專利名稱：：采用TiB₂顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法，尤其是涉及高強塑性顆粒鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：顆粒增強的金屬基復(fù)合材料不僅具備了纖維和晶須增強的金屬基復(fù)合材料的一些優(yōu)良特性，而且兼有增強體價格便宜、制備工藝相對簡便、易于二次加工、性能具有各向同性和耐磨等優(yōu)點，因此應(yīng)用十分廣泛。在比強度、比模量要求不特別高的環(huán)境中，如航空、航天結(jié)構(gòu)件、汽車、摩托車零部件、紡織機械等領(lǐng)域，顆粒增強復(fù)合材料已經(jīng)顯示出傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)越性。因此，它將有望在這些領(lǐng)域部分替代傳統(tǒng)材料。雖然對鋁基復(fù)合材料的研究十分廣泛，但目前規(guī)模化應(yīng)用仍然難于實現(xiàn)，主要是因為與傳統(tǒng)材料相比，顆粒增強復(fù)合材料仍存在一些問題急需解決，其中塑性和韌性較低是限制其作為結(jié)構(gòu)件規(guī)?；瘧?yīng)用的一個主要原因。因此近年來改善顆粒增強鋁基復(fù)合材料塑性和韌性已成為這個方向的研究熱點之一。大量的研究表明，脆性增強體的加入使合金的塑性和韌性均有不同程度的下降，尤其是材料的塑性與相應(yīng)的未增強基體合金相比，低了一個數(shù)量級以上，這種現(xiàn)象不僅使得其作為結(jié)構(gòu)件的安全性難以保證，更難以實現(xiàn)二次加工，使得一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件成型困難。研究表明，金屬基復(fù)合材料的塑性與以下因素相關(guān)增強體的性質(zhì)、顆粒的粒度分布，顆粒形狀、與基體合金之間的界面結(jié)合狀況以及基體合金的塑性、時效行為等，其中顆粒的性質(zhì)，與基體之間的相容性，界面狀態(tài)成為影響復(fù)合材料塑性的主要因素。研究還表明，TiB2陶瓷顆粒不僅具有僅次于金剛石的硬度和模量，而且具有與鋁之間良好的浸潤性，且不易與鋁之間發(fā)生界面反應(yīng)，是一種理想的鋁合金增強體。近年來，TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究日益增多，大都集-在對制備方法的研究上，主要涉及到制備方法為自蔓延高溫合成(SHS)、機械合金化(MA)、反應(yīng)燒結(jié)(XDTM)、混合鹽反應(yīng)法(LSM)、熔體接觸反應(yīng)法、無壓浸滲法、攪拌鑄造法等制備方法。目前這些材料及制備方法中的TiB2顆粒形態(tài)、含量、基體合金的選擇、顆粒與基體的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物等沒有或不可能得到有效控制。美國文獻US6290748Bl中公開了TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的兩種制備方法，屬于上述攪拌鑄造與混合鹽反應(yīng)法的結(jié)合。第一種方法是先將TiB2陶瓷相分散在液態(tài)鋁(合金)中，然后將TiB2陶瓷相與外加的冰晶石或其他的氟化物粉末混合，然后將混合物與鋁(合金)在700100(TC熔融，凝固成復(fù)合材料。第二種方法是在惰性氣氛中通過熔融鋁或合金元素(Mg/Ca)與一定量的氟化物(較原位生成法中量少)還原反應(yīng)生成不同尺寸的TiB2晶體，TiB2的尺寸分布由添加的氟化物和鋁合金的成分以及制備溫度所決定。這兩種方法的優(yōu)點在于基體可選種類多，可以生成最高體積分?jǐn)?shù)超過50X的TiB2/Al復(fù)合材料(體積分?jǐn)?shù)060%，顆粒的尺寸可以從微米到納米)；缺點在于對氣氛(濕度、氧含量等)要求嚴(yán)格，對設(shè)備和環(huán)境的要求較高，尤其不可避免的是復(fù)合材料中存在反應(yīng)物的殘留，成份復(fù)雜，從而影響材料性能，尤其是對塑性的影響較大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有顆粒增強鋁基復(fù)合材料韌性低的問題由于脆性增強體的加入使合金的塑性和韌性均有不同程度的降低，尤其是材料的塑性與相應(yīng)的未增強基體合金相比，降低了一個數(shù)量級以上，這種現(xiàn)象不僅使得其作為結(jié)構(gòu)件的安全性難以保證，更難以實現(xiàn)二次加工，使得一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件成型困難；另一方面，現(xiàn)有TiB2/Al復(fù)合材料制備工藝對氣氛(濕度、氧含量等)要求嚴(yán)格，對設(shè)備和環(huán)境的要求較高，因而不可避免的在復(fù)合材料中存有反應(yīng)物的殘留，成份復(fù)雜，從而影響材料性能，尤其是韌性低。本發(fā)明提供了一種采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料及其制備方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料由二硼化鈦增強體顆粒、鋁顆粒和基體鋁合金組成，按體積百分比二硼化鈦增強體顆粒為1025%、鋁顆粒為2535%和余量為基體鋁合金制成。TiB2增強體的粒徑為0.55um，鋁顆粒的粒徑為510um?；w鋁合金為Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或A1-Zn-Mg。本發(fā)明采用TiB2顆粒制備高強塑性增強鋁基復(fù)合材料的方法的步驟如下步驟一、按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為1025%、鋁顆粒為2535%;二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為0.55um，鋁顆粒粒徑為510um;步驟二、將步驟一的原料粉體采用機械式干法混合得到增強體粉末備用；步驟三、將步驟二的增強體粉末置于模具內(nèi)壓制成預(yù)制塊；步驟四、將步驟三裝有增強體粉末預(yù)制塊的模具加熱至45(TC60(TC;步驟五、將余量的基體鋁合金加熱至750°C850°C，將鋁熔液澆鑄到步驟四的模具內(nèi)；步驟六、對步驟五澆鑄有鋁熔液的模具在壓力機上施加530Mpa的壓力，使基體鋁熔液體浸滲到增強體粉末顆粒之間的孔隙中，待鋁熔液完全浸滲增強體粉末顆粒之間的孔隙中后保持壓力1020分鐘并冷卻；步驟七、冷卻后，脫模取出鑄錠，即制備出本發(fā)明的采用TiB2顆粒制備高強度高塑性鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明利用壓力浸滲法制備的TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料，不僅可以有效的控制復(fù)合材料中雜質(zhì)的產(chǎn)生(主要可以避免原位反應(yīng)法或混合鹽法等反應(yīng)物殘留的問題)，而且利用本發(fā)明制備的復(fù)合材料由于TiB2顆粒與鋁合金有良好的界面結(jié)合，復(fù)合材料具有高強度、高塑性的優(yōu)點；與現(xiàn)有的利用原位自生的方法制備的增強鋁基復(fù)合材料相比，該種增強鋁基復(fù)合材料不僅具有比剛度高、比強度高的特性，而且塑性能夠得到明顯的提高(表l給出了幾種采用TiB2顆粒高強度、高塑性增強鋁基復(fù)合材料的性能)。本發(fā)明采用TiB2顆粒的鋁基復(fù)合材料成分簡單、潔凈，塑性高、耐磨性好和易于二次加工成型，符合規(guī)?；a(chǎn)的要求。本發(fā)明的復(fù)合材料的制備方法采用壓力浸滲技術(shù)，工藝簡單，成本低，致密度高，材料性能高且質(zhì)量穩(wěn)定。圖1是本發(fā)明的復(fù)合材料的掃描電鏡照片下TiB2顆粒均勻分布于鋁合金基體中的示意圖，圖2是擠壓示意圖。圖2中1是壓頭，2是鑄腔，3是下部型腔，-4是模具，5是電爐。具體實施例方式具體實施方式一本實施方式由二硼化鈦增強體顆粒、鋁顆粒和基體鋁合金組成，按體積百分比二硼化鈦增強體顆粒占1025%，平均粒徑為0.55um;鋁顆粒占2535%，平均粒徑為510um;其余為基體鋁合金，基體鋁合金為Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。具體實施方式二本實施方式按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為10%、鋁顆粒為35%、其余為基體鋁合金制成。具體實施方式三本實施方式按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為25%、鋁顆粒為25%、其余為基體鋁合金制成。具體實施方式四本實施方式按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為17.5%、鋁顆粒為30%、其余為基體鋁合金制成。具體實施方式五本實施方式方法的步驟如下步驟一、按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為1025%、鋁顆粒為2535%;二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為0.55yil，鋁顆粒粒徑為510um;步驟二、將步驟一的原料粉體采用機械式干法混合得到增強體粉末備用；步驟三、將步驟二的增強體粉末置于模具內(nèi)壓制成預(yù)制塊；步驟四、將步驟三裝有增強體粉末預(yù)制塊的模具加熱至45(TC60(TC;步驟五、將余量的基體鋁合金加熱至75(TC85(TC，將鋁熔液澆鑄到步驟四的模具內(nèi)；步驟六、對步驟五澆鑄有鋁熔液的模具在壓力機上施加530Mpa的壓力，使基體鋁熔液體浸滲到增強體粉末顆粒之間的孔隙中，待鋁熔液體完全浸滲增強體粉末顆粒之間的孔隙中后保持壓力1020分鐘并冷卻；步驟七、冷卻后，脫模取出鑄錠，即制備出采用TiB2顆粒制備高強度高塑性增強鋁基復(fù)合材料。具體實施方式六本實施方式與具體實施方式五的不同點在于步驟一按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為10%、鋁顆粒為35%、其余為基體鋁合金；二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為1ym，鋁顆粒粒徑為5pm;步驟四將模具加熱至525°C;步驟五將基體鋁合金加熱至850°C;步驟六壓力機上施加10Mpa的壓力，保持壓力20分鐘。其它步驟與具體實施方式五相同。具體實施方式七本實施方式與具體實施方式五的不同點在于步驟一按體積分?jǐn)?shù)百分比取二硼化鈦增強體顆粒為17.5%、鋁顆粒為30%、其余為基體鋁合金；二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為3um，鋁顆粒粒徑為7iim;步驟四將模具加熱至45(TC;步驟五將基體鋁合金加熱至80(TC;步驟六壓力機上施加20Mpa的壓力，保持壓力15分鐘。其它步驟與具體實施方式五相同。具體實施方式八本實施方式與具體實施方式五的不同點在于步驟一按體積分?jǐn)?shù)百分比取二硼化鈦增強體顆粒為25%、鋁顆粒為25%、其余為基體鋁合金；二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為5um，鋁顆粒粒徑為9ym;步驟四將模具加熱至600°C;歩驟五將基體鋁合金加熱至750°C;步驟六壓力機上施加30Mpa的壓力，保持壓力10分鐘。其它步驟與具體實施方式五相同。表一、采用TiBz顆粒制備高強度、高塑性增強鋁基復(fù)合材料的性能指標(biāo)(T6處理)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料，它由二硼化鈦增強體顆粒、鋁顆粒和基體鋁合金制成，其特征在于按體積百分比二硼化鈦增強體顆粒為10～25％、鋁顆粒為25～35％和余量為基體鋁合金。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用TiB2顆粒的高強度高塑性鋁基復(fù)合材料，其特征在于二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為0.55pm。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料，其特征在于鋁顆粒粒徑為510um:。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用TiB2顆粒的高強塑性增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于基體鋁合金為A1-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料，其特征在于按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為10%、鋁顆粒為35%、其余為基體鋁合金制成。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料，其特征在于按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為25%、鋁顆粒為25%、其余為基體鋁合金制成。7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料，其特征在于按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為17.5%、鋁顆粒為30%、其余為基體鋁合金制成。8、權(quán)利要求1采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法的步驟如下步驟一、按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為1025%、鋁顆粒為2535%;步驟二、將步驟一的原料粉體采用機械式干法混合得到增強體粉末備用；步驟三、將步驟二的增強體粉末置于模具內(nèi)壓制成預(yù)制塊；步驟四、將步驟三裝有增強體粉末預(yù)制塊的模具加熱至45(TC60(TC;步驟五、將余量的基體鋁合金加熱至75(TC85(TC，將鋁熔液澆鑄到步驟四的模具內(nèi)；步驟六、對步驟五澆鑄有鋁熔液的模具在壓力機上施加530Mpa的壓力，使基體鋁熔液體浸滲到增強體粉末顆粒之間的孔隙中，待鋁熔液體完全浸滲增強體粉末顆粒之間的孔隙中后保持壓力時間1020分鐘；步驟七、冷卻后，脫模取出鑄錠，即制備出采用TiB2顆粒制備高強塑性增強鋁基復(fù)合材料。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用TiB2顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一按體積百分比取二硼化鈦增強體顆粒為10%、鋁顆粒為35%、其余為基體鋁合金；二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為3"m，鋁顆粒粒徑為7um;步驟四將模具加熱至525°C;步驟五將基體鋁合金加熱至85CTC;步驟六壓力機上施加10Mpa的壓力，保持壓力時間20分鐘。10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用TiB2顆粒的高強度高塑性鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一按體積分?jǐn)?shù)百分比取二硼化鈦增強體顆粒為17.5%、鋁顆粒為30%、其余為基體鋁合金；二硼化鈦增強體顆粒的粒徑為5um，鋁顆粒粒徑為9iim;步驟四將模具加熱至450°C;步驟五將基體鋁合金加熱至80(TC;步驟六壓力機上施加20Mpa的壓力，保持壓力時間15分鐘。全文摘要采用TiB₂顆粒的高強塑性鋁基復(fù)合材料及其制備方法，它涉及鋁基復(fù)合材料及其制備方法。它解決了現(xiàn)有鋁基復(fù)合材料塑性和韌性低，難以實現(xiàn)二次加工的問題。本發(fā)明按體積百分比由二硼化鈦增強體顆粒為10～25％、鋁顆粒為25～35％、其余為基體鋁合金制成。本發(fā)明的方法為一、取二硼化鈦增強體顆粒、鋁顆粒、其余為基體鋁合金；二、采用機械式干法混合得到增強體粉末備用；三、將增強體粉末置于模具內(nèi)壓制成塊；四、將模具加熱；五、將鋁合金熔化并澆鑄到模具內(nèi)；六、對澆鑄有鋁熔液的模具在壓力機上施壓，保持壓力時間并冷卻；七、脫模取出鑄錠，即制備出本發(fā)明的增強鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料塑性高、耐磨性好和易于二次加工成型。文檔編號B22D23/04GK101104899SQ200710072590公開日2008年1月16日申請日期2007年7月31日優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日發(fā)明者修子揚,姜龍濤,武高輝,茍華松申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)