CN106086500B - 一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，首先将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(1～1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；然后将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；最后将生坯预热后加入到温度为700～900℃的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。本发明利用Al‑Ti‑C体系热爆反应，能够快速制备原位三维连续增强Al基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于先进金属基复合材料制备领域，具体涉及一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法。
背景技术
三维连续增强Al基复合材料又名网络交叉Al基复合材料，其增强体与Al基体在三维空间连续并相互贯通呈网络机构。此复合构型较传统颗粒、纤维增强Al基复合材料更有助于充分发挥增强体、基体性能。因此，三维连续增强Al基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗磨损性能和抗热震性能，较高的热导率，较低的热膨胀系数，在航空航天、汽车、电子、机械制造等领域具有广泛的应用前景。目前，三维连续增强Al基复合材料制备方法主要为预制件浸渗成型法，其一般包括多孔增强预制件制备与Al熔体填充两个步骤。多孔预制件可通过有机前驱体浸渍法、粉末烧结法、烧蚀法、泡沫塑料挂浆法、溶胶-凝胶法等制备，但以上方法往往存在制备工艺复杂、预制件强度较低等问题。另一方面，Al熔体填充过程中通常需借助浸渗、挤压、压铸等辅助工艺，且Al基体与增强体界面处易产生缺陷(裂纹、界面反应等)，进而影响复合材料使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明利用Al-Ti-C体系热爆反应在Al熔体内原位内生三维连续增强体，实现原位三维连续增强Al基复合材料的简单快速制备。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(1～1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；
步骤3：将生坯预热处理后加入到温度为700～900℃的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
进一步地，步骤1中Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均大于99％，粒度均≤100μm。
进一步地，步骤1中研磨时间为30～60min。
进一步地，步骤2中模具为内径为10mm的圆柱形钢铁模具。
进一步地，步骤2中进行冷压时，对模具中的混合粉料施加50～150MPa的径向压力，得到厚度为10～20mm的圆柱体生坯。
进一步地，步骤3中生坯预热时的温度为700～900℃，时间为1～3min。
进一步地，步骤3中反应时间为30～60s。
一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将纯度大于99％，平均粒径为20μm的Ti粉、纯度大于99％，平均粒径为40μm的Al粉和纯度大于99％，平均粒径为40μm的石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在800℃的温度下预热2min，然后放入800℃的Al熔体内，静置45s后取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用熔体内Al-Ti-C坯体热爆反应，能够在简单工艺下制备三维连续增强Al基复合材料。三维连续增强体在熔体内原位内生，省去了多孔预制体制备环节，且在多孔预制体生成过程中，Al熔体自发进入其孔径中，形成增强体与基体相互贯通网络结构的复合材料，且Al基体与增强体界面为冶金结合，而传统的浸渗工艺制备的三维连续增强Al基复合材料界面多为机械结合，故本发明方法中制备的复合材料界面结合强度更高。此外，通过改变初始反应粉末粒径、比例等，可实现原位三维增强体的可控设计。
进一步地，选择纯度大于99％，粒度均≤100μm的Ti粉、Al粉和石墨粉可以保证熔体内热爆反应的充分进行。
进一步地，选择30-60min的混粉研磨时间，可保证粉末的充分混匀。
进一步地，选择50-150MPa径向压力，可保证制备过程中坯体具有足够强度。
进一步地，选择700～900℃预热温度，可实现生坯的快速预热。
附图说明
图1为实施例1中制备的原位三维连续增强Al基复合材料宏观照片；
图2为实施例1中制备的原位三维连续增强Al基复合材料微观组织形貌图，其中(a)为放大200倍下复合材料微观组织照片，(b)为放大3500倍下复合材料微观组织照片。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将纯度均大于99％，粒度均≤100μm的Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(1-1.2):1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30～60min(或采用球磨工艺)，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在50～150MPa的径向压力下冷压成厚度为10～20mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在700～900℃的温度下预热1～3min，然后放入700～900℃的Al熔体内，静置30～60s后取出冷却，得到原位三维连续增强Al基复合材料。
需要说明的是，基体材料还可以选用除纯Al以外的其它Al合金。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤1：将Ti粉(纯度大于99％，平均粒径20μm)、Al粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在800℃的温度下预热2min，然后放入800℃的Al熔体内，静置45s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
图1为Al-Ti-C坯体在Al熔体内热爆反应后得到的原位三维连续增强Al基复合材料照片。从图可知，原位内生的三维增强体为连续结构，Al基体充满增强体孔径。图2(a)为复合材料的微观组织照片。从图可知，此工艺制备的三维增强相较为致密，增强相主要包含层片状三元MAX相(Ti2AlC/Ti3AlC2)、颗粒状TiC，此两相存在于Al3Ti相中，如图2(b)所示。
实施例2
步骤1：将Ti粉(纯度大于99％，平均粒径20μm)、Al粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)按照2:1.1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨50min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在50MPa的径向压力下冷压成厚度为20mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在850℃的温度下预热1.5min，然后放入850℃的Al熔体内，静置45s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
实施例3
步骤1：将Ti粉(纯度大于99％，平均粒径20μm)、Al粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨60min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在100MPa的径向压力下冷压成厚度为10mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在700℃的温度下预热3min，然后放入700℃的Al熔体内，静置60s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
实施例4
步骤1：将Ti粉(纯度大于99％，平均粒径20μm)、Al粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99％，平均粒径40μm)按照2:1.2:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在150MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在900℃的温度下预热1min，然后放入900℃的Al熔体内，静置30s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
Claims (6)
1.一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(1～1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入模具中，对模具中的混合粉料施加50～150MPa的径向压力，得到厚度为10～20mm的圆柱体生坯；
步骤3：将生坯在700～900℃的温度下预热处理1～3min后加入到温度为700～900℃的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤1中Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均大于99％，粒度均≤100μm。
3.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤1中研磨时间为30～60min。
4.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤2中模具为内径为10mm的圆柱形钢铁模具。
5.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤3中反应时间为30～60s。
6.一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将纯度大于99％，平均粒径为20μm的Ti粉、纯度大于99％，平均粒径为40μm的Al粉和纯度大于99％，平均粒径为40μm的石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；
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