一种B₄C/Al复合材料的制备方法

一种B₄C/Al复合材料的制备方法
【专利摘要】一种B4C/Al复合材料的制备方法，涉及一种复合材料的制备方法。本发明是要解决现有方法制备的B4C/Al复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差的问题。方法：一、称料：称取B4C粉末和含铝材料；二、混料：将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，得到混合粉末；三、干燥：将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥；四、制备：将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具烧结，随炉冷却，即得到B4C/Al复合材料。该方法制备的复合材料的增强体体积分数能在很大范围内变化，制备时间能够大幅缩减，使复合材料制备效率大幅提高，力学性能优异。本发明用于铝基复合材料领域。
【专利说明】
一种B4C/AI复合材料的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]铝基复合材料的研究开始于上个世纪50年代。近20年来，在理论上和技术上都取得了较大的成就。作为密度最小的常用陶瓷材料，碳化硼有望使复合材料的比模量和比强度比有大幅提高。目前对于B4C/A1复合材料主要的制备工艺主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法、喷射沉积法等。这些方法各有优势，但是通过上述方法制备的B4C/A1复合材料有如下不足:I)制备过程较长、成本较高、耗能较大；2)传统方法制备的B4C/A1复合材料的体积分数受到严格限制，一般是制备体积分数较低的复合材料。上述缺点严重阻碍B4C/AI复合材料的大规模制备和应用。所以，找到一种的更加快捷、高效制备B4C/AI复合材料的方法，显得尤为重要。
[0003]现有工艺方法制备的B4C/A1复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差。

【发明内容】

[0004]本发明是要解决现有方法制备的B4C/A1复合材料的增强体体积分数范围窄，复合材料的力学性能差的问题，提供一种B4C/A1复合材料的制备方法。
[0005]本发明B4C/A1复合材料的制备方法，按以下步骤进行:
[0006]一、称料:按体积分数称取10 % -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含铝材料;所述B4C粉末的粒径为1-30μπι，所述含铝材料为铝粉或铝合金粉；
[0007]二、混料:将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末;球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时；
[0008]三、干燥:将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒温，干燥时间为24-48小时；
[0009]四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结;烧结前炉内抽真空至2Pa，施加轴向压力为40-50MPa，以100°C/min升温至440-600°C并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/A1复合材料。
[0010]本发明的有益效果:
[0011 ]本发明选用SPS方法制备B4C/A1复合材料，为制备B4C/A1复合材料找到了崭新的方法，能制备组织均匀的B4C/A1复合材料。
[0012]1、本发明方法制备的B 4 C / AI复合材料的增强体体积分数能在很大范围内变化(10%-85%)，可有多种选择。
[0013]2、本发明方法的制备时间能够大幅缩减，在数十分钟内即可完成B4C/A1复合材料的烧结，使B4C/Al复合材料制备效率大幅提尚。
[0014]3、本发明制备出的B4C/A1复合材料力学性能优异。所制备的B4C/2024A1复合材料经过T6处理后其最高弯曲强度超过了 11OOMPa。
【附图说明】
[0015]图1为试验一制备的B4C/2024Α1复合材料三点弯曲断口形貌；
[0016]图2为试验二制备的B4C/2024A1复合材料三点弯曲断口形貌；
[0017]图3为试验三制备的B4C/1060Α1复合材料三点弯曲断口形貌。
【具体实施方式】
[0018]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0019]【具体实施方式】一:本实施方式B4C/A1复合材料的制备方法，按以下步骤进行:
[0020 ] 一、称料:按体积分数称取1 % -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含铝材料；
[0021 ] 二、混料:将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末；
[0022]三、干燥:将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒温，干燥时间为24-48小时；
[0023]四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结;施加轴向压力为40-50MPa，以100°C/min升温至440-600°C并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/A1复合材料。
[0024]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一所述B4C粉末的粒径为1-30μπι。其它与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:步骤一所述含铝材料为招粉或招合金粉;其中招合金为Ixxx系招合金、2χχχ系招合金、3χχχ系招合金、4χχχ系招合金、5χχχ系招合金、6χχχ系招合金或7χχχ系招合金。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0026]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中按体积分数称取10%的B4C粉末和90%的含招材料。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0027]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中按体积分数称取85%的B4C粉末和15%的含铝材料。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0028]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中按体积分数称取45%的B4C粉末和55%的含铝材料。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0029]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中按体积分数称取55%的B4C粉末和45%的含铝材料。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0030]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:步骤二中球磨的球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0031]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:步骤二中球磨的球料比为4:1，球磨机的转速为300-400r/min，球磨时间为2-3小时。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0032]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同的是:步骤四中施加轴向压力为45MPa。其它与【具体实施方式】一至九之一相同。
[0033]【具体实施方式】十一:本实施方式与【具体实施方式】一至十之一不同的是:步骤四中以100°C/min升温至480?500°C。其它与【具体实施方式】一至十之一相同。
[0034]【具体实施方式】十二:本实施方式与【具体实施方式】一至十之一不同的是:步骤四中以100°C/min升温至540°C。其它与【具体实施方式】一至十之一相同。
[0035]为验证本发明的有益效果进行以下试验:
[0036]试验一:体积分数为10%的B4C/2024A1复合材料的制备方法是按以下步骤实现:
[0037]一、称料:按体积分数称取10 %的B4C粉末和90 %的2024A1粉末，B4C粉末的粒径为
4.5μηι ο
[0038]二、混料:将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末;球料比为3:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
[0039]三、干燥:将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒温，干燥时间36小时。
[0040]四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为40MPa、以100 0C /min升温至440 °C并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
[0041]对本试验制备的体积分数为10%的B4C/2024A1复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/2024A1复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了 1060MPa。图1为其弯曲断口形貌的SEM照片，从可以看出，复合材料烧结致密，B4C颗粒分布均匀，可以看到断口存在大量撕裂棱，断裂方式为准解理断裂。
[0042]试验二:体积分数为45%的B4C/2024A1复合材料的制备方法是按以下步骤实现:
[0043]一、称料:按体积分数称取85%的B4C粉末和15%的2024A1粉末，B4C粉末的粒径为4.5μπι0
[0044]二、混料:将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末。球料比为4:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
[0045]三、干燥:将混好的粉末取出，将粉末放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒温，干燥时间48小时。
[0046]四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为45MPa、以100 0C /min升温至580 °C并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
[0047]对本试验制备的体积分数为45%的B4C/2024A1复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/2024A1复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了 940MPa。图2为其弯曲断口形貌的SEM照片，从可以看出，复合材料烧结致密，B4C颗粒分布均匀，可以看到断口存在大量撕裂棱，断裂方式为准解理断裂。
[0048]试验三:体积分数为85%的B4C/1060A1复合材料的制备方法是按以下步骤实现:
[0049]一、称料:按体积分数称取85%的B4C粉末和15%的1060A1粉末，B4C粉末的粒径为
17.5μπι0
[0050]二、混料:将称好的料放入球磨罐中利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末。球料比为5:1，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为2.5小时。
[0051]三、干燥:将混好的粉末取出，将粉末放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒温，干燥时间24-48小时。
[0052]四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结。烧结前炉内真空至2Pa，对粉末施加轴向压力为50MPa、以100 0C /min升温至600 °C并保温5min，制备好的复合材料随炉冷却后取出。
[0053]对本试验制备的体积分数为85%的B4C/1060A1复合材料进行三点弯曲实验，所制备的B4C/1060A1复合材料经过T6处理后其弯曲强度达到了 380MPa。图3为其弯曲断口形貌，从中可以看出，断裂方式为脆性断裂。得到了用传统方法很难制得的高体积分数B4C/1060A1复合材料。
【主权项】
1.一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行: 一、称料:按体积分数称取1% -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含铝材料； 二、混料:将B4C粉末和含铝材料放入球磨罐中，利用行星球磨机进行球磨混粉，得到混合粉末； 三、干燥:将混好的粉末取出放入托盘中，置于干燥箱中进行充分干燥，干燥箱保持300C恒温，干燥时间为24-48小时； 四、制备:将干燥好的混合粉末从干燥箱中取出，放入石墨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结;施加轴向压力为40-50MPa，以100 °C /min升温至440-600 °C并保温5min，然后随炉冷却，即得到B4C/A1复合材料。2.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述B4C粉末的粒径为1_30μπι。3.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述含铝材料为招粉或招合金粉;其中招合金为Ixxx系招合金、2xxx系招合金、3xxx系招合金、4xxx系招合金、5xxx系招合金、6xxx系招合金或7xxx系招合金。4.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取45 %的B4C粉末和55 %的含铝材料。5.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取55 %的B4C粉末和45 %的含铝材料。6.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中球磨的球料比为(3-5):1，球磨机的转速为200-500r/min，球磨时间为1-5小时。7.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中球磨的球料比为4:1，球磨机的转速为300-400r/min，球磨时间为2-3小时。8.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中施加轴向压力为45MPa。9.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中以100°C/min升温至480?500 °C。10.根据权利要求1所述的一种B4C/A1复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中以100°C/min升温至540°C。
【文档编号】C22C1/05GK105861904SQ201610480043
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】张强, 张福阳, 姜龙涛, 陈国钦, 修子扬, 武高辉
【申请人】哈尔滨工业大学