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CN107739864A - 一种铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种铝基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝基复合材料的制备方法，属于合金材料制备技术领域。本发明首先以铝镁铜合金为原料，加热熔融后雾化成预处理合金粉，再将预处理合金粉和钛粉混合后，以无水乙醇为分散介质，搅拌混合后真空干燥，得混合合金粉，随后将混合合金粉装入铝包套，减压保温处理后，焊接封口，再经热等静压、热挤压和固溶处理后，冷却至室温，即得铝基复合材料。本发明所得铝基复合材料具有优异的力学性能。

Description

一种铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明公开了一种铝基复合材料的制备方法，属于合金材料制备技术领域。
背景技术
金属基复合材料是指以金属、合金或金属间化合物为基体，并且含有增强成分的一种复合材料。它是复合材料的一个新分支，虽然在20世纪60年代末才开始有了较快的发展，但是金属基复合材料克服了聚合物基复合材料导热性能差、不导电、易吸湿、老化、释放小分子等缺点，同时该类材料因比模量和比强度较高、高温力学性能良好、耐磨性能优异、热膨胀系数较小、尺寸稳定性高、抗疲劳性能优异等特点而被广泛应用于航空航天、汽车等领域。比如钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件，石墨/铝基复合材料是卫星和宇宙飞行器的良好结构材料。
轻质金属基复合材料一般包括铝基、镁基、钛基以及其相关合金基复合材料。铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。按增强体形态的不同可分为晶须、短纤维、连续纤维和颗粒增强复合材料。相较于颗粒增强复合材料，纤维增强复合材料的制造工艺复杂、加工温度高、性能波动大以及成本高，未能得到大规模的工业应用；而颗粒增强金属基复合材料的制备工艺简单、成本低，可用常规金属加工设备来制备，同时还具有高的比强度和比模量，以及耐磨、耐热和耐腐蚀等优良性能，使得颗粒增强金属基复合材料备受研究者的关注并引起了很大的商业热情。目前常用增强体材料有氧化物（如SiO2、Al2O3等）、氮化物（如TiN、AlN和Si3N4等）以及应用最为广泛的碳化物（如SiC、TiC等）。但是，目前的铝基复合材料综合力学性能还不是很高，还需对其进一步研究。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统铝基复合材料力学性能不佳的问题，提供了一种铝基复合材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）将铝镁铜合金于氩气保护状态下加热至800～1000℃，待铝镁铜合金熔融后，通过雾化器喷雾至氮氧混合气体中，待雾化结束，并冷却至室温，出料，得预处理合金粉；
（2）按质量比为5：1～10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量8～10倍的无水乙醇中，高速搅拌混合后，真空干燥，得混合合金粉；
（3）将混合合金粉装入铝包套中，于压力为0.1～0.8Pa，温度为600～800℃条件下保温3～5h，待自然冷却至室温后，焊接封口；
（4）将焊接封口后的铝包套热等静压2～4h，再经热挤压和固溶处理，出料，冷却至室温，即得铝基复合材料。
步骤（1）所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25或铝镁铜合金2A12中的任意一种。
步骤（1）所述氮氧混合气体是由氮气和氧气按体积比为80：1～100：1混合而成。
步骤（4）所述热等静压条件为：温度为1400～1500℃，压力为100～120MPa。
步骤（4）所述热挤压条件为：挤压力为200～280kN，挤压速率为3～5mm/s，挤压比为10：1～15：1，挤压温度为680～780℃。
步骤（4）所述固溶处理条件为：温度为1500～1550℃，时间为45～60min。
本发明的有益效果是：
本发明技术方案首先将铝镁铜合金在高温下雾化后与氮氧混合气体接触，一方面，可使雾化后的合金液滴冷却固化成粉，使合金颗粒细化，有利于在基体中的均匀分布，提高增强效果，另一方面，可使合金粉末表面铝与气体中氮气和氧气反应，在合金粉末表层生成氮化铝、氧化铝、氧化镁及氧化铜的复合层，可有效避免在后续处理过程中，其中的镁、铝、铜与活泼的钛金属反应生成过多的脆性金属间化合物，从而影响产品力学性能，另外，其中的氧化铝可与钛反应，使合金粉末呈现多孔结构，而其中熔点较低的金属渗出后，与钛接触，生成金属间化合物，填充于多孔结构中，并在多孔结构表面形成包覆层，在提高两者界面结合强度的同时，还可以有效保留材料的延展性，使产品综合力学性能得到有效提高。
具体实施方式
将铝镁铜合金倒入坩埚中，并将坩埚移入高温熔炉，以60～120mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，加热升温至800～1000℃，待坩埚中铝镁铜合金完全熔融后，趁热将熔融的铝镁铜合金通过雾化器喷雾至充有氮氧混合气体的反应釜中，待雾化结束，自然冷却至室温，出料，得预处理合金粉；按质量比为5：1～10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量8～10倍的无水乙醇中，用搅拌机以1500～1800r/min转速高速搅拌混合45～60min，得混合分散液，并将所得混合分散液转入真空干燥箱，于温度为75～90℃条件下，真空干燥4～6h，得混合合金粉；再将所得混合合金粉装入铝包套中，将铝包套抽真空至0.1～0.8Pa，并于温度为600～800℃条件下，保温处理3～5h，待铝包套自然冷却至室温后，进行焊接封口，再将焊接封口后的铝包套转入热等静压机，于温度为1400～1500℃，压力为100～120MPa条件下，热等静压2～4h，再将热等静压后的铝包套移入热挤压机，调节挤压力为200～280kN，挤压温度为680～780℃，于挤压速率为3～5mm/s条件下，控制挤压比为10：1～15：1，得热挤压铝包套，随后将热挤压铝包套于温度为1500～1550℃条件下，固溶处理45～60min，待自然冷却至室温，即得铝基复合材料。所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25或铝镁铜合金2A12中的任意一种。所述氮氧混合气体是由氮气和氧气按体积比为80：1～100：1混合而成。
实例1
将铝镁铜合金倒入坩埚中，并将坩埚移入高温熔炉，以120mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，加热升温至1000℃，待坩埚中铝镁铜合金完全熔融后，趁热将熔融的铝镁铜合金通过雾化器喷雾至充有氮氧混合气体的反应釜中，待雾化结束，自然冷却至室温，出料，得预处理合金粉；按质量比为10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量10倍的无水乙醇中，用搅拌机以1800r/min转速高速搅拌混合60min，得混合分散液，并将所得混合分散液转入真空干燥箱，于温度为90℃条件下，真空干燥6h，得混合合金粉；再将所得混合合金粉装入铝包套中，将铝包套抽真空至0.8Pa，并于温度为800℃条件下，保温处理5h，待铝包套自然冷却至室温后，进行焊接封口，再将焊接封口后的铝包套转入热等静压机，于温度为1500℃，压力为120MPa条件下，热等静压4h，再将热等静压后的铝包套移入热挤压机，调节挤压力为280kN，挤压温度为780℃，于挤压速率为5mm/s条件下，控制挤压比为15：1，得热挤压铝包套，随后将热挤压铝包套于温度为1550℃条件下，固溶处理60min，待自然冷却至室温，即得铝基复合材料。所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25。所述氮氧混合气体是由氮气和氧气按体积比为100：1混合而成。
实例2
将铝镁铜合金倒入坩埚中，并将坩埚移入高温熔炉，以120mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，加热升温至1000℃，待坩埚中铝镁铜合金完全熔融后，趁热将熔融的铝镁铜合金通过雾化器喷雾至充有氮气的反应釜中，待雾化结束，自然冷却至室温，出料，得预处理合金粉；按质量比为10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量10倍的无水乙醇中，用搅拌机以1800r/min转速高速搅拌混合60min，得混合分散液，并将所得混合分散液转入真空干燥箱，于温度为90℃条件下，真空干燥6h，得混合合金粉；再将所得混合合金粉装入铝包套中，将铝包套抽真空至0.8Pa，并于温度为800℃条件下，保温处理5h，待铝包套自然冷却至室温后，进行焊接封口，再将焊接封口后的铝包套转入热等静压机，于温度为1500℃，压力为120MPa条件下，热等静压4h，再将热等静压后的铝包套移入热挤压机，调节挤压力为280kN，挤压温度为780℃，于挤压速率为5mm/s条件下，控制挤压比为15：1，得热挤压铝包套，随后将热挤压铝包套于温度为1550℃条件下，固溶处理60min，待自然冷却至室温，即得铝基复合材料。所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25。
实例3
将铝镁铜合金倒入坩埚中，并将坩埚移入高温熔炉，以120mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，加热升温至1000℃，待坩埚中铝镁铜合金完全熔融后，趁热将熔融的铝镁铜合金通过雾化器喷雾至充有氧气的反应釜中，待雾化结束，自然冷却至室温，出料，得预处理合金粉；按质量比为10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量10倍的无水乙醇中，用搅拌机以1800r/min转速高速搅拌混合60min，得混合分散液，并将所得混合分散液转入真空干燥箱，于温度为90℃条件下，真空干燥6h，得混合合金粉；再将所得混合合金粉装入铝包套中，将铝包套抽真空至0.8Pa，并于温度为800℃条件下，保温处理5h，待铝包套自然冷却至室温后，进行焊接封口，再将焊接封口后的铝包套转入热等静压机，于温度为1500℃，压力为120MPa条件下，热等静压4h，再将热等静压后的铝包套移入热挤压机，调节挤压力为280kN，挤压温度为780℃，于挤压速率为5mm/s条件下，控制挤压比为15：1，得热挤压铝包套，随后将热挤压铝包套于温度为1550℃条件下，固溶处理60min，待自然冷却至室温，即得铝基复合材料。所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25。
实例4
将铝镁铜合金倒入坩埚中，并将坩埚移入高温熔炉，以120mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，加热升温至1000℃，待坩埚中铝镁铜合金完全熔融后，趁热将熔融的铝镁铜合金通过雾化器喷雾至充有氩气的反应釜中，待雾化结束，自然冷却至室温，出料，得预处理合金粉；按质量比为10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量10倍的无水乙醇中，用搅拌机以1800r/min转速高速搅拌混合60min，得混合分散液，并将所得混合分散液转入真空干燥箱，于温度为90℃条件下，真空干燥6h，得混合合金粉；再将所得混合合金粉装入铝包套中，将铝包套抽真空至0.8Pa，并于温度为800℃条件下，保温处理5h，待铝包套自然冷却至室温后，进行焊接封口，再将焊接封口后的铝包套转入热等静压机，于温度为1500℃，压力为120MPa条件下，热等静压4h，再将热等静压后的铝包套移入热挤压机，调节挤压力为280kN，挤压温度为780℃，于挤压速率为5mm/s条件下，控制挤压比为15：1，得热挤压铝包套，随后将热挤压铝包套于温度为1550℃条件下，固溶处理60min，待自然冷却至室温，即得铝基复合材料。所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25。
对比例：山东某材料科技有限公司生产的铝基复合材料。
将实例1至4所得铝基复合材料和对比例产品按照GJB5443检测其力学性能，具体检测结果如表1所示：
表1
检测内容 实例1 实例2 实例3 实例4 对比例
屈服强度/MPa 650 560 550 540 520
弹性模量/MPa 110 98 95 90 80
由表1检测结果可知，本发明所得铝基复合材料具有优异的力学性能。

Claims (6)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）将铝镁铜合金于氩气保护状态下加热至800～1000℃，待铝镁铜合金熔融后，通过雾化器喷雾至氮氧混合气体中，待雾化结束，并冷却至室温，出料，得预处理合金粉；
（2）按质量比为5：1～10：1将预处理合金粉与钛粉混合倒入预处理合金粉质量8～10倍的无水乙醇中，高速搅拌混合后，真空干燥，得混合合金粉；
（3）将混合合金粉装入铝包套中，于压力为0.1～0.8Pa，温度为600～800℃条件下保温3～5h，待自然冷却至室温后，焊接封口；
（4）将焊接封口后的铝包套热等静压2～4h，再经热挤压和固溶处理，出料，冷却至室温，即得铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述铝镁铜合金为铝镁铜合金2B25或铝镁铜合金2A12中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述氮氧混合气体是由氮气和氧气按体积比为80：1～100：1混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述热等静压条件为：温度为1400～1500℃，压力为100～120MPa。
5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述热挤压条件为：挤压力为200～280kN，挤压速率为3～5mm/s，挤压比为10：1～15：1，挤压温度为680～780℃。
6.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述固溶处理条件为：温度为1500～1550℃，时间为45～60min。
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