CN117165816A - 一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，属于金属复合材料制备技术领域。本发明所述方法为：根据填充孔隙的体积和铝基实体材料密度计算所需金属锭的质量；将铁基蜂窝填充圆管薄璧结构和铝锭堆叠放入刚玉陶瓷舟内，铝锭在薄壁结构上方，将刚玉陶瓷舟置于者耐高温玻璃管中，采用真空泵将二者抽真空，然后使用氢氧焊封管；将玻璃管置于烧结炉中进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，然后取出试样，即得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。本发明所述方法避免Al/Fe合金之间生成氧化层，所获得复合材料界面熔合完整，无明显界限，方法简洁高效，多余铝基材料可循环利用，能耗和成本较低。
Description
技术领域
本发明公开一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，属于金属复合材料制备技术领域。
背景技术
铝铁复合材料由于兼具铝基材料和铁基材料的优点，具有高导热率，耐磨和耐腐蚀性等特点，应用范围在不断拓宽。
铝铁复合材料传统制备方法主要是通过铸造和焊接工艺进行制备，过程中仍然存在大量问题，例如无法形成有效的冶金结合，热膨胀系数和凝固收缩率之间的差异导致了Al/Fe之间易生成裂纹，铝铁复合材料界面处容易形成较厚的氧化层，形成硬脆的Al/Fe中间相等问题继而导致了界面结合强度不高，机械性能差；并且由于铝铁金属各自的特性，导致铸造工艺仅适用于结构简单的构件进行复合制备，例如铝包铁导线，而且铸造工艺制备铝铁双金属构件后往往需要通过后续的热处理等工艺来增强铝铁之间的结合力，工艺流程长，因此极大限制了铝铁复合材料的制备及应用。
通过粉末冶金手段，能够避免铸造方法制备铝铁复合材料的缺陷，但铝粉操作过程较为危险、相对成本高、设备条件要求更高。
随着增材制造技术的发展，复杂构型的结构设计成为当前研究的热点，特别是拓扑结构优化，在减重的同时维持或提升零件的性能。针对复杂构型的零件，传统的铸造方式难以将铝液完全充型至结构内部，并且由于工艺特点，往往需要设计复杂的模具，并且工艺流程过长和空气暴露的原因，极易导致Al/Fe间生成黑色的氧化层，严重影响界面结合，铝铁之间并未形成整体结构，机械性能差，铝铁之间易分离，且由于松散氧化层的存在，阻碍了热传导，降低了复合材料导热性能。尽管可以通过保护气保护处理，但是对设备要求更为严苛，生产成本和消耗提升，不利于节能减排；并且挤压铸造对于压力控制不够精准，易造成复杂零件在铝液充型过程总发生变形损坏。
综上所述，本发明针对传统工艺存在的能耗高、压铸易变形、Al/Fe界面易生成氧化层、工艺流程复杂等缺点，基于经济高效的原则，采用真空封管处理，快速高效制备了Al/Fe界面结合良好的铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料，同时极大的节约了铝基材料的消耗，降低了能耗与成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料存的问题，提供一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，可以通过该方法快速高效低成本的制备得到具有良好结合界面的铝基复合材料，可以广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车工业、建筑等领域。
本发明所述方法通过以下技术方案实现：一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，填充基体材料为铝基材料块体，具体包括以下步骤：
(1)根据填充孔隙的体积和铝基实体材料密度计算所需金属锭的质量。
(2)将铁基蜂窝填充圆管薄璧结构和铝锭堆叠放入刚玉陶瓷舟内，铝锭在薄壁结构上方，将刚玉陶瓷舟置于者耐高温玻璃管中，采用真空泵将二者抽真空，然后使用氢氧焊封管。
(3)将玻璃管置于烧结炉中进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，然后取出试样，即得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。
优选的，本发明步骤(1)中每次装入铝基块体材料的质量为计算所得质量的1.3～1.75倍。
优选的，本发明步骤(2)中真空度为10-1～10-4Pa。
优选的，本发明所述烧结条件为：800～1000℃，保温100～300min。
本发明的另一目的在于提供所述制备方法制备得到的铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。
进一步地，本发明所述铝基材料均为块体状态，可以根据实际需求采购商业化铝锭或者通过熔炼方式添加所需成分。
进一步地，所述的铝基材料根据实际需求采用线切割或锯床制备适宜重力铸造所需块体。
进一步地，步骤(3)中，可以采用多样化的烧结熔炼设备对已经真空封管的试样进行升温熔化块体材料，例如普通电炉、管式炉或者箱式炉等设备，使熔化的铝基材料在重力作用下完成铁基蜂窝填充结构充型过程。
本发明根据所述方法制备得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料；所述材料既具有铁基类蜂窝结构材料良好的力学性能又兼具铝基材料轻量化，高导热导电等性能；并且不同成分铝基块体材料的使用，扩大了复合材料的应用领域与潜能。
本发明的特点如下：目前对于Al/Fe双金属的制备研究已经很多，但多数复合材料制备通过挤压铸造或常规铸造方式，铸造工艺容易导致Al/Fe界面之间产生较厚的氧化层，界面机械结合，严重影响Al/Fe复合材料的性能；铁基蜂窝填充圆管薄壁结构的填充胞元尺寸较小，传统的铸造工艺，熔化后的铝液由于表面张力过大，并且由于空气阻力存在，难以浸入到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构内部。采用压力铸造方法需要设计复杂压铸模具，并且需要保护气氛排除空气，防止Al/Fe之间形成氧化层，工艺复杂并且往往需要进行后续热处理优化材料性能。
本发明的优势在于构建真空环境采用块体材料充型铁基蜂窝填充圆管薄壁结构，真空环境有效阻止了氧化层的生成，并且去除了空气阻力的影响，更利于熔体的重力渗流，铝铁结合面良好，致密度高，力学性能好；并且对于加热设备要求降低，可以采用普通电炉、管式炉或箱式炉等设备，工艺流程短，成本和能耗低，更加绿色环保。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)不需要设计定制复杂的铸造模具，克服了铝液表面张力导致其无法充型到复杂结构内部的缺点，本发明制备样品Al/Fe之间的具有良好的冶金界面结合。
(2)块体材料的使用，相较于粉末冶金和传统铸造工艺更能降低成本，提高材料的利用率，剩余材料由于真空条件的原因，更可以循环利用，提高填充基体材料利用率。
附图说明
图1为本发明采用的铁基蜂窝填充圆管薄壁结构在耐高温玻璃管中的放置纵向和横向剖面图。
图2为本发明实施例充型后铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的宏观形貌图。
图3为本发明实施例充型后铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料金相图。
图4为本发明实施例铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料EDS图谱。
图5为本发明对比实施例压铸方法制备的蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料宏观形貌图。
图6为本发明对比实施例压铸方法制备316L蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料金相图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
以下实施例采用内直径为10cm的耐高温玻璃管，模具内部铁基蜂窝填充圆管薄壁结构放置如图1所示。
实施例1
本实施例利用竖直管式炉制备316L蜂窝填充圆管薄壁结构复合铝材料方法的工艺步骤是：
(1)预制体设计尺寸：被填充圆管外径10mm(实际尺寸略小与设计尺寸)，填充胞元边长3mm，壁厚0.4mm，高度14mm；将316L蜂窝填充圆管薄壁结构预制体按照图1所示放置于刚玉陶瓷舟内，将质量约2.54g(密度取纯铝2.7g/cm3)的铝锭于薄壁结构上方堆叠放置。
(2)然后将刚玉陶瓷舟放置于耐高温玻璃管中，采用真空泵将二者抽真空至10- 4Pa，氢氧焊封管。
(3)将玻璃管置于竖直管式炉中，设定温度为800℃，保温240min，随炉冷却至室温后取出试样，即得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料，见图2。
对本实施例的316L蜂窝填充圆管薄壁结构和充型后薄壁结构复合铝基材料质量，利用阿基米德原理计算得到316L蜂窝填充圆管薄壁结构内填充铝的密度，获得填充致密度为99.7％。
图3金相图片显示Al-Fe结合界面无明显的氧化层生成，薄壁结构与纯铝界面结合良好。
对复合材料铝铁结合位置沿垂直于界面方向做了铝和316L元素成分的线扫描分析；其结果如图4所示，EDS能谱显示316L中的Fe、Cr元素向Al基体中扩散更为显著，Al元素向316L基体中扩散较少，过渡区域为Fe4Al13金属间化合物，Al/Fe之间无黑色氧化层生成；因此所获得的316L蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的Al/Fe界面的结合方式是冶金结合，同时因为Al/Fe过渡区生成了金属间化合物导致界面结合处硬度升高，具体性能表征见表1。
实施例2
本实施例利用箱式炉制备18Ni300蜂窝填充圆管薄壁结构复合铝材料方法的工艺步骤是：
(1)预制体设计尺寸：被填充圆管外径10mm(实际尺寸略小与设计尺寸)，填充胞元边长3mm，壁厚0.4mm，高度14mm；将316L蜂窝填充圆管薄壁结构预制体按照图1所示放置于刚玉陶瓷舟内，将质量约2.54g(密度取纯铝2.7g/cm3)的铝锭于薄壁结构上方堆叠放置。
(2)然后将刚玉陶瓷舟放置于耐高温玻璃管中，采用真空泵将二者抽真空至10- 4Pa，氢氧焊封管。
(3)将玻璃管置于竖直管式炉中，设定温度为1000℃，保温100min，随炉冷却至室温后取出试样，即得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。
对本实施例的18Ni300蜂窝填充圆管薄壁结构和充型后薄壁结构复合铝基材料质量，利用阿基米德原理计算得到18Ni300蜂窝填充圆管薄壁结构内填充铝的密度，获得填充致密度为98.3％。
其金相图片显示Al-Fe结合界面无明显的氧化层生成，18Ni300薄壁结构与纯铝界面结合良好；对复合材料铝铁结合位置沿垂直于界面方向做了铝和18Ni300元素成分的线扫描分析，其过渡区域为Al-Fe金属间化合物，因此所获得的18Ni300蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的Al/Fe界面的结合方式是冶金结合，同时因为Al/Fe过渡区生成了金属间化合物导致界面结合处硬度升高；具体性能表征见表1。
对比实施例
本实施例利用压铸方法制备316L蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料方法的工艺步骤是：
(1)将316L蜂窝填充圆管薄壁结构固定于铸造模具中，模具置于压铸机平台上加热至450℃，保温。
(2)采用中频感应炉将纯铝锭熔化为液态，浇铸时温度控制在720℃，浇铸后立即将压铸机压头压下，将浇铸在模具中的铝液压入316L蜂窝填充圆管薄壁结构中，压头压力为20吨，压头保压时长15min。
(3)将模具连带压铸好的样品从压铸机上取下，以锤敲碎模具，取出压铸完成的试样。
(4)采用锯床切除多余部分铸锭，线切割将压铸完成的试样从铝基体中切割出来，即可获得复合材料见图5。
对本实施例的316L蜂窝填充圆管薄壁结构和充型后薄壁结构复合铝基材料质量，利用阿基米德原理计算得到18Ni300蜂窝填充圆管薄壁结构内填充铝的密度，获得填充致密度为98.5％；其金相图片图6显示Al-Fe结合界面有明显的黑色氧化层生成，18Ni300薄壁结构与纯铝界面是机械结合；对复合材料铝铁结合位置沿垂直于界面方向做了铝和18Ni300元素成分的线扫描分析，其黑色过渡区并无Al-Fe间化合物生成；具体性能表征见表1。
表1性能参数对比表
通过对比分析可以看出真空重力充型316L蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料铝铁界面结合较压铸工艺制备的试样更好；压铸工艺制备316L蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料铝铁界面的具有明显的黑色氧化层，并且部分结构孔隙部分未被充型，压铸过程中部分结构发生损坏；采用本方法真空重力充型的试样其Al/Fe结合区及铝基体的硬度比压铸所得试样更高，并且压铸复合材料整个制备过程时间长且较为繁琐，操作过程危险性更高。
Claims (5)
1.一种铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，填充基体材料为铝基材料块体，具体包括以下步骤：
(1)根据填充孔隙的体积和铝基实体材料密度计算所需金属锭的质量；
(2)将铁基蜂窝填充圆管薄璧结构和铝锭堆叠放入刚玉陶瓷舟内，铝锭在薄壁结构上方，将刚玉陶瓷舟置于者耐高温玻璃管中，采用真空泵将二者抽真空，然后使用氢氧焊封管；
(3)将玻璃管置于烧结炉中进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，然后取出试样，即得到铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中每次装入铝基块体材料的质量为计算所得质量的1.3～1.75倍。
3.根据权利要求1所述铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中真空度为10-1～10-4Pa。
4.根据权利要求1所述铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：烧结条件为：800～1000℃，保温100～300min。
5.权利要求1～4任意一项所述制备方法制备得到的铁基蜂窝填充圆管薄壁结构增强铝基复合材料。
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