CN116511503A - 一种铝基复合材料构件的近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种铝基复合材料构件的近净成形方法，涉及金属基复合材料制备加工技术领域。主要采用的技术方案为：所述铝基复合材料构件的近净成形方法，包括如下步骤：对微米级的原料粉末进行球磨，球磨成粒径为0.3‑5毫米的混合基元颗粒；其中，所述原料粉末包括微米级的基体粉末和微米级的陶瓷增强粉末；将所述混合基元颗粒装入模具中，并施加设定温度及设定压力，一步成形出所需形状的铝基复合材料构件。本发明主要用于保证铝基复合材料构件性能的同时，能高效地制备出铝基复合材料近净形构件，缩短工艺流程，减少原料、设备和工时消耗，以降低铝基复合材料的制备加工成本。

Description

一种铝基复合材料构件的近净成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料制备加工技术领域，特别是涉及一种铝基复合材料构件的近净成形方法。

背景技术

铝合金基体中添加陶瓷增强体而形成的铝基复合材料具有轻质、高模、高强等优异的性能，在航空、航天、核电等关键领域具有广泛应用。然而，受其高昂的制造成本影响，在大众消费等对成本敏感的领域应用受限。随着近些年新能源汽车领域的发展、人们对节能减排的重视以及国家低碳政策的影响，对铝基复合材料服务汽车减重的呼声越来越高，现有铝基复合材料高昂的成本和漫长的制备加工周期难以满足大批量使用需求。

铝基复合材料的高成本长周期的现状主要是是由于采用的制备加工流程造成的。目前，主流的粉末冶金铝基复合材料构件所采用的制备工艺路线主要包含：混粉、真空热压烧结、塑性变形加工、机加工成形。其中，真空热压烧结设备昂贵，并且往往只能单炉单锭，效率低下，真空热压之后的坯锭存在大量铝粉氧化膜，粉末间冶金结合不充分，难以直接使用，必须以后续大变形加工来促进铝粉氧化膜破碎，细化铝基体晶粒，促进增强体颗粒均匀分布，从而拖长了制备加工周期。最后的机加工成形过程往往需要消耗大量的机加工工时、浪费大量难以回收的铝基复合材料切削屑，并且铝基复合材料的陶瓷增强体的存在，导致机加工过程对刀具磨损严重。在机加工过程中就面临了时间、原料和工具的三重浪费。

因此，有必要缩短现有的“真空热压烧结-塑性变形加工-机加工成形”的工艺流程，降低铝基复合材料构件在制备过程中的原料、时间、设备损耗，从而提高铝基复合材料构件的制备加工效率、降低构件成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种铝基复合材料构件的近净成形方法，主要目的在于保证铝基复合材料构件性能的同时，能高效地制备出铝基复合材料近净形构件，缩短工艺流程，减少原料、设备和工时消耗，以降低铝基复合材料的制备加工成本。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种铝基复合材料构件的制备方法，其包括如下步骤：

球磨步骤：对微米级的原料粉末进行球磨，球磨成粒径为0.3-5毫米的混合基元颗粒；其中，所述原料粉末包括微米级的基体粉末和微米级的陶瓷增强粉末；

模具高温压力加工步骤：将所述混合基元颗粒装入模具中，并施加设定的温度及设定压力，一步成形出所需形状的铝基复合材料构件。

在此，构件可以是坯锭，也可以是棒材、连杆、齿轮等各种构件(包括现有的各种模锻件)。

优选的，所述模具高温压力加工步骤采用真空热压模锻加工步骤；其中，所述真空热压模锻加工步骤包括：将混合基元颗粒装入模具；将装有混合基元颗粒的模具放入真空热压机中进行真空热压处理；在真空热压处理后，将模具去除，得到所需形状的铝基复合材料构件。进一步优选的，在所述真空热压处理中：施加的压力不低于100MPa，施加的温度为400-550℃，保压时间不低于0.5小时；和/或所述模具的材质为钢、铝、石墨中的任一种。

优选的，所述模具高温压力加工步骤采用热等静压加工步骤；其中，所述热等静压加工步骤包括：将所述混合基元颗粒装入模具中，抽真空后封闭模具；将装有混合基元颗粒的模具放入热等静压炉中，进行热等静压处理；在热等静压处理后，去除模具后，得到所需形状的铝基复合材料构件。进一步优选的，在所述热等静压加工步骤中：所述模具是采用铝板进行钣金加工、焊接而制成；或所述模具是采用铝坯锭进行切削加工、焊接而制成；优选的，所述模具的厚度为1-5mm。进一步优选的，热等静压处理的温度为600-650℃；热等静压处理的压力不小于100MPa，保压时间不低于1小时。

优选的，所述球磨的工艺条件控制如下：球料比为(10:1)-(20:1)，球磨的时间为20-60分钟，球磨的转速为150-200转/每分钟。

优选的，在所述球磨步骤中：所述基体粉末包括铝粉和合金元素粉；优选的，所述合金元素粉为锌粉、铜粉、镁粉、硅粉、铁粉中的一种或多种；或所述基体粉末为铝合金粉。

优选的，所述基体粉末的粒径为1-100微米；和/或所述陶瓷增强粉末为碳化硅、碳化硼、二硼化钛、氧化铝中的一种或多种；和/或所述陶瓷增强粉末的粒径为1-50微米。

优选的，在球磨步骤中，球磨形成的混合基元颗粒之间呈分散状态。

优选的，所述混合基元颗粒大致呈球形；和/或所述混合基元颗粒中的增强体粉末颗粒均匀分布。

优选的，在原料粉末中，所述陶瓷增强粉末的体积占比为5-25％。

优选的，所述铝基复合材料构件的制备方法，使得材料的利用率不低于80％。

另一方面，本发明实施例提供一种铝基复合材料构件，其中，所述铝基复合材料构件为近净形构件；所述铝基复合材料构件是由上述任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法制备而成。优选的，铝基复合材料构件中的铝晶粒不存在连续氧化膜。

与现有技术相比，本发明的铝基复合材料构件近净成形方法至少具有下列有益效果：

本发明实施例提供一种铝基复合材料构件近净成形方法，该方法利用球磨法将微米级原料粉末球磨成大尺寸的混合基元颗粒，然后利用模具高温压力加工步骤直接一步快速制备出铝基复合材料近净形构件。在此，本发明主要利用特别的球磨工艺破碎铝粉表面氧化膜、改善粉末冶金结合能力、改善热压过程变形抗力等问题，制备出的混合基元颗粒能够有效减少后续变形过程中的变形抗力，从而可直接用于真空热压模锻或热等静压以直接制备出铝基复合材料构件。本发明的上述方法着眼于保证复合材料性能的同时，高效地制备出铝基复合材料近净形零件，缩短工艺流程，减少原料、设备和工时消耗，显著降低铝基复合材料制备加工成本。

现有常规的铝基复合材料构件的粉末冶金制备路线是：混粉、热压烧结(或热等静压烧结)、塑性变形加工。与现有常规的制备路线不同，本发明先将原料粉末球磨成毫米级的混合基元颗粒，在此基础上，提出将传统铝基复合材料粉末冶金方法中的真空热压烧结和塑性变形加工两个步骤合为一步模具高温压力加工，从而缩短了工艺流程，减少了设备依赖，提高了生产效率。在此，混合基元颗粒是实现后续一步模具高温压力加工制备出所需形状的铝基复合材料构件的基础；也就是说：球磨制备混合基元颗粒和模具高温压力加工具有协同作用，两者协同作用实现“保证铝基复合材料构件性能的同时，能高效地制备出铝基复合材料近净形构件，缩短工艺流程，减少原料、设备和工时消耗，以降低铝基复合材料的制备加工成本”的目的。若不进行球磨制备混合基元颗粒，则一步模具高温压力加工会造成材料性能的大幅度下降，或者需要更高温度和更大压力才能实现高性能成形，导致模具制造和维护成本大幅提高。

另外，本发明通过采用模具高温压力加工能够一次变形加工直接获得近净形构件，减少了机加工过程中的原材料和刀具损耗，提高了最终机加工效率，实现降本增效。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的实施例1制备的混合基元颗粒的形貌图；

图2是本发明的实施例1制备的一种近净形杯状铝基复合材料构件的图片；

图3是本发明的实施例2制备的锥筒模具的示意图；

图4是将球磨基体粉末和陶瓷增强粉末进行机械混合后的微观形貌。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

相对于其他金属复合材料构件，铝基复合材料的制备具有技术难度，这是因为铝粉存在连续氧化膜，所以，在真空热压之后的坯锭存在大量铝粉氧化膜，粉末间冶金结合不充分，难以直接使用，必须以后续大变形加工来促进铝粉氧化膜破碎，细化铝基体晶粒，促进增强体颗粒均匀分布(对于其他金属复合材料构件的制备，无需进行后续大变形加工)。针对铝基复合材料的制备难度，本发明提出一种铝基复合材料构件的近净成形方法。

本发明的目的在于提供一种铝基复合材料的近净形制备方法(即，铝基复合材料粉末冶金近净成形方法)，解决铝基复合材料构件粉末冶金近净成形制备过程中，粉末变形抗力大，合金元素扩散困难、合金化不足，增强体和基体冶金结合不紧密的问题。该方法利用球磨法将原料粉末制备成毫米级的混合基元颗粒，然后利用模具高温压力加工在实现粉末致密化和冶金结合的同时，直接快速批量制备铝基复合材料构件。球磨法制备混合基元颗粒与普通机械混粉相比，能够在混合粉末的同时，实现破碎铝粉氧化膜、细化铝粉晶粒和促进粉末间冶金结合，相当于将原有的热压烧结和塑性变形加工的部分功能提前到混合粉末阶段。此外，本方法中的球磨工艺，与普通球磨工艺相比，制备的混合基元颗粒具有良好的球形度、尺寸在0.3-5毫米级别，变形抗力小，可以用于热模锻或热等静压成形构件，而不用担心变形抗力过大无法得到目标构件尺寸。

本发明的方法利用球磨和模具高温压力加工直接制备近净形铝基复合材料构件，将真空热压烧结和塑性变形加工两个步骤合为一步模具高温压力加工，从而缩短了工艺流程。因为模具高温压力加工制备的是近净形构件，所以需要的机加工量较少，可以减少机加工过程中的工时、原料浪费和刀具损耗，从而进一步缩短流程降低成本。

本发明主要以球磨方法破碎铝粉的表面氧化膜、改善粉末冶金结合能力、改善热压过程变形抗力等问题，进而通过模锻、热等静压方式实现直接制备出铝基复合材料构件。本发明的方法着眼于保证复合材料性能的同时，高效地制备出铝基复合材料构件，与单纯利用球磨法调控增强体分布、细化基体晶粒尺寸制备铝基复合材料原料的相关发明技术存在技术细节和作用效果上的本质区别。

在此，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供一种铝基复合材料构件的制备方法，包括如下步骤：

1)球磨步骤：

根据需要的铝基复合材料构件的基体合金成分和陶瓷增强体成分，称取适量的原料粉末，然后对原料粉末进行球磨，球磨成混合基元颗粒。

原料粉末中陶瓷增强粉末的体积占比在5％-25％之间，陶瓷增强粉末为碳化硅、碳化硼、二硼化钛、氧化铝中的一种或多种；陶瓷增强粉末的粒径为1-50。优选的，基体粉末包括铝粉和合金元素粉；基体粉末的粒径为1-100微米。合金元素为锌、铜、镁、硅、铁之一种或多种。可以使用铝合金粉末替代铝粉和合金元素粉。微米级的粉末塑性变形能力好于纳米级铝粉，球磨过程中的分散均匀化能力好于毫米级铝粉，能够保证球磨过程中的陶瓷增强体的均匀分散以及混合基元颗粒的成形和球化。

利用球磨制备的混合基元颗粒为粒径在0.3-5毫米之间的近球形颗粒，如图1所示，混合基元颗粒中增强体粉末随机均匀分布。在此需要说明的是，现有技术中，利用球磨技术均是将大尺寸的颗粒球磨成小尺寸的颗粒，而本发明利用球磨技术将微米级的颗粒球磨成粒径在0.3-5毫米的大尺寸颗粒。相应的，针对上述原料粉末，本发明需将球磨工艺参数控制如下“球料比为(10:1)-(20:1)，球磨的时间为20-60分钟，球磨的转速为150-200转/每分钟”，能形成所需的大尺寸混合基元颗粒。在此需要说明的是，针对本发明的原料粉末，配合上述工艺参数(球料比、球磨时间、转速)才能得到粒径为0.3-5毫米的混合基元颗粒(大致呈球状)。若不在上述工艺参数范围内，一般会得到细小颗粒尺寸或者块状颗粒，这个不是本发明所需要的。

另外，关于“混合基元颗粒”需要说明的是：在微观结构上，本发明制备的混合基元颗粒是增强体颗粒与基体金属粉末混合的固态整体，其尺寸可以达到毫米级别，而现有的机械混粉是松散增强体和基体的粉末混合体，其粉末尺寸一般都在微米级别。在制备方法上，机械混粉使用较低的能量输入，可以不使用球磨设备，而本发明需要使用球磨设备，使用较高的球料比，并严格控制球磨工艺参数，以实现毫米级混合基元颗粒的制备。这些区别可以保证在球磨的阶段，增强体和基体之间已经开始实现合金化和致密化，从而利用模具高温压力加工一步法直接快速批量制备铝基复合材料构件。如果将原始粉末球磨为更小的纳米粉末，则会增大粉末比表面积，增加氧化膜的占比，减弱粉末间的接触，对冶金结合具有巨大的阻碍作用。

(2)模具高温压力加工步骤：

本发明中的模具高温压力加工环节采用真空热压模锻加工或热等静压。

真空热压模锻加工是将混合基元颗粒放入具有构件形状的模具中，模具为钢、铝或者石墨，然后将模具放入真空热压机进行真空热压处理。为使构件获得良好的致密度，热压模锻加工中施加的平均压力不低于100MPa，为了促进冶金结合、降低变形抗力，加工温度在400～550摄氏度之间。

热等静压加工是使用纯铝板进行扳金加工、或者纯铝坯锭切削加工制备出特定模具形状，利用焊接加工出特定形状的纯铝模具，为了保证热等静压过程中的收缩和模具封装过程中的焊接能力，模具厚度在1-5mm之间。在模具中灌入混合基元颗粒，抽真空之后焊接封闭模具，保持模具内为真空状态。最后放入热等静压机进行热等静压加工，为保证合金化和变形的充分，热等静压温度为600-650℃，保压时间不低于1小时，压力不小于100MPa。

在此，关于本发明的上述制备方法，需要说明的是：

1)现有常规的铝基复合材料构件的粉末冶金制备路线是：混粉、热压烧结(或热等静压烧结)、塑性变形加工。与现有的制备路线不同，本发明先将原料粉末球磨成毫米级的混合基元颗粒，在此基础上，提出将传统铝基复合材料粉末冶金方法中的真空热压烧结和塑性变形加工两个步骤合为一步模具高温压力加工，从而缩短了工艺流程，减少了设备以来，提高了生产效率。

在此需要说明的是：混合基元颗粒是实现后续一步模具高温压力加工制备出所需形状的铝基复合材料构件的基础。也就是说：球磨制备混合基元颗粒和后续的一步模具高温压力加工具有协同作用，两者协同作用实现“保证铝基复合材料构件性能的同时，能高效地制备出铝基复合材料近净形构件，缩短工艺流程，减少原料、设备和工时消耗，以降低铝基复合材料的制备加工成本”的目的。若不进行球磨制备混合基元颗粒，则一步模具高温压力加工会造成材料性能的大幅度下降。

2)本发明的制备方法利用球磨过程促进了金属粉末氧化膜的破碎，促进了合金化过程，并且能够将有缺陷增强体颗粒预破碎，防止其在后续加工服役过程中作为弱相影响材料性能，球磨过程能够显著改善铝基复合材料力学性能。球磨获得的大尺寸(亚毫米至毫米级)球状混合基元颗粒，变形抗力小，便于在后期的高温压力加工中成形为近净形构件，从而提高材料利用率。

3)本发明的方法，通过采用模具高温压力加工能够一次变形加工直接获得近净形构件，减少了机加工过程中的原材料和刀具损耗，提高了最终机加工效率，实现降本增效。

下面通过具体实施例进一步说明如下：

实施例1

本实施例制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为10％的SiC颗粒增强铝基复合材料杯状样品。其中，原料粉末：粒径为3微米的SiC颗粒、粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；SiC颗粒22.8克，铝粉166.5克，铜粉8.0克，镁粉2.6克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：对原料粉末进行球磨，球料比为15:1，球磨的时间为30分钟，球磨的转速为200转/每分钟,制备出200克的近球形混合基元颗粒，混合基元颗粒粒径在0.3-3毫米之间。其中，混合基元颗粒的形貌如图1所示，颗粒近球形良好，增强体被包裹在混合基元颗粒中没有脱落。

步骤2)：将混合基元颗粒装入杯状石墨模具中，模具的上下模合模后，将其放入真空热压机中，在540℃的温度下进行热压成形，压力设置为50Mpa，保压1个小时。取出模具，去除模具后，获得近净形杯状铝基复合材料构件。

其中，实施例1制备的近净形杯状铝基复合材料构件的图片如图2所示。另外，从微观结构上看，本实施例制备的近净形杯状铝基复合材料构件中，铝基体晶粒尺寸均匀，晶粒间不存在连续氧化膜，增强体颗粒分布均匀。

对本实施例制备的杯状铝基复合材料构件进行性能测试，杯状铝基复合材料构件的屈服强度为480MPa，抗拉强度为540MPa，延伸率2.5％。材料利用率从完全靠机加工的60％，提高到目前的95％，并显著减少机加工工时和刀具损耗。

实施例2

本实施例制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为17％的SiC颗粒增强铝基复合材锥筒零件。其中，原料粉末：粒径为7微米的SiC颗粒，粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；SiC颗粒384克，铝粉1519克，铜粉73克，镁粉24克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：对原料粉末进行球磨，球料比为15:1，球磨的时间为30分钟，球磨的转速为200转/每分钟,制备出2公斤的近球形混合基元颗粒，混合基元颗粒粒径在0.5-4毫米之间。

步骤2)：利用2mm厚的1070纯铝板材扳金加工，然后焊接制备成锥筒模具。其中，模具的图片如图3所示。将近球形混合基元颗粒装入模具内，抽真空后，封闭模具；将模具放入热等静压炉内进行热等静压处理，其中，热等静压处理的温度为620℃、压力为120MPa、保温及保压时间为1.5小时。热等静压处理后，利用机加工切削表面纯铝模具，获得铝基复合材料近净形零件。

相比现有技术使用圆柱坯锭直接机加工，本实施例方案的材料利用率从50％提高到80％。

从微观结构上看，本实施例制备的铝基复合材料近净形零件中，铝基体晶粒尺寸均匀，晶粒间不存在连续氧化膜，增强体颗粒分布均匀。

对本实施例制备的铝基复合材料近净形零件进行力学性能测试，测试结果如下：屈服强度为410MPa、抗拉强度为500MPa、延伸率为1.5％。

实施例3

本实施例制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为10％的SiC颗粒增强铝基复合材料杯状样品。其中，原料粉末：粒径为3微米和7微米各50％的SiC颗粒、粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；3微米SiC颗粒11.4克，7微米SiC颗粒11.4克，铝粉166.5克，铜粉8.0克，镁粉2.6克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：对原料粉末进行球磨，球料比为15:1，球磨的时间为30分钟，球磨的转速为200转/每分钟,制备出200克的近球形混合基元颗粒，混合基元颗粒粒径在0.3-3毫米之间。

步骤2)：将混合基元颗粒装入杯状石墨模具中，模具的上下模合模后，将其放入真空热压机中，在540℃的温度下进行热压成形，压力设置为45Mpa，保压1个小时。取出模具，去除模具后，获得近净形杯状铝基复合材料构件。

从微观结构上看，本实施例制备的近净形杯状铝基复合材料构件中，铝基体晶粒尺寸均匀，晶粒间不存在连续氧化膜，增强体颗粒分布均匀。

对本实施例制备的杯状铝基复合材料构件进行性能测试，杯状铝基复合材料构件的屈服强度为450Mpa，抗拉强度为520Mpa，延伸率2.0％。材料利用率从完全靠机加工的60％，提高到目前的95％，并显著减少机加工工时和刀具损耗。

实施例4

本实施例制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为17％的SiC颗粒增强铝基复合材锥筒零件。其中，原料粉末：粒径为3微米和13微米各50％的SiC颗粒，粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；3微米SiC颗粒192克，13微米SiC颗粒192克，铝粉1519克，铜粉73克，镁粉24克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：对原料粉末进行球磨，球料比为15:1，球磨的时间为30分钟，球磨的转速为200转/每分钟,制备出2公斤的近球形混合基元颗粒，混合基元颗粒粒径在0.5-4毫米之间。

步骤2)：利用2mm厚的1070纯铝板材扳金加工，然后焊接制备成锥筒模具。其中，模具结构与实施例2一致。将近球形混合基元颗粒装入模具内，抽真空后，封闭模具；将模具放入热等静压炉内进行热等静压处理，其中，热等静压处理的温度为620℃、压力为120MPa、保温及保压时间为1.5小时。热等静压处理后，利用机加工切削表面纯铝模具，获得铝基复合材料近净形零件。

相比现有技术使用圆柱坯锭直接机加工，本实施例方案的材料利用率从50％提高到80％。

从微观结构上看，本实施例制备的铝基复合材料近净形零件中，铝基体晶粒尺寸均匀，晶粒间不存在连续氧化膜，增强体颗粒分布均匀。

对本实施例制备的铝基复合材料近净形零件进行力学性能测试，测试结果如下：屈服强度为420MPa、抗拉强度为450MPa、延伸率为1.0％。

对比例1

对比例1制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为17％的SiC颗粒增强铝基复合材锥筒零件。其中，粒径为3微米的SiC颗粒、粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；SiC颗粒22.8克，铝粉166.5克，铜粉8.0克，镁粉2.6克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：将原料粉末进行机械混合。

步骤2)将混合粉末装入杯状石墨模具，待模具上下模合模后，装入真空热压机，在540℃的温度下进行热压成形，压力设置为50Mpa，保压1个小时。取出模具，去除模具，获得近净形杯状铝基复合材料构件。

对于对比例1，材料利用率与实施例1类似，但所制备的近净形杯状铝基复合材料构件的增强体与基体的冶金结合差，导致材料的抗拉强度降低为500MPa，延伸率显著降低为0.5％以下。

对比例2

对比例2制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为17％的SiC颗粒增强铝基复合材锥筒零件。其中，原料粉末：粒径为7微米的SiC颗粒，粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；SiC颗粒384克，铝粉1519克，铜粉73克，镁粉24克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：对原料粉末进行机械混合。

步骤2)：将混合粉末装入圆柱模具，装入真空热压机，在540℃的温度下进行热压成形，压力50Mpa，保压1个小时。取出模具，去除模具，获得铝基复合材料圆柱坯锭。

步骤3)：塑性加工，使用挤压机坯锭进行挤压变形加工，挤压变形温度450℃，挤压比4:1。

步骤4)：机械加工，根据材料结构加工出实施例2中的锥桶样品。

将对比例2制备的铝基复合材料进行力学性能测试，力学性能相比实施例2略有提升，但是，相比于实施例2中80％的材料利用率，本对比例方案的材料利用率大幅度降低，仅为50％。并且因为本对比例引入了挤压加工，增加了挤压变形加工的工艺试错成本和加工成本。由于具有挤压变形加工过程，坯锭的直径会大幅度缩小，所以如果需要制造尺寸更大的零件，则需要制备比零件直径大4倍以上的坯锭，可能造成材料的大量浪费。

对比例3

对比例3制备一种陶瓷增强颗粒的体积分数为17％的SiC颗粒增强铝基复合材锥筒零件。其中，粒径为3微米的SiC颗粒、粒径为13微米的2009铝基体粉末和合金粉末；SiC颗粒22.8克，铝粉166.5克，铜粉8.0克，镁粉2.6克。

主要制备步骤如下：

步骤1)：将基体粉末进行高能球磨，球磨工艺参数为：球料比为15：1，球磨转速为250转/每分钟，球磨10小时。然后将球磨后的基体粉末和SiC颗粒进行机械混合。混合后的形貌如图4所示，增强体颗粒与金属基体颗粒未实现冶金/机械结合。

步骤2)将混合粉末装入杯状石墨模具，待模具上下模合模后，装入真空热压机，在540℃的温度下进行热压成形，压力50Mpa，保压1个小时。取出模具，去除模具，获得近净形杯状铝基复合材料构件。

对于对比例1，材料利用率与实施例类似，但所制备的近净形杯状铝基复合材料构件的增强体与基体的冶金结合差，导致材料的抗拉强度仍为540Mpa几乎不变，但延伸率显著降低为0.5％以下。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：

球磨步骤：对微米级的原料粉末进行球磨，球磨成粒径为0.3-5毫米的混合基元颗粒；其中，所述原料粉末包括微米级的基体粉末和微米级的陶瓷增强粉末；

模具高温压力加工步骤：将所述混合基元颗粒装入模具中，并施加设定温度及设定压力，一步成形出所需形状的铝基复合材料构件。

2.根据权利要求1所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，所述模具高温压力加工步骤采用真空热压模锻加工步骤；其中，所述真空热压模锻加工步骤包括：

将混合基元颗粒装入模具；将装有混合基元颗粒的模具放入真空热压机中进行真空热压处理；在真空热压处理后，将模具去除，得到所需形状的铝基复合材料构件。

3.根据权利要求2所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，特征在于，在所述真空热压处理中：

施加的压力不低于100MPa，施加的温度为400-550℃，保压时间不低于0.5小时；和/或

所述模具的材质为钢、铝、石墨中的任一种。

4.根据权利要求2所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，所述模具高温压力加工步骤采用热等静压加工步骤；其中，所述热等静压加工步骤包括：

将所述混合基元颗粒装入模具中，抽真空后封闭模具；将装有混合基元颗粒的模具放入热等静压炉中，进行热等静压处理；在热等静压处理后，去除模具后，得到所需形状的铝基复合材料构件。

5.根据权利要求4所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，在所述热等静压加工步骤中：

所述模具是采用铝板进行钣金加工、焊接而制成；或所述模具是采用铝坯锭进行切削加工、焊接而制成；和/或

所述模具的厚度为1-5mm。

6.根据权利要求4或5所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，在所述热等静压加工步骤中：

热等静压处理的温度为600-650℃；热等静压处理的压力不小于100MPa，保压时间不低于1小时。

7.根据权利要求1-6任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，在所述球磨步骤中：

所述球磨的工艺条件控制如下：球料比为(10:1)-(20:1)，球磨的时间为20-60分钟，球磨的转速为150-200转/每分钟。

8.根据权利要求1-7任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，在所述球磨步骤中：

所述基体粉末包括铝粉和合金元素粉；优选的，所述合金元素粉为锌粉、铜粉、镁粉、硅粉、铁粉中的一种或多种；或

所述基体粉末为铝合金粉。

9.根据权利要求1-8任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，所述基体粉末的粒径为1-100微米；和/或

所述陶瓷增强粉末为碳化硅、碳化硼、二硼化钛、氧化铝中的一种或多种；和/或

所述陶瓷增强粉末的粒径为1-50微米；和/或

在球磨步骤中，球磨形成的混合基元颗粒之间呈分散状态；和/或

所述混合基元颗粒大致呈球形；和/或

所述混合基元颗粒中的增强体粉末颗粒均匀分布；和/或

在原料粉末中，所述陶瓷增强粉末的体积占比为5-25％。

10.根据权利要求1-9任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法，其特征在于，所述铝基复合材料构件的制备方法，使得材料的利用率不低于80％。

11.一种铝基复合材料构件，其特征在于，所述铝基复合材料构件为近净形构件；所述铝基复合材料构件是由权利要求1-10任一项所述的铝基复合材料构件的近净成形方法制备而成；优选的，铝基复合材料构件中的铝晶粒不存在连续氧化膜。