碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法
2023-05-11 05:08:11 1
碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法
【專利摘要】本發明涉及鋁基複合材料及其製備【技術領域】，具體公開了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料及其製備方法，該複合材料以鋁合金作為基體，用作增強相的碳化硼的質量分數為2.5～30%，碳化硼顆粒在基體中均勻分布。其具體製備方法為將碳化硼粉末和鋁合金粉末混料，並通過表面活化、等離子活化燒結和熱處理，製備出接近全緻密的燒結試樣。本發明製備鋁基複合材料燒結溫度低，緻密度高，晶粒細小，力學性能優異，並且操作簡單，可控性好，是一種輕質高性能鋁基複合材料。
【專利說明】碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於輕質高性能鋁基複合材料及粉末冶金【技術領域】，特別是ー種陶瓷顆粒增強鋁基複合材料及其製備方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷顆粒增強鋁基複合材料由於其比強度高、比剛度高、彈性模量高、耐磨性能優異、密度低、膨脹係數可控等諸多優點，在汽車エ業和航空航天等領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。碳化硼有著很多優良的性能，主要表現在高硬度，僅比金剛石和立方氮化硼(CBN)低，且高溫硬度恆定(>30GPa)、密度小(2.529g/cm3)、抗氧化性好、不易老化和腐蝕、耐酸性強等，碳化硼顆粒增強鋁基複合材料不僅保留了鋁合金材質輕，韌性好，成本低廉的特性，而且碳化硼與鋁合金之間的界面潤溼性良好，所得的複合材料具有較好的性能。
[0003]鋁基複合材料的製備方法主要分為固態製造技術和液態製造技術。固態製造技術主要包括粉末冶金法、擴散粘接法(熱壓、熱等靜壓)、變形壓力加工法。液態製造技術主要包括(真空、壓力、無壓)浸滲法、擠壓鑄造法、液態金屬攪拌鑄造法、液態金屬浸潰法、共噴沉積法以及熱噴塗技木。液態製造技術由於溫度較高，鋁基體會與增強相顆粒發生反應，生成脆性相，從而影響鋁基複合材料的性能，粉末冶金法可以實現在較低溫度下燒結，它是將預先將增強體與鋁基體粉末製成混合粉體，而後經成型乾燥熱壓燒結，製成鋁基複合材料，其特點是設備要求相對較低，便於大批量生產，但目前採用傳統的方法製備的製品的緻密度較低、孔隙率較高、性能較低，通常用於製造坯料，供擠壓、軋制、鍛壓、旋壓等二次加工製成成品，エ序繁瑣。
【發明內容】
[0004]本發明的目的_在針對現有的招基複合材料以及粉末冶金製備聞性能招基體複合材料的技術不足和缺陷，提供ー種生產エ藝簡單、可有效提高鋁基複合材料緻密度和力學性能的製備方法，使鋁基複合材料的性能接近或超過現有傳統方法所生產的製品。
[0005]本發明解決其技術問題採用以下的技術方案:
[0006]本發明提供的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，具體是:將碳化硼顆粒和鋁合金粉末配料，按質量計，其中碳化硼顆粒和鋁合金粉末的含量分別為2.5~30%和70~97.5%，將球磨混合均勻的複合粉末裝在預先制好的石墨磨具內進行等離子活化燒結(PAS)，燒結後的試樣進行熱處理得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
[0007]所述B4C顆粒的純度大於99%，粉末粒徑為0.5~10μ m。
[0008]所述鋁合金粉末為7075鋁合金粉末，粉末粒徑為1~20 ii m。
[0009]所述表面活化在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-1II 15T-10P-50)中進行，加載時間為30s,電壓為10-30kV,電流為70~120A。
[0010]所述快速升溫在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-1II 15T-10P-50)中進行，升溫速率為50~200°C /min，真空度≤10Pa，燒結時施加的壓カ為10~30MPa。[0011]所述等離子活化燒結在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-1II 15T-10P-50)中進行，燒結溫度為480°C~540°C，保溫時間為I~5min，真空度≤10Pa，燒結時施加的壓カ為10~30MPa。
[0012]所述熱處理工藝採用固溶處理加時效處理，具體為在470°C下保溫2h固溶處理後淬火，淬火後在120°C下保溫24h進行時效處理。
[0013]本發明與現有技術相比具有以下的主要優點:
[0014]本發明將高純度碳化硼粉末和鋁合金粉末混料，通過表面活化、等離子活化燒結，在燒結過程中，顆粒表面容易活化，通過表面擴散的物質傳遞得到促迸，晶粒受脈衝電流加熱和垂直單向壓力的作用，體擴散和晶粒擴散都得到加強，加快了緻密化過程，並且升溫速度快，保溫時間短，實現鋁基複合材料的快速燒結，不僅可以節約能量、節約時間、提高設備效率，而且抑制了晶粒的長大，所得燒結樣品晶粒均勻，緻密度高，力學性能好。在低溫下實現鋁基複合材料的緻密化，防止了鋁基體與碳化硼顆粒之間發生反應，再進行熱處理獲得納米尺寸分布的時效析出強化相，最終使得鋁基體組織處於多相細小彌散分布以及碳化硼顆粒強化相均勻分布狀態，製備出接近全緻密的高性能燒結試樣。
[0015]綜上所述，本發明生產エ藝簡單、周期短、可有效提高鋁基複合材料的緻密度和力學性能；通過混料、等離子活化燒結、熱處理獲得碳化硼顆粒均勻分布的鋁基複合材料，性能優異，滿足大部分エ業要求，形成可實現エ業應用輕質高性能鋁基複合材料的製備方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的エ藝流程圖。
[0017]圖2是本發明7075鋁合金粉末與12.5wt.%B4C顆粒粉末混料成複合粉體經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度≤lOPa，燒結壓カ為20MPa)試樣的表面XRD圖レ曰。
[0018]圖3是本發明7075鋁合金粉末與12.5wt.%B4C顆粒粉末經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度≤lOPa，燒結壓カ為20MPa)試樣熱處理的SEM圖譜。
[0019]圖4是本發明7075鋁合金粉末與12.5wt.%B4C顆粒粉末經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度≤lOPa，燒結壓カ為20MPa)試樣熱處理後的BSED圖譜。
[0020]圖5是本發明7075鋁合金粉末與12.5wt.%B4C顆粒粉末經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度≤lOPa，燒結壓カ為20MPa)試樣熱處理後的壓縮斷面圖レ曰。
[0021]圖6是本發明7075鋁合金粉末與12.5wt.%B4C顆粒粉末經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度≤lOPa，燒結壓カ為20MPa)試樣熱處理後的抗彎斷面圖譜。
[0022]圖7是本發明7075鋁合金粉末與不同質量分數B4C顆粒粉末經過PASエ藝(表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，升溫速率為100°C /min，燒結溫度為530°C，燒結時間為5min，真空度10Pa，燒結壓カ為20MPa)試樣熱處理後的壓縮強度應カ與應變曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例及附圖對本發明作進ー步說明，但不限定本發明。
[0024]實施例1[0025]實驗碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的成分配比為:按質量計，7075合金粉末為97.5%，B4C顆粒粉末為2.5%，在輕型球磨機上以150轉/分鐘的速度球磨24h得到複合粉末，複合料體在等離子活化燒結爐中進行表面活化，表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，真空度lOPa，表面活化後快速升溫，升溫速率為100°C /min，壓カ為20MPa，升溫至530°C保溫5min，燒結後得到試樣進行熱處理，得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
[0026]經檢測，參見圖7，該鋁基複合材料的室溫的氣孔率.05%，密度為2.814g/cm2，最大抗彎強度706.1MPa，硬度值為182HV，壓縮屈服強度552MPa，壓縮強度 879MPa。
[0027]實施例2
[0028]實驗碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的成分配比為:按質量計，7075合金粉末為92.5%，B4C顆粒粉末為7.5%，在輕型球磨機上以150轉/分鐘的速度球磨24h得到複合粉末，複合料體在等離子活化燒結爐中進行表面活化，表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，真空度lOPa，表面活化後快速升溫，升溫速率為100°C /min，壓カ為20MPa，升溫至530°C保溫5min，燒結後得到試樣進行熱處理，得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
[0029]經檢測，參見圖7，該鋁基複合材料的室溫的氣孔率0.07%,密度為2.796g/cm2,最大抗彎強度813MPa，硬度值為172HV，壓縮屈服強度588MPa，壓縮強度863MPa。
[0030]實施例3
[0031]實驗碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的成分配比為:按質量計，7075合金粉末為87.5%，B4C顆粒粉末為12.5%，在輕型球磨機上以150轉/分鐘的速度球磨24h得到複合粉末，複合料體在等離子活化燒結爐中進行表面活化，表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，真空度lOPa，表面活化後快速升溫，升溫速率為100°C /min，壓カ為30MPa，升溫至510°C保溫5min，燒結後得到試樣進行熱處理，得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
[0032]經檢測，參見圖1~7，該鋁基複合材料的室溫的氣孔率0.05%,密度為2.783g/cm2，最大抗彎強度637MPa，硬度值為188HV，壓縮屈服強度00MPa，壓縮強度 856MPa。
[0033]實施例4
[0034]實驗碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的成分配比為:按質量計，7075合金粉末為70%，B4C顆粒粉末為30%，在輕型球磨機上以150轉/分鐘的速度球磨24h得到複合粉末，複合料體在等離子活化燒結爐中進行表面活化，表面活化時間為30s，活化電壓為20kV，活化電流為100A，真空度≤lOPa，表面活化後快速升溫，升溫速率為100°C /min，壓カ為20MPa，升溫至540°C保溫3min，燒結後得到試樣進行熱處理，得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
[0035]經檢測，參見圖7，該鋁基複合材料的室溫的氣孔率< 0.1%，密度為2.730g/cm2,最大抗彎強度≥806MPa，硬度值為≥190HV，壓縮屈服強度≥584MPa，壓縮強度≥828MPa。
[0036]上述實施例中，所述輕型球磨機可以採用QM-A型球磨機。
【權利要求】
1.碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是:將碳化硼顆粒和鋁合金粉末配料，按質量計，其中碳化硼顆粒和鋁合金粉末的含量分別為2.5~30%和70~97.5%，將球磨混合均勻的複合粉末裝在預先制好的石墨模具內進行表面活化、等離子活化燒結，燒結後的試樣進行熱處理得到了碳化硼顆粒增強鋁基複合材料。
2.根據權利要求1所述的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是所述表面活化在等離子活化燒結爐進行，其エ藝為:加載時間為30s~45s，電壓為10~30kV，電流為70~120A。
3.根據權利要求1所述的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是所述等離子活化燒結在等離子活化燒結爐中進行，其エ藝為:升溫速率為50~200°C /min，真空度≤10Pa，燒結時施加的壓カ為10~30MPa，燒結溫度為480°C~540°C，保溫時間為I~5min。
4.根據權利要求1所述的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是所述碳化硼的純度≥99%，粉末粒徑為0.5~10 ii m。
5.根據權利要求1所述的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是所述鋁合金粉末為7075鋁合金粉末，粉末粒徑為I~20 ii m。
6.根據權利要求1所述的碳化硼顆粒增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵是所述熱處理工藝採用固溶處理加時效處理，具體為:在460°C~480°C下保溫I~3h固溶處理後淬火，淬火後在100~150°C下保溫12~36h進行時效處理。
【文檔編號】C22C1/05GK103572087SQ201310603256
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】沈強, 吳傳棟, 李成章, 方攀, 羅國強, 張聯盟, 王傳彬 申請人:武漢理工大學