一种原位铝基复合材料制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料制备方法，尤其涉及一种原位铝基复合材料制备方法。
【背景技术】
[0002]铝基复合材料由于密度低、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、耐磨性能优良等优点，在航空航天、国防、汽车等领域都有着广阔的应用前景。但由于铝基复合材料的制备技术不成熟、制备成本高，因此距离规模化应用还有相当的距离。目前制备的方法主要有原位合成和挤压铸造两种:
[0003]原位合成是在基体内部发生反应生成增强相，生成的增强颗粒热稳定性好，尺寸细小且易于分布均匀，基体与增强颗粒的界面洁净，但其难点在于获得理想的增强相尺寸和形貌。目前已将高强超声引入复合材料制备，在铝合金熔炼中投入使用，可实现对增强相形貌尺寸及分布的控制，但浇铸后无法避免铸造缺陷的产生。
[0004]挤压铸造利用机械压力使金属熔体发生流动充型、结晶凝固，并发生一定的塑性变形，进而获得密实的工件。因此，挤压铸造提供的压力有助于改善颗粒的团聚现象，并使其与铝基体紧密结合，便于获得均匀致密的颗粒增强铝基复合材料坯体或制件，可减小或消除铸造缺陷的影响，但难以实现对增强相的控制。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种原位铝基复合材料制备方法。
[0006]为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是:一种原位铝基复合材料制备方法，具体分为以下步骤:
[0007]a、称取一定质量的纯铝块或铝合金块料，置于坩祸中；
[0008]b、采用感应加热装置将纯铝块或铝合金块料熔化，并使铝熔体或铝合金熔体温度保持在750?850 °C;
[0009]c、确定添加物的种类，所述添加物为Ti粉、K2TiF6粉、T1-C块体、T1-B块体的任一种；
[0010]添加物为Ti粉时，按纯铝块或者铝合金块料质量分数的1.48?5.92%称取Ti粉，用铝箔将称取好的Ti粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无Ti粉洒出；
[0011 ]添加物SK2TiF6粉时，按纯铝块或者铝合金块料质量分数的7.4?29.6 %称取K2TiF6粉，用铝箔将称取好的K2TiF6粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无K2TiF6粉洒出；
[0012]添加物为T1-C块体时，先以Ti粉和C粉为反应物，按相同物质的量将Ti粉和C粉置于球磨机，球磨Sh后，压制成T1-C块体，然后按纯铝块或者铝合金块料质量分数的4.4?17.5%称取T1-C块体；
[0013]添加物为T1-B块体时，先以Ti粉和B粉为反应物，按相同物质的量将Ti粉和B粉置于球磨机，球磨Sh后，压制成T1-B块体，然后按纯铝块或者铝合金块料质量分数的4.4?17.5%称取T1-B块体；
[0014]d、将步骤c中的添加物放入坩祸中的铝熔体或者铝合金熔体的液面中央，用超声探头2将铝箔或块体压入液面以下6?1cm;
[0015]e、开启超声换能器，在超声功率2kW，频率20kHz的条件下，振动约15?30分钟，振动至添加物与招恪体或者招合金恪体3完全反应，得到复合材料楽料；
[0016]f、将超声探头移除，关闭感应加热装置，然后将步骤e制得的复合材料浆料浇铸至挤压铸造模具的型腔12中进行加压凝固，比压为150?200Mpa，保压20?30s，浆料在压力下结晶凝固为坯料，然后用顶杆将制得的坯料顶出，最终得到Al3Ti质量分数为4?16%的Al3Ti/Al复合材料。
[0017]本发明的添加物为Ti粉时，Ti粉的目数为300目。
[0018]本发明将超声处理熔体进行原位制备与挤压铸造工艺相结合，既发挥了超声对原位反应的控制作用，又实现了原位制备和挤压铸造的优势互补，可用于制备不同原位颗粒增强或晶须增强铝基复合材料，制得的铝基复合材料增强相分布均匀，组织致密，材料力学性能相比于基体得到了极大提高。
【附图说明】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0020]图1为本发明采用超声辅助熔体装置制备复合材料浆料的操作示意图。
[0021 ]图2为本发明将铝基复合材料浆料进行挤压铸造制做坯料的示意图。
[0022]图3?图6为图2的操作分解示意图。
[0023]图3为本发明进行浇注的示意图。
[0024]图4为本发明进行加压的示意图。
[0025]图5为本发明进行保压的示意图。
[0026]图6为本发明进行脱模的示意图。
[0027]图中:I超声换能器;2超声探头;3、变幅杆;4、铝或铝合金熔体;5、添加物;6、感应加热装置;7、坩祸;8、挤压凸模;9、铝基复合材料坯体;10、垫块；11、下模板;12、顶杆；13、挤压凹模。
【具体实施方式】
[0028]如图1?图2所示，本发明所述制备方法通过超声辅助铝熔体装置进行制备;所述超声辅助铝熔体装置包括超声换能器I和坩祸7;超声换能器I通过下方的变幅杆3与超声探头2相连接，超声探头2放置在坩祸7内；坩祸7的外侧设置有感应加热装置6，感应加热装置6包覆在坩祸7的外侧四周;其制备方法具体分为以下步骤:
[0029]a、称取一定质量的纯铝块或铝合金块料，置于坩祸中；
[0030]b、采用感应加热装置将纯铝块或铝合金块料熔化，并使铝熔体或铝合金熔体温度保持在750?850 °C;
[0031]c、确定添加物的种类，所述添加物为Ti粉、K2TiF6粉、T1-C块体、T1-B块体的任一种；
[0032]添加物为Ti粉时，按纯铝块或者铝合金块料质量分数的1.48?5.92%称取Ti粉，用铝箔将称取好的Ti粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无Ti粉洒出；
[0033]添加物SK2TiF6粉时，按纯铝块或者铝合金块料质量分数的7.4?29.6 %称取K2TiF6粉，用铝箔将称取好的K2TiF6粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无K2TiF6粉洒出；
[0034]添加物为T1-C块体时，先以Ti粉和C粉为反应物，按相同物质的量将Ti粉和C粉置于球磨机，球磨Sh后，压制成T1-C块体，然后按纯铝块或者铝合金块料质量分数的4.4?17.5%称取T1-C块体；
[0035]添加物为T1-B块体时，先以Ti粉和B粉为反应物，按相同物质的量将Ti粉和B粉置于球磨机，球磨Sh后，压制成T1-B块体，然后按纯铝块或者铝合金块料质量分数的4.4?17.5%称取T1-B块体；
[0036]d、将步骤c中的添加物放入坩祸中的铝熔体或者铝合金熔体的液面中央，用超声探头2将铝箔或块体压入液面以下6?1cm;
[0037]e、开启超声换能器，在超声功率2kW，频率20kHz的条件下，振动约15?30分钟，振动至添加物与招恪体或者招合金恪体3完全反应，得到复合材料楽料；
[0038]f、将超声探头移除，关闭感应加热装置，然后将步骤e制得的复合材料浆料浇铸至挤压铸造模具的型腔12中进行加压凝固，比压为150?200Mpa，保压20?30s，浆料在压力下结晶凝固为坯料，然后用顶杆将制得的坯料顶出，最终得到Al3Ti质量分数为4?16%的Al3Ti/Al复合材料。
[0039]在实际反应时，如果Ti粉目数过大时，会增加反应时间，并且使得生成的聚合物体积过大；如果Ti粉目数过小时，会容易发生团聚现象，因此本发明将步骤c中Ti粉的目数设置为300目进行添加，这样反应充分的同时也不容易产生团聚现象。本发明挤压凸模7进行加压下行的速度为3?lOmm/s，并且挤压凸模与复合材料的浆料接触后压力逐渐增大，直至达到预设比压150?200Mpa。
[0040]本发明适用的基体材料为纯铝或者铝合金，下面根据具体实施例对纯铝、2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金、A356铝合金中的实验数据对本发明做进一步详细说明。[0041 ] 实施例1
[0042]a、称取纯铝块料100g，置于坩祸中；
[0043]b、采用电磁感应加热装置将纯铝熔化，并使铝熔体温度保持在800°C ；
[0044]c、确定添加物为Ti粉，按纯铝质量份数的2.96%称取Ti粉，用铝箔将称取好的Ti粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无Ti粉洒出；
[0045]d、将包裹有Ti粉的铝箔置于铝熔体的液面中央，用超声探头将铝箔压入液面以下6cm；
[0046]e、开启超声换能器，在超声功率2kW，频率20kHz条件下，振动20分钟，振动至Ti粉与铝熔体完全反应，得到复合材料浆料；
[0047]f、将超声探头移除，关闭感应加热装置，然后将步骤e制得的复合材料浆料浇铸至挤压铸造模具的型腔中进行加压凝固，比压为180Mpa，保压30s，浆料在压力下结晶凝固为坯料，然后用顶杆将制得的坯料顶出，最终得到Al3Ti质量分数为8%的Al3Ti/Al复合材料。
[0048]本实施例实验用纯铝抗拉强度约80MPa，制得的Al3Ti质量分数为8%的Al3Ti/Al复合材料的抗拉强度超过120MPa，抗拉强度提高50 %以上。
[0049]实施例2
[0050]a、称取纯铝块料100g，置于坩祸中；
[0051 ] b、采用电磁感应加热装置将纯铝熔化，并使铝熔体温度保持在750°C ；
[0052]c、确定添加物为K2TiF6粉，按纯铝质量份数的7.4%称取K2TiF6粉，用铝箔将称取好的K2TiF6粉包裹好，保证包裹后取放铝箔无K2TiF6粉洒出；
[0053]d、将包裹有1(21^?6粉的铝箔置于铝熔体的液面中央，用超声探头将铝箔压入液面以下8cm;
[0054]e、开启超声换能器，在超声功率2kW，频率20kHz条件下，振动25分钟，振动至1(211卩6粉与铝熔体完全反应，得到复合材料浆料；
[0055]f、将超声探头移除，关闭感应加热装置，然后将步骤e制得的复合材料浆料浇铸至挤压铸造模具的型腔中进行加压凝固，比压