一种铝基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及材料制备技术领域，特别是涉及一种铝基复合材料的制备方法。

背景技术：

现代科学技术的迅速发展使得材料的服役条件越趋复杂，除了要求更高的力学性能外，还要求具有良好的热稳定性、尺寸稳定性以及抗疲劳、耐磨损等一系列特殊性能。单一的金属、陶瓷等工程材料已难以满足这些要求，因此开发性能优良、价格低廉的金属基复合材料已成为各国材料行业的重要目标。

目前，铝基复合材料的制备方法主要有固态法和液态法，固态法制备铝基复合材料的整个工艺过程温度较低，铝基体和增强体都处于固体状态，典型的工艺有粉末冶金法，其工艺过程是先将基体合金与增强体按一定比例均匀混合，经冷压、热压或挤压等工艺制备而成。固态法生产工艺复杂，对生产设备要求苛刻，生产成本高，难以获得大规模应用。液态法是铝基体处于熔融状态下与增强体复合而制备铝基复合材料的工艺过程。液态法的成形温度较高，铝液流动性较好，可以较为容易的制备形状复杂的复合材料零部件，相对于固态法而言，液态法操作简便、生产成本低且易于实现大规模工业生产。然而，由于界面润湿性、增强相表面能、基体与增强相密度差等问题，液态搅拌铸造法制备的复合材料内增强相分散不均。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种铝基复合材料的制备方法。

一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

（1）发泡混合体制备：

以可塑性变形的金属颗粒为载体，连同tih2及增强相进行球磨，使tih2和增强相镶嵌吸附在金属颗粒载体上；

制备成的发泡混合体呈颗粒状，有效降低了单独添加增强相引起的损耗，同时，采用tih2，分解产物ti元素可与铝合金熔体反应生成ti-al金属间化合物，起到强化基体材料的作用；

（2）添加发泡混合体：

将铝或铝合金熔体置入坩埚内，在指定温度下，添加适量铝箔包裹的发泡混合体，并进行高速机械搅拌；

搅拌过程中，机械搅拌产生的切应力连同tih2高温分解产生的高压气体协同促使增强相在铝或铝合金熔体内的分散；

（3）保温沉积：

取出搅拌设备，并对整个坩埚进行保温，此阶段铝或铝合金熔体泡沫化；

保温过程中，孔泡之间的铝或铝合金熔体在重力作用下向坩埚底部运动，最终沉积在坩埚底部形成无泡层；因发泡混合体中添加的增强相为微米或纳米尺度，增强相会随同铝或铝合金熔体共同沉积在坩埚底部的无泡层；

（4）冷却成形：

达到指定保温沉积时间后，取出坩埚并冷却，泡沫体底部的无泡层即为所得铝基复合材料。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的基体材料可以是铝或铝合金中的一种。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，可塑性变形的金属颗粒载体为铝、铜、镁及其合金中的一种或多种组分的任意组合，金属颗粒载体粒度为80~400目，tih2粒度200~600目，用量为所占发泡混合体重量百分比的5~20%，增强相为sic、al2o3、tic、tib2、b4c、石墨烯中的一种或多种组分的任意组合，增强相形状可以为颗粒状、晶须状和薄片状其中的一种或多种形状同时存在，增强相尺寸＜10μm，用量为所占发泡混合体重量百分比的1~30%。发泡混合体中金属颗粒载体、tih2、增强相三者的重量百分比之和为100%。

与现有的技术相比，本发明在金属颗粒载体承载增强相的同时添加tih2，具有以下优势：

其一，可采用铜、镁合金中的一种或其组合，金属颗粒在承担增强相载体的同时还可与铝或铝合金熔体发生反应，生成金属间化合物强化基体材料的力学性能；

其二，tih2热分解会产生高压气体，推动镶嵌在发泡混合体颗粒上的增强相向熔体均匀分散；

其三，tih2的高温分解产物ti元素同样可作为铝或铝合金基体材料的合金增强元素。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采用球磨工艺，球料比为5:1~10:1，球磨转速为300~1200r/min，球磨时间为5~24h，球材质为实心304不锈钢，直径尺寸为3~15mm，料指的是金属颗粒载体、tih2、增强相三者。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，发泡混合体添加指定的温度视铝或铝合金基体熔点t熔而定，为t熔+30~t熔+300℃，且＞600℃，发泡混合体添加量为铝或铝合金熔体重量的5~20%，搅拌混合时间为2~10min，搅拌转速为2500~4000r/min。

与现有的铝基复合材料制备方法相比，本发明采用液态成形法，操作便利，因tih2热分解产生气体剧烈程度与熔体温度有关，故铝或铝合金熔体温度不宜过低，搅拌混合时间过短易造成tih2的残余，影响最终材料的性能。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，按重量均分定量发泡混合体4~8等份并用铝箔包裹，搅拌开始后，每隔10~30s将每等份包裹后的发泡混合体加入正在搅拌的铝或铝合金熔体中，直至发泡混合体添加量满足上述要求中发泡混合体添加量的要求，多次少量添加可有效避免添加过程中的搅拌不均匀。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，坩埚的保温沉积温度为t熔+30~t熔+200℃，保温沉积时间为5~30min，保温沉积过程中，保证坩埚内材料仍为熔体状态，增强相随同铝或铝合金熔体一并沉积至坩埚底部。

所述的一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，坩埚的冷却采用自然冷却、强制风冷、水雾冷却中的一种或风冷与水雾冷却并存的冷却方式。

发明专利cn108374099a公开了一种长周期结构颗粒增强镁基/铝基复合材料的制备方法，通过在镁粉、铝粉、镁合金粉或铝合金粉中加入mg-zn-y体系的增强颗粒，采用sps方法或六面顶压机方法进行热压、烧结，制得镁基/铝基复合材料，该方法中铝基复合材料的制备采用粉末冶金法，对设备依赖程度较高，所制备材料致密度差。

发明专利cn103627932b、cn108677052a、cn107747069a公开了一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，上述方法虽采用液态成形方法，但单纯机械搅拌很难实现微纳米级增强相的均匀分散。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明采用金属颗粒载体、tih2和增强相球磨制备发泡混合体，铝或铝合金熔体内添加发泡混合体可以实现三方面优势：

其一，铜、镁合金作为载体时，可与铝或铝合金熔体发生反应，生成金属间化合物强化基体材料性能；

其二，tih2热分解会产生高压气体，推动镶嵌在发泡混合体颗粒上的增强相向熔体内均匀分散；

其三，tih2的高温分解产物ti元素同样可作为基体材料的合金增强元素，本发明可实现微纳增强相在铝或铝合金熔体内的分散，生产过程中无需压实，对设备依赖程度低，操作简便。

附图说明

图1是一种铝基复合材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

一种铝基复合材料的制备方法：（1）将10g平均尺寸为2μm的sic、6.4g粒度为400目的tih2以及33.6g粒度为400目的al粉，以5:1的球料比，400r/min的转速，连续球磨6h进行制备发泡混合体，将发泡混合体按重量均分为4等份，并用铝箔包裹；

（2）取800g牌号为1070的铝熔体，待温度恒定在700℃且大于0.5h时，开启搅拌设备将1等份铝箔包裹的发泡混合体加入铝熔体并开始计时，其后每隔20s将剩余3份发泡混合体依次加入铝熔体，待5min后，关闭搅拌系统并取出搅拌桨；

（3）关闭炉盖进行保温沉积，调整炉腔温度为720℃，待保温沉积时间到达15min时，打开炉盖，取出坩埚；

（4）对坩埚进行水雾冷却，得到底层铝基复合材料。

实施例2。

一种铝基复合材料的制备方法：（1）将2g多层石墨烯、8g粒度为325目的tih2以及40g粒度为400目的al粉，以7:1的球料比，500r/min的转速，连续球磨6h进行制备发泡混合体，将发泡混合体按重量均分为5等份，并用铝箔包裹；

（2）取800g牌号为6061铝合金熔体，待铝合金熔体温度恒定在710℃且大于0.5h时，开启搅拌设备将1等份铝箔包裹的发泡混合体加入铝合金熔体并开始计时，其后每隔30s将剩余4份发泡混合体依次加入铝合金熔体，待10min后，关闭搅拌系统并取出搅拌桨；

（3）关闭炉盖进行保温沉积，调整炉腔温度为710℃，待保温沉积时间到达10min时，打开炉盖，取出坩埚；

（4）对坩埚进行强制风冷，得到底层铝基复合材料。