专利名称：一种高强度原位铝基复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别提供了一种高强度原位生长陶瓷粒子增强铝基复合材料。
近年来，为改善陶瓷增强相和铝基体之间的界面相容性或避免严重的界面反应，原位生长陶瓷相增强铝基复合材料得到广泛关注。然而采用目前通常使用的反应体系(铝-钛-碳，铝-钛-硼)生产的原位铝基复合材料通常都含有一定数量的脆性金属间化合物Al3Ti(Scripta Metall.Mater.，vol.24，No.5(1990)，873-878和Mater.Sci.Eng.，vol.A131，No.(1991)，69-76)。这主要是由于所使用的钛粉末比较粗大，表面活性差，这样受元素扩散等动力学因素的影响，钛和硼之间的反应难于进行彻底，由于铝在基体中是大量存在的，这样铝和钛之间的反应很难避免。脆性金属间化合物Al3Ti对复合材料的强度、塑性和韧性会产生极其不利的影响。
本发明的目的在于提供一种高强度原位铝基复合材料及其制备方法，其具有高的强度和良好的塑性、韧性，可用于各种要求高强度、高模量的场合。
本发明提供了一种高强度原位铝基复合材料，其特征在于该复合材料由原位形成的三氧化二铝、二硼化钛弥散粒子和铝基体组成，弥散粒子的尺寸为0.01-5.0微米，原位增强相的体积总含量在0.05-0.50，其中三氧化二铝和二硼化钛的摩尔比是2∶(3±0.15)。
本发明还提供了上述高强度原位铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下
采用物理机械方法使10-150μm的铝或铝合金、0.5-5μm的二氧化钛和0.5-6μm的硼粉末均匀混合，铝或铝合金、二氧化钛和硼的重量比为78.8∶3.7∶1到5.8∶3.7∶1；混合粉末冷压实后在10-3托真空条件下逐步加热除气；在560-600℃热压至75-85％理论密度；然后升温至780-860℃真空烧结0.2-1小时；随后降温至560-620℃在50-150MPa压力下加压密化；热压锭在400-480℃以5∶1-50∶1挤压比挤压成型。
测试表明所获得的原位三氧化二铝和二硼化钛弥散粒子增强铝基复合材料具有良好的机械性能。
本发明设计了一个全新的反应体系，铝-二氧化钛-硼。在该体系中，铝和二氧化钛首先发生铝热反应，生成三氧化二铝并置换出钛，钛进一步与硼反应生成二硼化钛。由于在体系中二氧化钛粒子尺寸极其细小并呈非常均匀的分布，并且置换出的钛具有很高的活性，这样钛和硼之间的反应可以充分进行。当二氧化钛和硼的重量比为3.7∶1(摩尔比为1∶2)时，不仅脆性金属间化合物Al3Ti的形成被抑制，而且原位生成的三氧化二铝和二硼化钛粒子尺寸非常细小。同文献(Int.J.Powder，vol.27，No.3(1991)，227-235和Scripta Metall.Mater.，vol.29，No.2(1993)，225-22)提供的数据相比可以发现，在相同的增强相体积分数(20vol.％)条件下，原位三氧化二铝和二硼化钛弥散粒子复合增强铝复合材料的抗拉强度(353MPa)远远高于粉末法制备的碳化硅颗粒增强铝(200MPa)和碳化硅晶须增强铝(278MPa)。通过以上比较说明原位三氧化二铝和二硼化钛弥散粒子显著提高了铝基体的强度。有理由相信原位三氧化二铝和二硼化钛弥散粒子增强铝作为一种新型高强度复合材料会有着广阔的应用前景。
下面通过实施例详述本发明。
实施例110.5vol.％三氧化二铝和9.5vol.％二硼化钛弥散强化铝复合材料制造工艺将重量比为17.9∶3.7∶1的铝、二氧化钛和硼粉末用高能球磨方法混合均匀，冷压实后在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃热压至80％理论密度，然后升温至830℃烧结0.3小时，随后降温至600℃在100MPa压力下加压密化，热压锭在420℃以20∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为353MPa，相对于未增强铝提高了243％，在300℃的拉伸强度是163MPa，室温弹性模量100GPa。
比较例1在铝-二氧化钛-硼体系中固定二氧化钛的加入量，减少硼的加入量，使二氧化钛和硼粉末的重量比为5.5∶1(摩尔比为3∶4)，在相同的制备工艺条件下，所制备复合材料除含有10.5vol.％三氧化二铝和6.3vol.％二硼化钛外，还含有7.9vol.％的Al3Ti，该复合材料的室温拉伸强度为311MPa。
比较例2在铝-二氧化钛-硼体系中固定二氧化钛的加入量，减少硼的加入量到零，在相同的制备工艺条件下，所制备复合材料除含有10.5vol.％三氧化二铝外，还含有23.7vol.％的Al3Ti，该复合材料的室温拉伸强度为145MPa。
实施例25.3vol.％三氧化二铝和4.7vol.％二硼化钛弥散强化铝复合材料制造工艺将重量比为38.2∶3.7∶1的铝、二氧化钛和硼粉末用高能球磨方法混合均匀，冷压实后在10-3托真空条件下逐步加热除气，在590℃热压至78％理论密度，然后升温至850℃烧结0.2小时，随后降温至590℃在120MPa压力下加压密化，热压锭在400℃以22∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为190MPa，相对于未增强铝提高了84％。
实施例310.5vol.％三氧化二铝和9.5vol.％二硼化钛弥散强化Al-4Cu合金基复合材料制造工艺将重量比为18.5∶3.7∶1的Al-4Cu、二氧化钛和硼粉末用高能球磨方法混合均匀，冷压实后在10-3托真空条件下逐步加热除气，在580℃热压至75％理论密度，然后升温至840℃烧结0.15小时，随后降温至570℃在150MPa压力下加压密化，热压锭在450℃以25∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为482MPa，相对于未增强Al-4Cu提高了120％，室温弹性模量105GPa。
权利要求
1.一种高强度原位铝基复合材料，其特征在于该复合材料由原位形成的三氧化二铝、二硼化钛弥散粒子和铝基体组成，弥散粒子的尺寸为0.01-5.0微米，原位增强相的体积总含量在0.05-0.50，其中三氧化二铝和二硼化钛的摩尔比是2∶(3±0.15)。
2.一种权利要求1所述高强度原位铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下采用物理机械方法使10-150μm的铝或铝合金、0.5-5μm的二氧化钛和0.5-6μm的硼粉末均匀混合，铝或铝合金、二氧化钛和硼的重量比为78.8∶3.7∶1到5.8∶3.7∶1；混合粉末冷压实后在10-3托真空条件下逐步加热除气；在560-600℃热压至75-85％理论密度；然后升温至780-860℃真空烧结0.2-1小时；随后降温至560-620℃在50-150MPa压力下加压密化；热压锭在400-480℃以5∶1-50∶1挤压比挤压成型。
全文摘要
一种高强度原位铝基复合材料,其特征在于:该复合材料由原位形成的三氧化二铝、二硼化钛弥散粒子和铝基体组成,弥散粒子的体积含量在0.05－0.50,尺寸为0.01－5.0微米。其制备方法是使用铝、二氧化钛和硼粉末在780－860℃真空烧结0.2－1小时,随后降温至560－620℃在50－150MPa压力下加压密化,最后挤压成型。本发明提供的复合材料具有高的强度和良好的塑性、韧性,可用于各种要求高强度、高模量的场合。
文档编号C22C21/00GK1376805SQ0110634
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月23日 优先权日2001年3月23日
发明者马宗义, 毕敬 申请人:中国科学院金属研究所