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CN114892045B - 原位自组装核壳结构增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

原位自组装核壳结构增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN114892045B CN202210542242.8A CN202210542242A CN114892045B CN 114892045 B CN114892045 B CN 114892045B CN 202210542242 A CN202210542242 A CN 202210542242A CN 114892045 B CN114892045 B CN 114892045B
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Abstract

本发明公开了一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，其中通过原位自组装生成的Ti@Ti5Si3增强相具有核壳结构，CNTs的加入细化了共晶硅的尺寸，而硅元素抑制了Al‑CNTs间的界面反应并改善了二者的界面结合，使得Ti@Ti5Si3和CNTs的协同强化效果得到了充分发挥，所制备的铝基复合材料具有优异的力学性能。本发明铝基复合材料的制备方法，利用粉末冶金工艺，在较低的成型温度下即可通过硅元素在基体中的固溶析出并在钛颗粒周围扩散偏聚促进Ti‑Si之间的互扩散反应，实现铝基复合材料中Ti@Ti5Si3核壳结构的原位自组装合成制备。

Description

原位自组装核壳结构增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料合成制备技术领域，涉及一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，本发明还涉及上述材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料(AMCs)因具有低密度、高比强度、良好的导热导电性、低热膨胀系数及良好的耐蚀性等优异性能，已成为轻金属基复合材料中最具代表性的材料之一，在快速发展的航空航天、轨道交通及汽车构件轻量化等领域展现出广阔的应用前景。Ti5Si3作为钛硅金属间化合物的一种，因具有优异的力学性能、低电阻率(50～120μΩ·cm)、良好的耐磨性、高硬度(968±30HV)、热膨胀系数低以及化学性质稳定等优点，被视为复合材料理想的增强相之一，将其与铝基、钛基等轻金属基体复合，有望获得轻质高强、高硬且化学性质稳定的高性能金属基复合材料。目前Ti5Si3作为增强相在钛基复合材料中得到了关注和研究，黄陆军等人(Liu B X,Huang L J,Rong X D,et al.Composites Science andTechnology,2016,126:94-105)结合Ti-TiB2原位自生反应，同时添加Si，采用粉末冶金法制备了两级网络状结构(TiBw+Ti5Si3)/TC4复合材料，较一级网状结构TiBw/TC4复合材料表现出更高的室温/高温强度、耐热性能和抗氧化能力。然而，在铝基复合材料中采用粉末冶金法原位合成Ti5Si3作为增强相材料鲜有报道，其存在的难题主要有：(1)Ti5Si3合成温度高：在富钛环境中，通过钛与硅之间的原位反应合成Ti5Si3的温度往往超过1000℃，而铝基复合材料的成型温度往往较低，因此在制备过程中不易合成Ti5Si3增强相。(2)共晶反应形成较大的初晶硅颗粒易导致复合材料开裂：在铝基复合材料中利用Ti-Si之间的原位反应合成Ti5Si3相时，复合材料中往往伴随着Al-Si共晶反应的发生，并会形成较大尺寸的共晶硅颗粒，容易导致加载过程中的应力集中而成为裂纹源弱化复合材料的力学性能。碳纳米管(CNTs)因具有优异的力学性能，包括极高的强度、韧性以及良好的导电导热、耐腐蚀等特性引起了人们的广泛关注和研究，其作为增强相材料在提升铝基复合材料力学性能和导电导热等综合性能已得到广泛研究。但是CNTs增强铝基复合材料在提升铝基体性能的同时存在着：Al-CNTs无界面反应时，界面润湿性差、结合不牢固，难以将载荷由基体有效传递至CNTs，使得CNTs的强化效果不理想；高温下CNTs与铝基体易发生界面反应，虽然生成的Al4C3界面反应物可以改善Al-CNTs间的界面结合，但是其作为易水解的硬脆相对材料的力学性能及结构稳定性存在潜在不利影响。
综上所述，Ti5Si3和CNTs作为增强相均对金属基体性能的提升具有良好的潜在作用，然而受上述瓶颈问题的限制，难以充分发挥其强化效果。针对以上瓶颈问题，本发明创新性地提出利用Al-Si共晶反应过程中硅元素在铝基体中的固溶及析出并在Ti颗粒周围扩散偏聚的现象，促进钛-硅之间的互扩散反应，获得一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，其中原位生成的Ti5Si3为壳，内部未反应的金属钛为核；同时添加CNTs，利用CNTs作为Al-Si共晶反应的异质核心，促进共晶硅的形核，达到细化共晶硅的效果；此外，利用硅元素在基体中的固溶及溶解降低碳原子在铝基体中的扩散速率，达到抑制Al-CNTs界面反应的目的。在此基础上，通过Si元素促进Al-CNTs间的界面适配与相容性，同时利用界面析出的微纳米硅粒子的钉扎作用进一步加强Al-CNTs间的界面结合，促进载荷传递效率，实现铝基复合材料力学性能的提升。本发明通过原位自组装形成的Ti@Ti5Si3核壳结构与CNTs之间的协同效应，为解决Ti5Si3和CNTs增强铝基复合材料研究中所存在的难题提供了一种创新性的解决策略。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，该复合材料抗拉强度大幅提升的同时延性仍得到良好保持，实现了强韧性的良好匹配，同时致密度高、组织细小、微观组织和结构可控。
本发明的第二个目的是提供上述铝基复合材料的制备方法，该方法解决了现有技术中存在的Ti5Si3增强相不易在铝基复合材料中合成制备、合成制备过程中伴随共晶反应产生的共晶硅尺寸粗大以及Al-CNTs界面反应难以控制的问题。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，铝基复合材料整体呈均匀结构，其组分包括铝基体以及弥散分布的CNTs、共晶硅颗粒和Ti@Ti5Si3增强相，Ti@Ti5Si3增强相具有核壳结构，以原位自组装生成的Ti5Si3为壳，芯部未反应的金属钛为核，Ti5Si3壳层的厚度能够通过原料配比及烧结工艺参数进行控制。
本发明所采用第一种技术方案的特点还在于：
本发明的自组装核壳结构增强铝基复合材，按照质量百分比由以下组分组成：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％。
铝粉采用球形铝粉，粒径范围为20～30μm；硅粉为不规则形状，粒径范围为1～10μm；CNTs直径范围为10nm～200nm，长度范围为100nm～1cm；钛粉的粒径范围为5～30μm。
本发明所采用的第二种技术方案是：一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法，具体的制备步骤如下：
步骤1、按照质量百分比分别称取：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％，将铝粉和硅粉置于惰性气氛下高能球磨4～12h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、将聚乙烯基吡咯烷酮分散剂分散于无水乙醇中，得到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液中，通过同步超声分散和机械搅拌分散均匀并过滤，取滤出混合粉末置于真空干燥箱中干燥，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
步骤3、将AlSi预合金粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于惰性气氛下低能球磨2～8h，得到Al-Si-Ti-CNTs混合粉末；
步骤4、将Al-Si-Ti-CNTs混合粉末置于石墨模具中预压成型，再进行烧结，得到烧结成型的块体试样，继续将块状试样预热后进行二次变形加工，得到原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
本发明所采用第二种技术方案的特点还在于：
步骤1中的高能球磨和步骤3中的低能球磨均采用行星球磨或滚筒球磨，磨球均采用氧化锆；步骤1和步骤3中通入的惰性气体均为氩气，充气时间为2～5min；步骤1中高能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为5～15:1，球磨转速为200～400r/min；步骤3中低能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为1～5:1，球磨转速为100～200r/min。
步骤2中同步超声分散和机械搅拌的时间为1～3h，机械搅拌的转速为50～200r/min；真空干燥箱的干燥温度为50～80℃，干燥时间为4～12h。
步骤2中聚乙烯基吡咯烷酮的添加量为CNTs质量的1～10wt.％。
步骤4中的烧结方式采用热压烧结或放电等离子烧结，烧结温度为550～630℃，烧结压力为20～40MPa，烧结时间为1～3h；块状试样的预热温度为300～450℃，预热时间为5～60min；二次变形加工采用热挤压、热轧或拉拔工艺。
铝粉采用球形铝粉，粒径范围为20～30μm；硅粉为不规则形状，粒径范围为1～10μm；CNTs直径范围为10nm～200nm，长度范围为100nm～1cm；钛粉的粒径范围为5～30μm。
本发明的有益效果是：
本发明的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料：1)材料的成分及结构可设计性强：仅需通过改变Ti-Si质量比及烧结工艺参数，就可以实现对Ti@Ti5Si3核壳结构中Ti5Si3外壳和芯部钛颗粒比例的调控，所采用的粉末冶金工艺通过对原料配比的设计就可对复合材料中Ti@Ti5Si3及CNTs增强相的占比进行精确控制，制备的材料力学性能优异；2)Si元素在界面处的析出可以有效改善Al-CNTs间的润湿性和界面结合，同时能抑制不利的界面反应，从而有利于CNTs强化效果的充分发挥；3)在Ti@Ti5Si3及CNTs的协同强化作用下，材料的抗拉强度大幅提升同时延性仍得到良好保持，实现了强韧性的良好匹配，同时致密度高、组织细小、微观组织和结构可控。
本发明的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法：1)操作简单方便，可控性高：利用粉末冶金工艺，在较低的成型温度下即可通过硅元素在基体中的固溶析出并在钛颗粒周围扩散偏聚促进Ti-Si之间的互扩散反应，实现铝基复合材料中Ti@Ti5Si3核壳结构的原位自组装合成制备；2)增强相的协同作用显著：将CNTs作为Al-Si共晶反应的核心，可以有效促进共晶硅的细化；而硅元素对于Al-CNTs的界面反应可以起到抑制作用；同时CNTs周围析出的微纳米Si颗粒亦可以改善Al-CNTs间的界面润湿性和界面结合，充分发挥Ti5Si3及CNTs增强相在铝基复合材料中的协同强化作用，达到1+1＞2的强化效果。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的AlSi预合金化混合粉末的扫描照片及能谱结果；
图2是本发明实施例1中制备的Ti-CNTs混合粉末的扫描照片；
图3是本发明实施例2中制备的铝基复合材料的金相显微照片；
图4是本发明实施例2中制备的铝基复合材料中Ti@Ti5Si3核壳结构微观形貌扫描照片和能谱结果；
图5是本发明对比例1～4和实施例1～4制备的试样的X射线衍射图谱；
图6是本发明对比例1～4和实施例1～2制备的试样的拉伸应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，铝基复合材料整体呈均匀结构，其组分包括铝基体以及弥散分布的CNTs、共晶硅颗粒和Ti@Ti5Si3增强相，所述Ti@Ti5Si3增强相具有核壳结构，以原位自组装生成的Ti5Si3为壳，芯部未反应的金属钛为核，Ti5Si3壳层的厚度能够通过原料配比及烧结工艺参数进行控制。上述的铝基复合材料按照质量百分比由以下组分组成：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％。其中，铝粉采用球形铝粉，粒径范围为20～30μm；硅粉为不规则形状，粒径范围为1～10μm；CNTs直径范围为10nm～200nm，长度范围为100nm～1cm；钛粉的粒径范围为5～30μm。
上述铝基复合材料具体的制备步骤如下：
步骤1、按照质量百分比分别称取：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％，将铝粉和硅粉置于惰性气氛下高能球磨4～12h，得到AlSi预合金化混合粉末；
上述步骤中高能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为5～15:1，球磨转速为200～400r/min，采用行星球磨或滚筒球磨，磨球采用氧化锆。
步骤2、将聚乙烯基吡咯烷酮分散于无水乙醇中，得到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液中，通过同步超声分散和机械搅拌1～3h分散均匀并过滤，取滤出混合粉末置于真空干燥箱中于50～80℃干燥4～12h，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
其中，机械搅拌的转速为50～200r/min。
聚乙烯基吡咯烷酮的添加量为CNTs质量的1～10wt.％。
步骤3、将AlSi预合金粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于惰性气氛下低能球磨2～8h，得到Al-Si-Ti-CNTs混合粉末；
上述步骤中低能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为1～5:1，球磨转速为100～200r/min，采用行星球磨或滚筒球磨，磨球采用氧化锆。
步骤4、将Al-Si-Ti-CNTs混合粉末置于石墨模具中预压成型，再于550～630℃的烧结温度、20～40MPa的烧结压力下烧结1～3h，得到烧结成型的块体试样，继续将块状试样于300～450℃预热5～60min后采用热挤压、热轧或拉拔工艺加工，得到原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
上述的制备过程中，铝粉采用球形铝粉，粒径范围为20～30μm；硅粉为不规则形状，粒径范围为1～10μm；CNTs直径范围为10nm～200nm，长度范围为100nm～1cm；钛粉的粒径范围为5～30μm；烧结方式采用热压烧结或放电等离子烧结。
下面结合对比例和实施例对本发明作进一步详细描述。
对比例1
作为本发明的对比例1，采用放电等离子烧结制备纯铝材料，具体按照以下步骤实施：
称取铝粉60g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气2min，进行高能行星球磨，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h。随后再加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到球磨纯铝粉末。将其在石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min，进行热挤压，得到对比纯铝材料。
对比例2
作为本发明的对比例2，采用放电等离子烧结制备Al-0.5CNTs复合材料，按照以下步骤实施：
称取铝粉59.5g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气3min，进行高能行星球磨，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h。然后将经球磨的纯铝和CNTs置于球磨罐中，加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到均匀混合的Al-CNTs混合粉末。将其在石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min，进行热挤压，得到Al-CNTs复合材料。
对比例3
作为本发明的对比例3，采用放电等离子烧结制备Al-1.5Si材料，按照以下步骤实施：
称取铝粉59.1g，硅粉0.9g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气5min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h。随后再加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到Al-Si粉末。将其在石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min，进行热挤压，得到Al-1.5Si材料试样。
对比例4
作为本发明的对比例4，采用放电等离子烧结制备Al-5Si材料，按照以下步骤实施：
称取铝粉55g，硅粉3g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气2min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h。随后再加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到Al-Si粉末。将其在石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min，进行热挤压，得到Al-5Si材料试样。
实施例1
制备一种原料成分配比为Al-1Si-0.5CNTs-0.15Ti的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料，具体制备步骤如下：
步骤1、称取铝粉59.01g，硅粉0.6g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气2min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、量取无水乙醇20ml，称取CNTs0.3g，钛粉0.09g，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)0.015g，将PVP分散于无水乙醇中得到PVP无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到PVP无水乙醇分散液中，采用同步超声分散和200r/min转速的机械搅拌混合，混合1h使分散均匀并过滤；取滤出Ti-CNTs混合粉末置于80℃的真空干燥箱中干燥4h，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
步骤3、将AlSi预合金化混合粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到均匀混合的Al-1Si-0.5CNTs-0.15Ti混合粉末；
步骤4、将Al-1Si-0.5CNTs-0.15Ti混合粉末置于石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min后通过热挤压工艺，得到一种Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
实施例2
制备一种原料成分配比为Al-5Si-0.5CNTs-0.9Ti的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料，按照以下步骤实施：
步骤1、称取铝粉56.16g，硅粉3g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气5min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为200r/min，球料比为10:1，球磨8h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、量取无水乙醇30ml，称取CNTs0.3g，钛粉0.54g，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)0.015g，将PVP分散于无水乙醇中得到PVP无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到PVP无水乙醇分散液中，采用同步超声分散和150r/min转速的机械搅拌混合，混合1h使分散均匀并过滤，取滤出Ti-CNTs混合粉末置于60℃的真空干燥箱中干燥8h，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末。
步骤3、将AlSi预合金化混合粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇1ml，充入氩气5min，球磨转速为200r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到均匀混合的Al-5Si-0.5CNTs-0.9Ti混合粉末；
步骤4、将Al-5Si-0.5CNTs-0.9Ti混合粉末置于石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为630℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为1h，最后将烧结成型的块体试样在400℃预热20min后通过热挤压，得到一种Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
实施例3
制备一种原料成分配比为Al-12Si-1CNTs-2Ti的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料，按照以下步骤实施：
步骤1、称取铝粉51g，硅粉5.2g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气2min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为400r/min，球料比为5:1，球磨4h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、量取无水乙醇50ml，称取CNTs0.6g，钛粉1.2g，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)0.06g，将PVP分散于无水乙醇中得到PVP无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到PVP无水乙醇分散液中，采用同步超声分散和100r/min转速的机械搅拌混合2h使分散均匀并过滤，取滤出Ti-CNTs混合粉末于50℃的真空干燥箱中干燥12h，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
步骤3、将AlSi预合金化混合粉末和CNTs-Ti混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇1ml，充入氩气3min，球磨转速为200r/min，球料比为3:1，球磨2h，得到均匀混合的Al-12Si-1CNTs-2Ti混合粉末。
步骤4、将Al-12Si-1CNTs-2Ti混合粉末置于石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为550℃，烧结压力为40MPa，烧结时间为3h，最后将烧结成型的块体试样在450℃预热5min，进行拉拔，得到一种Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
实施例4
制备一种原料成分配比为Al-12Si-3CNTs-2Ti的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料，按照以下步骤实施：
步骤1、称取铝粉49.8g，硅粉5.2g，置于球磨罐中，加入球磨助剂无水乙醇2.5ml，充入氩气3min，采用行星球磨进行预合金化，球磨转速为300r/min，球料比为15:1，球磨12h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、量取无水乙醇15ml，称取CNTs1.8g，钛粉1.2g，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)0.018g，将分散粘合剂聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)分散于无水乙醇中得到PVP无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到PVP无水乙醇分散液中，进行同步超声分散和50r/min转速的机械搅拌混合3h使分散均匀并过滤，取滤出Ti-CNTs混合粉末于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
步骤3、将AlSi预合金化混合粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇1ml，充入氩气2min，球磨转速为100r/min，球料比为1:1，球磨8h，得到均匀混合的Al-12Si-3CNTs-2Ti混合粉末；
步骤4、将Al-12Si-3CNTs-2Ti混合粉末置于石墨模具中预压成型，进行放电等离子烧结，烧结温度为600℃，烧结压力为20MPa，烧结时间为2h，最后将烧结成型的块体试样在300℃预热60min，进行热轧，得到一种Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
下面为本发明制备的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料进行微观组织形貌观察、相组成分析及力学性能测试结果，具体如下：
(1)图1是本发明实施例1中制备的Al-Si混合粉末微观形貌扫描照片和能谱结果，从图1a可以看出，高能行星球磨后铝粉发生了较大的塑性变形，由原始的近球形变为薄片状并相互折叠，硅颗粒分布于经塑性变形的铝粉表面并有部分硅颗粒嵌入铝粉当中；图1b显示混合粉末中硅元素分布均匀，即表明高能球磨可以将Al-Si均匀混合并预合金化，同时可以显著增加铝粉的比表面积。
(2)图2是本发明实施例1中制备的Ti-CNTs混合粉末的扫描照片，由图2可以看出，经过同步超声和机械搅拌分散后，CNTs可以均匀地粘附于钛粉表面，这有利于将其均匀地分散于铝基体当中，同时为充分发挥CNTs在铝基复合材料中细化共晶硅的尺寸并强化铝基体的性能奠定了良好微观基础。
(3)图3是本发明实施例2中制备的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料的金相照片，从图3可以看出，经过烧结和热挤压后，复合材料实现了完全致密化；图中空心箭头所指的即为原位自组装生成的Ti@Ti5Si3增强相，其由外部壳层和内部核心组成，外层为硅元素通过在铝基体中固溶析出及扩散偏聚在钛颗粒周围并与钛发生互扩散反应生成的Ti5Si3相，而内部核心则是未反应的钛，两者形成了统一的Ti@Ti5Si3复合增强相。可以推测，随着烧结温度的升高或烧结时间的延长，钛颗粒周围偏聚的硅元素会持续与未反应的钛发生互扩散反应，从而改变Ti5Si3壳层厚度，甚至可将内部钛颗粒完全消耗；图中实心箭头所指为共晶硅颗粒，经过统计测量发现其平均尺寸仅有0.5～0.5μm，并且弥散均匀分布，初始大尺寸颗粒占比较少，说明在引入CNTs之后，其作为硅粒子固溶析出和共晶反应的异质核心，促进了共晶硅的弥散析出过程，起到了细化共晶硅尺寸的作用。
(4)图4是实施例2制备的铝基复合材料中Ti@Ti5Si3核壳结构微观形貌扫描照片和能谱结果，图4a的扫描照片清晰地显示在原始钛颗粒外层有一层连续的反应层生成，结合能谱图4b-4e可以看出，外部的壳层主要由钛元素和硅元素组成，对应于Ti5Si3生成相，而内部核心主要由钛元素组成，对应未反应的钛颗粒，进一步证明了硅元素在铝基复合材料中通过与钛元素的互扩散自组装反应形成了Ti@Ti5Si3核壳结构增强相。
(5)图5是对比例1～4和实施例1～4制得的试样的X射线衍射图谱，对比例2所制备的Al-CNTs复合材料中检测到了Al4C3的衍射峰，即表明对比例2的制备过程中铝基体和CNTs发生了明显的界面反应；在实施例1～4中均没有检测到Al4C3的衍射峰，表明采用本发明的制备方法制备铝基复合材料的过程中，硅元素对于Al-CNTs的反应起到了抑制作用，且随着硅元素和钛元素含量的增加，生成的Ti5Si3相的衍射峰逐渐加强，这也进一步印证了复合材料微观组织中所观察到的Ti@Ti5Si3核壳结构增强相的生成。
(6)图6是对比例1～4和实施例1～2制备的试样的拉伸应力-应变曲线图，从图6可以看出，对比例1制备的纯铝的屈服强度和抗拉强度分别为103MPa和126MPa；对比例2制备的Al-0.5CNTs的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为152MPa、209MPa和13.5％；对比例4制备的Al-5Si的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为210MPa、264MPa和5％；本发明实施例2所制备的原料成分配比为Al-5Si-0.5CNTs-0.9Ti的原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料的屈服强度和抗拉强度分别达到295MPa和324MPa，与纯铝、Al-CNTs和Al-Si对比例相比复合材料的强度得到了显著提升，同时延伸率仍保持在8％以上，实现了强韧性的良好匹配。
综上可知，本发明通过原位自组装形成的Ti@Ti5Si3核壳结构，结合CNTs强化及其作为Al-Si共晶反应的异质核心对共晶硅的细化作用实现了对复合材料微观组织的调控，充分发挥了Ti5Si3及CNTs增强相在铝基复合材料中的协同强化作用，达到1+1＞2的强化效果，所制备的复合材料致密度高、组织细小、微观组织和结构可控、力学性能优异。

Claims (6)

1.一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，其特征在于，按照质量百分比由以下原料组分组成：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％；所述铝基复合材料整体呈均匀结构，其组分包括铝基体以及弥散分布的CNTs、共晶硅颗粒和Ti@Ti5Si3增强相，所述Ti@Ti5Si3增强相具有核壳结构，以原位自组装生成的Ti5Si3为壳，芯部未反应的金属钛为核，Ti5Si3壳层的厚度能够通过原料配比及烧结工艺参数进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝粉采用球形铝粉，粒径范围为20～30μm；硅粉为不规则形状，粒径范围为1～10μm；CNTs直径范围为10nm～200nm，长度范围为100nm～1cm；钛粉的粒径范围为5～30μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤如下：
步骤1、按照质量百分比分别称取：铝粉83～98.35wt.％，硅粉1～12wt.％，钛粉0.15～2wt.％，CNTs0.5～3wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％，将铝粉和硅粉置于惰性气氛下高能球磨4～12h，得到AlSi预合金化混合粉末；
步骤2、将聚乙烯基吡咯烷酮分散于无水乙醇中，得到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液，将CNTs和钛粉加入到聚乙烯基吡咯烷酮的无水乙醇分散液中，通过同步超声分散和机械搅拌分散均匀并过滤，取滤出混合粉末置于真空干燥箱中干燥，得到干燥的CNTs-Ti混合粉末；
步骤3、将AlSi预合金粉末和干燥的CNTs-Ti混合粉末置于惰性气氛下低能球磨2～8h，得到Al-Si-Ti-CNTs混合粉末；
步骤4、将Al-Si-Ti-CNTs混合粉末置于石墨模具中预压成型，再进行烧结，得到烧结成型的块体试样，继续将块状试样预热后进行二次变形加工，得到原位自组装Ti@Ti5Si3核壳结构增强铝基复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的高能球磨和步骤3中的低能球磨均采用行星球磨或滚筒球磨，磨球均采用氧化锆；步骤1和步骤3中通入的惰性气体均为氩气，充气时间为2～5min；步骤1中高能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为5～15:1，球磨转速为200～400r/min；步骤3中低能球磨过程中采用的球磨助剂为无水乙醇或异丙醇，球料比为1～5:1，球磨转速为100～200r/min。
5.根据权利要求3所述的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中同步超声分散和机械搅拌的时间为1～3h，机械搅拌的转速为50～200r/min，聚乙烯基吡咯烷酮的添加量为CNTs质量的1～10wt.％；真空干燥箱的干燥温度为50～80℃，干燥时间为4～12h。
6.根据权利要求3所述的一种原位自组装核壳结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的烧结方式采用热压烧结或放电等离子烧结，烧结温度为550～630℃，烧结压力为20～40MPa，烧结时间为1～3h；块状试样的预热温度为300～450℃，预热时间为5～60min；二次变形加工采用热挤压、热轧或拉拔工艺。
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