一种Al2O3增强铝基复合材料及其制备方法

本发明属于氧化铝颗粒增强铝基复合材料制备领域，具体地，涉及一种al2o3增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
：氧化铝颗粒增强铝基复合材料(al-mmcs)具有质量轻、比强度与比刚度高、耐高温性能好、抗磨性卓越，以及可用常规工艺和设备进行成型与处理等很多优良性能，除可用于航空航天工业和军事工业外，还可用于制造汽车的汽缸体、活塞、刹车摩擦件上。现有技术中广泛使用氧化物直接加入al熔体中，经过搅拌使其混合均匀。强化相氧化物可选用氧化铝或能与铝熔体反应的sio2，cuo，tio2或盐类nh4al(so4)2。但由于是液相反应或强化相分散，因此存在着反应温度高，强化相粗大和分散不均等问题。目前，已有关于al2o3颗粒增强铝基复合材料的现有技术。例如200710124776.4是把纳米氧化铝颗粒直接加入铝金属熔液，采用超声搅拌的方法使纳米氧化铝颗粒分散在铝熔液中，然后注入模具，得到轻金属基纳米复合材料。此技术工艺具有简单，可控等优点，但是纳米颗粒是通过外加的方式进入基体，存在界面有污染，结合强度低等缺点。201010505574.6是采用硼砂类硼化物和k2zrf6类氟化物粉剂为反应混合盐，采用熔体直接反应法在铝熔体内直接合成制备纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料。由于该反应的反应物和生成物都很复杂，反应过程中伴随着熔渣的产生，还有kf气体的释放，虽说此技术工艺能得到单一的纳米氧化铝增强铝基复合材料，但是该工艺存在反应过程复杂，生产过程环境负荷大，有熔渣产生和气体释放等缺点。杨绍斌,张旭,谢帅.高质量分数al2o3/al复合材料的硬度和耐磨性能[j].材料保护,2018,51(04):47-50提出一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，按重量百分比计，该复合材料的原料包括粒径为10μm，纯度＞99％的al2o3粉和粒径为75μm，纯度＞99％的al粉。制备方法包括以下步骤：将60％-95％al粉和5％-40％al2o3粉加入到球磨罐中，以100r/min球磨速度球磨2h，使粉末混合均匀。将球磨粉加入到20mm压片模具中，在we－30万能试验机上冷压成型(20mm×5mm)，压力为150kn，保压5min。放入管式炉内，氮气保护，升温到600℃，保温4h，取出冷却至室温，得到al2o3增强铝基复合材料，虽然此篇文献的al2o3粉用量增多，但是得到al2o3增强铝基复合材料的硬度不高。固相粉末冶金法也用于制备颗粒增强铝基复合材料，具有可以任意调整强化相的比例，强化相分布均匀等优点。但固相粉末冶金法一般来说，会采用球磨机来混合强化相和基体，在这过程中，容易带来杂质(来自磨球和球磨罐)，以及球磨过程中的温度升高容易引起粉末的氧化等一系列问题。因此，针对目前制备氧化铝颗粒增强铝基复合材料的技术存在的缺陷，亟待提出一种新的制备方法并获得氧化铝颗粒增强铝基复合材料。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种al2o3增强铝基复合材料及其制备方法。本发明的al2o3增强铝基复合材料中al2o3能均匀弥散地分布在铝基体，有效地增强铝基体。为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括5-25％的al2o3和75-95％的基体材料，优选为10-22％的所述al2o3和78-90％的基体材料，进一步优选为15-20％的所述al2o3和80-85％的基体材料；该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；s2：分别对所述基体材料和不锈钢板进行预处理；s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的基体材料上，将放置有步骤s1的al2o3的基体材料对折，使基体材料包裹住步骤s1的al2o3，然后，将基体材料四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的基体材料的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。本发明另一方面提供了由所述方法制得的al2o3增强铝基复合材料。本发明的技术方案具有如下有益效果：通过本发明的制备方法，可在室温制备出不同含量强化相的al2o3增强铝基复合材料，且可使强化相的质量分数达到25％。制备的al2o3增强铝基复合材料强化相分布均匀，强化效果显著。由于氧化铝来源于铝粉经高温氧化，在氧化的过程中，可控制得到一种中间为铝核心，外部为致密的氧化铝层包裹住心部铝的复合形状颗粒，这样有助于改善复合材料断裂时裂纹的偏转方向，有增韧的作用。本发明采用的制备设备为普通的双辊冷轧机，制备工艺流程简单，可大量制备al2o3增强铝基复合材料。本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。附图说明通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1示出了本发明提供的一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法的工艺简图。图2(a)-(d)依次示出了本发明的实施例1-4提供的一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法制得的al2o3增强铝基复合材料的微观组织图。具体实施方式下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。本发明一方面提供了一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括5-25％的al2o3和75-95％的基体材料，优选为10-22％的所述al2o3和78-90％的基体材料，进一步优选为15-20％的所述al2o3和80-85％的基体材料；该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；s2：分别对所述基体材料和不锈钢板进行预处理；s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的基体材料上，将放置有步骤s1的al2o3的基体材料对折，使基体材料包裹住步骤s1的al2o3，然后，将基体材料四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的基体材料的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。根据本发明，优选地，在步骤s1中，所述氧化处理的步骤包括对al2o3坩埚进行处理，将所述铝粉平铺于处理后的al2o3坩埚中，依次进行第一次加热、搅拌和第二次加热处理，得到所述al2o3。根据本发明，优选地，对al2o3坩埚进行处理的步骤包括烘烤al2o3坩埚，将烘烤后的al2o3坩埚置于空气中冷却至室温；所述烘烤的温度为500-600℃，时间为25-35min，设备为电阻热处理炉。根据本发明，优选地，所述第一次加热和第二次加热的温度均为500-600℃，时间均为8-12h，设备均为电阻热处理炉。本发明中，作为优选方案，将电阻热处理炉设定温度到500-600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚25-35min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为500-600℃，时间均为8-12h。根据本发明，优选地，在步骤s2中，所述预处理的步骤为：利用砂纸、无水乙醇和丙酮对所述基体材料进行处理；利用无水乙醇和丙酮对所述不锈钢板进行处理。本发明中，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。根据本发明，优选地，步骤s5中，所述设定道次为10-20次。根据本发明，优选地，步骤s3中和步骤s5中，所述压制和轧制采用的设备均为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1400-1500r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为10-20m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。根据本发明，优选地，所述基体材料采用工业纯铝板。根据本发明，优选地，所述铝粉的纯度为99％-99.99％，平均粒径为0.8-1.5μm。根据本发明，优选地，所述不锈钢板的厚度为0.4-0.6mm。根据本发明，优选地，所述工业纯铝板的纯度为99％-99.999％，厚度为0.05-0.2mm。本发明另一方面提供了由所述方法制得的al2o3增强铝基复合材料。以下通过实施例具体说明本发明。以下各个实施例中，所述铝粉的纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述基体材料采用工业纯铝板，所述工业纯铝板的纯度为99.99％，尺寸为100mm×200mm×0.1mm；所述不锈钢板的厚度为0.5mm；所述铝粉和所述工业纯铝板均购自北京中金研新材料科技有限公司。实施例1本实施例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括9.1％的al2o3和90.9％的工业纯铝板；具体为，称量0.53g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；具体为，将电阻热处理炉设定温度到600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚30min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为600℃，时间均为10h。s2：分别对所述工业纯铝板和不锈钢板进行预处理；具体为，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并采用双辊冷轧机将其压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的工业纯铝板上，将放置有步骤s1的al2o3的工业纯铝板对折，使工业纯铝板包裹住步骤s1的al2o3，然后，将工业纯铝板四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的工业纯铝板的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。所述设定道次为20次，所述轧制采用的设备为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1470r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为15m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。实施例2本实施例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括13％的al2o3和87％的工业纯铝板；具体为，称量0.795g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。所述方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；具体为，将电阻热处理炉设定温度到600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚30min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为600℃，时间均为10h。s2：分别对所述工业纯铝板和不锈钢板进行预处理；具体为，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并采用双辊冷轧机将其压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的工业纯铝板上，将放置有步骤s1的al2o3的工业纯铝板对折，使工业纯铝板包裹住步骤s1的al2o3，然后，将工业纯铝板四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的工业纯铝板的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。所述设定道次为20次，所述轧制采用的设备为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1470r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为15m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。实施例3本实施例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括16％的al2o3和84％的工业纯铝板；具体为，称量1.06g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；具体为，将电阻热处理炉设定温度到600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚30min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为600℃，时间均为10h。s2：分别对所述工业纯铝板和不锈钢板进行预处理；具体为，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并采用双辊冷轧机将其压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的工业纯铝板上，将放置有步骤s1的al2o3的工业纯铝板对折，使工业纯铝板包裹住步骤s1的al2o3，然后，将工业纯铝板四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的工业纯铝板的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。所述设定道次为20次，所述轧制采用的设备为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1470r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为15m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。实施例4本实施例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括20％的al2o3和80％的工业纯铝板；具体为，称量1.325g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；具体为，将电阻热处理炉设定温度到600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚30min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为600℃，时间均为10h。s2：分别对所述工业纯铝板和不锈钢板进行预处理；具体为，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并采用双辊冷轧机将其压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的工业纯铝板上，将放置有步骤s1的al2o3的工业纯铝板对折，使工业纯铝板包裹住步骤s1的al2o3，然后，将工业纯铝板四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的工业纯铝板的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。所述设定道次为20次，所述轧制采用的设备为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1470r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为15m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。实施例5本实施例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括9.1％的al2o3和90.9％的工业纯铝板；具体为，称量0.53g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。该方法包括以下步骤：s1：对铝粉进行氧化处理得到所述al2o3；具体为，将电阻热处理炉设定温度到600℃，将al2o3坩埚放入电阻热处理炉中，烘烤al2o3坩埚30min，然后将al2o3坩埚于空气中冷却至室温；将所述铝粉平铺于烘烤后的al2o3坩埚中，并在电阻热处理炉中进行第一次加热处理后，从电阻热处理炉中取出，将经过第一次加热的铝粉搅拌混合一下，并在al2o3坩埚中铺平，在电阻热处理炉中进行第二次加热，得到所述al2o3，所述第一次加热和第二次加热的温度均为600℃，时间均为10h。s2：分别对所述工业纯铝板和不锈钢板进行预处理；具体为，利用砂纸(1000#)对工业纯铝板表面进行打磨，打磨的目的是去除工业纯铝板在空气中容易形成的致密氧化薄膜，打磨完毕，再用无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。对于不锈钢板，同样无水乙醇擦拭表面干净，再用丙酮擦拭去除表面油脂。s3：将预处理后的不锈钢板的光洁面对折并采用双辊冷轧机将其压制成不锈钢封套；s4：将步骤s1的al2o3置于所述预处理后的工业纯铝板上，将放置有步骤s1的al2o3的工业纯铝板对折，使工业纯铝板包裹住步骤s1的al2o3，然后，将工业纯铝板四周封口并放入所述不锈钢封套中；s5：对上述步骤s4的装有四周封口的工业纯铝板的不锈钢封套进行轧制，每轧制一道次后沿所述不锈钢封套的长度方向进行对折，再轧制下一道次，直到设定道次。所述设定道次为10次，所述轧制采用的设备为双辊冷轧机，所述双辊冷轧机的电机转速为1470r/min，所述双辊冷轧机的两辊轧制速度为15m/min，每道次轧制样品厚度的压下量为40-55％。对比例1本对比例提供一种al2o3增强铝基复合材料的制备方法，该按重量百分比计，该复合材料的原料包括20％的al2o3和80％的工业纯铝板；具体为，称量1.325g的对铝粉进行氧化处理得到的al2o3，5.3g工业纯铝板。所述al2o3增强铝基复合材料的制备方法与实施例4的步骤相同，只是轧制道次为40次，随着轧制道次的增加，复合材料开始开裂，有贯穿样品的纵向裂纹，还有横向裂纹，继续增加轧制次数，样品全部碎为小碎片，不能得到完整的样品。测试例对实施例1、2、3、4制备的al2o3增强铝基复合材料，取垂直轧制方向进行镶样，采用金相显微镜分析实施例1、2、3、4制备的al2o3增强铝基复合材料的微观组织，如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示。从图中可以看出，al2o3在铝基体中均匀分布，不是形成铝和al2o3的多层结构。对实施例1、2、3、4、5制备的al2o3增强铝基复合材料，分别取平行轧制方向和垂直轧制方向进行镶样，以进行维氏显微硬度测量，采用100克载荷，保压10秒，测得平行轧制方向和垂直轧制方向的实施例1、2、3、4、5制备的al2o3增强铝基复合材料的维氏硬度如表1所示。表1各个实施例制备的al2o3增强铝基复合材料的维氏硬度平行轧制方向垂直轧制方向实施例157.0555.2实施例266.5261.72实施例374.1273.54实施例472.7071.49实施例553.3452.12工业纯铝板20.4020.00以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。当前第1页12