锻过程中，试样沿不同轴向压缩，变形量为10-25％，最终得到高性能铝基复合材料。
本发明的有益效果：高温多向锻造能使复合材料中团聚的TiO2颗粒破碎并均匀分散于基体中，强化异质形核核心，细化复合材料晶粒尺寸，增加复合材料的性能和塑性。另一方面采用极冷锻造工艺，可大幅度增加由于纳米颗粒的加入形成的在基体内的位错密度，使得晶粒进一步细化，由之前的172μm降至125μm。两种技术相结合使拉伸强度和耐磨性显著提升，其极限抗拉强度可达451MPa、延伸率为12.8％、摩擦系数0.358。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为锻造流程示意图。
图2中(a)复合材料断口扫描电镜图；(b)复合材料中的析出相TEM图。
图3为铝基复合材料金相组织图，(a)实施例1制备铝基复合材料，(b)实施例2制备铝基复合材料，(c)实施例3制备铝基复合材料，(d)实施例4制备铝基复合材料。
图4为对比例1制备铝基复合材料的金相组织图。
图5为不同工艺条件下铝基复合材料摩擦系数和载荷的关系。
图6为不同工艺条件下铝基复合材料摩损体积和载荷的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1.称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为50nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，随后将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至530℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，锻造过程如图1所示，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-130℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为20％，最终得到高性能铝基复合材料。
图2为添加了TiO2纳米颗粒的复合材料断口组织扫描电镜图和复合材料析出相透射电镜图，图2a可以看到添加的TiO2颗粒均匀的嵌入在2219基体合金中，图2b看到，复合材料中的析出相数量繁多且细化。从图2可以看出，本发明提供的高性能复合材料微观结构中，形成了许多细小的θ”相，这有利于复合材料性能的提升。
实施例2
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1.称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至530℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-150℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为10％，最终得到高性能铝基复合材料。
实施例3
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至570℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-150℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为10％，最终得到高性能铝基复合材料。
实施例4
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、称取3.988kg的2219铝合金铸锭备用。将粒径为60nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的850℃的电阻炉中，除气打渣后保温2个小时。然后将电阻炉的温度降至650℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入12g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至750℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至750℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面15mm，超声振动频率为20kHz，振动功率为350W，振动时间为10min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热450℃的石墨模具中，随后将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至570℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为40％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-160℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为25％，最终得到高性能铝基复合材料。
实施例5
一种高性能铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、称取3.944kg的2219铝合金铸锭备用。将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的800℃的电阻炉中，除气打渣后保温6个小时。然后将电阻炉的温度降至620℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入56g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至850℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至850℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面25mm，超声振动频率为21kHz，振动功率为450W，振动时间为5min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热500℃的石墨模具中，随后将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至580℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为60％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-140℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为15％，最终得到高性能铝基复合材料。
对比例1
一种铝基复合材料，制备方法包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
对比例2
一种铝基复合材料，制备方法包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用。
2、将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。
3、在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4、超声振动结束后，取出超声杆，将2219熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，最终获得超声铸造的2219合金。
5、铸造好的材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至530℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，锻造过程如图1所示，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的材料置于室温冷却，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为20％，最终得到高性能2219合金材料。
对比例3
一种铝基复合材料，制备方法包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至570℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为50％。
对比例4
一种铝基复合材料，制备方法包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至570℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的复合材料置于室温冷却，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为10％，最终得到高性能铝基复合材料。
对比例5
一种铝基复合材料，制备方法包括如下步骤：
1、称取3.964kg的2219铝合金铸锭备用，将粒径为90nm的TiO2纳米颗粒放置在盛有丙酮溶液的烧杯中，将此烧杯在超声波清洗装置中清洗10分钟，后静置5分钟，滤去悬浮液。再将清洗后的TiO2纳米颗粒放置在干燥机中进行干燥处理。
2.将预装有称取好的2219铝合金铸锭的坩埚放置在已经设置好的750℃的电阻炉中，除气打渣后保温4个小时。然后将电阻炉的温度降至630℃，形成半固态混合浆液。
3.向形成的半固态混合浆液中加入36g干燥的TiO2纳米颗粒，进行机械搅拌，待TiO2纳米颗粒全部加入到熔体中后，取出机械搅拌装置。将机械搅拌得到的混合浆液升温至800℃，形成混合熔体，在氩气气氛保护环境下将超声杆预热至800℃浸入混合熔体中进行超声振动处理，超声杆端面浸入后距离液面20mm，超声振动频率为19kHz，振动功率为300W，振动时间为20min。
4.超声振动结束后，取出超声杆，将复合熔体浇注至预热400℃的石墨模具中，并将此磨具放入带有液氮的容池中进行冷却，初步获得TiO2/2219铝基复合材料。
5.铸造好的复合材料铸坯切成80×80×90mm的长方体，用刷子在它们的表面涂上一层抗氧化涂料，然后将样品在炉中加热至370℃，保温两小时，多向锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为50％。
6.将热锻后的复合材料置于液氮中，降温至-150℃，然后进行多向冷锻，锻造方向为左右，前后，左右，前后四次锻造，循环2次，每次锻造变形量为10％，最终得到高性能铝基复合材料。
测试例
按照GB/T2975取样后，再按照GB/T229-2002金属材料室温拉伸试验对实施例1-4和对比例1-5制备得到的复合材料进行力学性能和摩擦磨损测试，测试结果如表1所示。
表1
表1可以看到，经过高温热锻和极冷锻造后，其极限抗拉强度可达451MPa、延伸率为12.8％、摩擦系数0.358。通过较高温度的热锻与较低温度的冷锻相结合，使复合材料的力学性能得到最大提升。另外，实施例1-5的性能测试结果比对比例1-5的性能测试结果要好很多，特别是拉伸强度和摩擦系数提升明显。这说明本发明提供的热锻加极冷锻造的方法，能够提高复合材料中纳米颗粒的均匀分散性和再成型凝固过程中的组织均匀性，均匀分散的纳米颗粒在摩擦磨损过程中，充当“隔绝点”，能有效的减小基体和摩擦副之间的接触面，进而有效减小摩擦系数；另一方面，抑制粗大晶粒的形成，提高基体内的位错密度，可以得到高性能复合材料。
图3为实施例1-4制备铝基复合材料的金相图，图4对比例1制备铝基复合材料的金相图，从金相图可以看到，经过高温热锻和极低温冷锻之后，复合材料的晶粒组织细化现象明显，同时组织缺陷显著降低，组织更加均匀，增强相不会破碎，实现了复合材料的强度延伸率协同提升。与未进行锻造相比，晶粒由之前的172μm降至125μm。这是由于在高温热锻过程中，增加了纳米颗粒在基体中的流动性，每次锻砸都能将铸造过程中团聚的纳米颗粒破碎开来，使得纳米分布更加均匀，均分分布的纳米颗粒又称为异质形核的核心，使晶粒组织细化。在极冷锻造的过程中，一方面将粗大的脆性晶界组织破碎，形成细小晶粒，另一方面破碎的晶界又能称为强化核心相。以上两方面相结合使得材料力学性能增强，显示了本发明工艺的有效性。
随后分别测试实施例1-4制备的铝基复合材料在四种不同载荷条件下的摩擦磨损性能，如图5和6所示。在相同载荷条件下，实施例3的摩擦系数最小，磨损体积也最少，耐磨性最好。在高温热锻条件下，团聚的TiO2纳米颗粒被均匀分散到基体中，均分分布的TiO2纳米颗粒减少了铝基体与钢摩擦副的接触，使黏着减小，从而降低了由黏着引起的摩擦。磨粒磨损、轻度氧化磨损和黏着磨损为其主要磨损方式。在滑移速度为0.1m/s和5N、10N、20N、30N的载荷作用下，纳米TiO2/2219铝基复合材料的耐磨性提高了5-20％。复合材料的耐磨性均随载荷的增加而降低，由于复合材料表面存在耐磨性的TiO2硬质颗粒及氧化物Al2O3，导致其降低程度相对较小。因此在高温热锻加极冷冷锻工艺下，复合材料耐磨损机制为：(a)纳米TiO2颗粒受载时能有效钉扎位错，阻碍位错运动，提高材料的变形抗力，此外，部分团聚的TiO2颗粒在循环外力作用下被压碎成尺寸细小的TiO2颗粒“钉扎”在摩擦表面，起到降低摩擦系数和减小磨损的作用；(b)纳米颗粒提高了摩擦副之间的载荷传递效率，阻碍黏着磨损的发生；(c)钉扎在晶界上的TiO2颗粒一方面减少了晶界受载时的微裂纹的产生和扩展，另一方面提高了室温下复合材料的硬度与强度，减少了磨损层状剥落；(d)磨损表面TiO2与Al2O3硬质颗粒的存在提高了复合材料的耐磨性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将铝合金加热熔化得到铝合金浆液，随后对铝合金浆液进行降温处理，形成半固态浆液；
（2）向半固态浆液中加入TiO2纳米颗粒并搅拌均匀，制得半固态混合浆液；
（3）将步骤（2）中半固态混合浆液升温，形成混合熔体，对混合熔体进行超声振动处理；
（4）将步骤（3）超声振动处理后的混合熔体浇筑在模具中并冷却降温，制得铝基复合材料；
（5）对铝基复合材料进行多向热锻，多向热锻完成后进行多向冷锻，最终得到高性能铝基复合材料；
所述铝合金为2219铝合金；
所述多向热锻的工艺为：将铝基复合材料切割成矩形坯料，将矩形坯料加热至530-580℃，并保温2-3小时，随后对矩形坯料三个互相垂直的面轮流进行锻造，每次锻造变形量为40-60%；
所述多向冷锻的工艺为：将多向热锻后的矩形坯料降至-130 ~ -160℃，再次对矩形坯料三个互相垂直的面轮流锻造，每次锻造变形量为10-25%。
2.根据权利要求1所述高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中铝合金加热熔化的温度为750-850℃，并保温2-6小时；所述降温处理为将铝合金浆液降温至620-650℃，形成半固态浆液。
3.根据权利要求1所述高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述TiO2纳米颗粒粒径为50-90nm，半固态混合浆液中TiO2纳米颗粒的添加量为0.3-1.4wt%。
4.根据权利要求3所述高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中将混合浆液升温至750-850℃，形成混合熔体，加入预热过的超声杆进行超声振动处理。
5.根据权利要求4所述高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中超声振动处理在氩气气氛环境下进行，超声杆的温度为750-850℃，超声杆端面浸入后距离液面15-25mm，超声振动频率为19-21kHz，振动功率为300-450W，振动时间为5-20min。
6.根据权利要求5所述高性能铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中浇筑采用的模具为石墨模具，石墨模具提前预热至400-500℃。
7.权利要求1-6任意一项所述方法制备的高性能铝基复合材料。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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