/Al基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鉛基復(fù)合材料領(lǐng)域，主要應(yīng)用于顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料的制備。
【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量高，熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性能好，并且具 有制備工藝簡單，容易二次加工等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料研究發(fā)展的重點(diǎn)，在航天、 航空、電子、汽車W及先進(jìn)武器系統(tǒng)等高技術(shù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。TizAlCH元化合物 是最近備受關(guān)注的一種新型化合物，具有高強(qiáng)度和高模量，導(dǎo)電和可加工性能好，并具有一 定的塑性，是新型顆粒增強(qiáng)體的優(yōu)秀備選材料。顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料常用的制備方法包 括攬拌鑄造法、擠壓鑄造法、粉末冶金法、無壓浸滲法和噴射共沉積法等，但攬拌鑄造法制 備出的鉛基復(fù)合材料中的顆粒分散性不穩(wěn)定；粉末冶金法制備工藝復(fù)雜而生產(chǎn)成本高，材 料的致密性也相對較差；無壓浸滲法則只適合制備增強(qiáng)體與基體烙體潤濕性好的復(fù)合材料 體系；共噴射沉積技術(shù)工藝復(fù)雜，過程控制難度大。擠壓鑄造工藝簡單，不受增強(qiáng)體與基體 浸潤性能的限制，可W生產(chǎn)大尺寸和增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)相對較高的復(fù)合材料，且制得的復(fù)合 材料組織均勻。此外，擠壓鑄造方法設(shè)備復(fù)雜程度低，操作方便成本低，烙融金屬冷卻快而 制備過程周期短，產(chǎn)品接近凈成形，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
[0003] 擠壓鑄造法是指在壓力的作用下將液態(tài)的金屬液體浸入增強(qiáng)體預(yù)制塊中制備復(fù) 合材料的一種工藝。增強(qiáng)體預(yù)制塊的制備對顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料的性能有著決定性的影 響。目前增強(qiáng)體預(yù)制塊的制備方法包括濕壓法和干壓法。濕壓法在制備過程中通常需要加 入粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的選擇W及烘干方式對預(yù)制塊的性能都會產(chǎn)生很大的影響；干壓法受增 強(qiáng)體的種類和顆粒粒徑的限制，其應(yīng)用受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種新型顆粒增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料的制備方法，即通過避免使用粘結(jié)劑 而解決增強(qiáng)體預(yù)制塊制備困難的問題，并通過向預(yù)制塊中添加鉛粉來控制增強(qiáng)體在復(fù)合材 料中的含量，最終通過擠壓鑄造法制備TizAlC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料。TizAlC增強(qiáng)體的 體積含量高于15 %而低于50%。
[0005]TizAlCp/Al復(fù)合材料采用純Al作為基體。
[0006]TizAlCp/Al復(fù)合材料的制備方法按照W下步驟進(jìn)行：
[0007] 第一步：配制預(yù)制塊原料
[0008] 按照公式
(1)
[0010] 和公式 (2)
[0012]W上兩式中Mt和Ma分別為所需TizAlC粉末和Al粉的質(zhì)量，a為TizAlC增強(qiáng)體預(yù) 制塊的體積分?jǐn)?shù)，D為制備預(yù)制塊使用的圓柱形鋼模的模腔內(nèi)徑，h為TizAlC增強(qiáng)體預(yù)制塊 的目標(biāo)高度，PT為TizAlC粉末的密度。當(dāng)需要TizAlC顆粒含量所占制備TizAlCp/Al復(fù)合 材料總體積> 15%~《30%時(shí)，根據(jù)公式（1)和（2)分別計(jì)算出制備TizAlC增強(qiáng)體預(yù)制塊 所需的TizAlC粉和Al粉的質(zhì)量，并利用精度為0.Img的精密天平稱量出計(jì)算所得TizAlC 粉和Al粉的質(zhì)量，將稱量好的粉末與無水己醇按重量比為1 : 1.0~2. 5進(jìn)行8~24小 時(shí)機(jī)械混合，置于溫度為7(TC的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥15小時(shí)W得到TizAlC粉和Al粉混 合均勻粉末備用。當(dāng)需要TizAlC顆粒含量所占制備TizAlCp/Al復(fù)合材料總體積> 30%~ 《50%時(shí)，按照公式1計(jì)算所需TizAlC粉末的含量，并利用精度為0.Img的精密天平稱量 出計(jì)算所得TizAlC粉末的質(zhì)量備用。
[0013] 第二步；預(yù)制塊的制備
[0014] 將第一步所述配制的不同TizAlC顆粒含量時(shí)所需的原料置于玻璃燒杯中，然后向 其粉末原料中噴灑蒸傭水，邊噴灑蒸傭水邊對粉末進(jìn)行攬拌，直至其呈現(xiàn)均勻蓬松無團(tuán)聚 的半濕狀態(tài)。隨后將其緩慢倒入圓柱形鋼模中，在不施加下壓力的基礎(chǔ)上將半濕態(tài)混合粉 末攤平，并在四柱萬能液壓機(jī)上冷壓成型。壓制時(shí)緩慢加壓，控制壓力機(jī)將模具壓頭緩慢下 壓到高度預(yù)制塊高度h標(biāo)記處，無需保壓，然后緩慢脫模后將其放在8(TC電熱鼓風(fēng)干燥箱 干燥24小時(shí)，W此制備出預(yù)制塊，最后將制備的增強(qiáng)體預(yù)制塊置于鋼套中備用。
[001引第；步；TizAlCp/Al復(fù)合材料的壓力鑄造
[0016] 將置于鋼套中的增強(qiáng)體預(yù)制塊放入擠壓鑄造模具中，并在加熱套中預(yù)熱至400~ 60(TC保溫1~2小時(shí)；與此同時(shí)，將鉛液加熱至80(TC并保溫2小時(shí)W上待用，隨后將烙融 鉛液倒入擠壓鑄造模具中，先對其進(jìn)行加壓0. 5~5MPa滲透，再進(jìn)行6~20MPa保壓1~ 15分鐘，脫模后即制得TizAlCp/Al復(fù)合材料。
[0017] 本發(fā)明的突出特點(diǎn)和有益效果在于：
[0018] 1、所述制備方法中，增強(qiáng)體預(yù)制塊制備工藝簡單，無需繁雜的粘結(jié)劑篩選過程。
[0019] 2、所述制備方法制備出的復(fù)合材料中的增強(qiáng)體顆粒分散性好，并且增強(qiáng)體含量可 控。
[0020] 3、本發(fā)明適用于壓力鑄造工藝制備粒徑0. 1ym~0.SmmTizAlC增強(qiáng)鉛基復(fù)合材 料，其增強(qiáng)體的體積含量高于15%而低于50%;由此發(fā)明制備的TizAlCp/Al復(fù)合材料相對 純鉛，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度分別可提高4. 1~12倍、1. 7~5. 3倍和1. 8~6. 8倍， 且加工性能良好。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所述20vol%TizAlC預(yù)制塊的形貌照片。
[0022] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所述20vol%TizAlC/Al復(fù)合材料的顯微組織背散射電子 衍射圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所述45vol%TizAlC預(yù)制塊的形貌照片。
[0024] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2所述45vol%TizAlC/Al復(fù)合材料的顯微組織背散射電子 衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[002引TizAlC體積含量為20%的TizAlCp/Al復(fù)合材料的制備
[0027] 第一步；按公式（1)和（2)計(jì)算所需TizAlC粉和Al粉的質(zhì)量并使用精度為0.Img 的精密天平分別稱量出它們的質(zhì)量，將稱量好的粉末與無水己醇按重量比為1 : 2進(jìn)行12 小時(shí)機(jī)械混合，然后將混合后的粉末置于溫度為7(TC的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥15小時(shí)。
[0028] 第二步：將干燥后的混合粉末置于玻璃燒杯中，然后向其粉末原料中噴灑蒸傭水， 邊噴灑蒸傭水邊對粉末進(jìn)行攬拌，直至其呈現(xiàn)均勻蓬松無團(tuán)聚的半濕狀態(tài)。隨后將其緩慢 倒入圓柱形鋼模中，在不施加下壓力的基礎(chǔ)上將半濕態(tài)混合粉末攤平，并在四柱萬能液壓 機(jī)上冷壓成型。壓制時(shí)緩慢加壓，控制壓力機(jī)將模具壓頭緩慢下壓到高度預(yù)制塊高度h標(biāo) 記處，無需保壓，然后緩慢脫模后將其放在8(TC電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥24小時(shí)后，將制備的 增強(qiáng)體預(yù)制塊置于鋼套中（如圖1)。
[0029] 第H步；將置于鋼套中的預(yù)制塊放在壓力鑄造模具中先預(yù)熱至50(TC保溫2小時(shí)； 同時(shí)，鉛液加熱至80(TC并保溫2小時(shí)W上，將烙融鉛液倒入壓力鑄造模具中，先加壓4MPa 滲透，再進(jìn)行15MPa保壓10分鐘，脫模后即制得20vol%TizAlCp/Al復(fù)合材料。
[0030] 由W上步驟制得20vol%TizAlCp/Al復(fù)合材料的微觀組織如圖2,TizAlC在鉛基 體的分布均勻，測試結(jié)果表明，相比純鉛，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度分別提高4. 58倍、 2. 05 倍、2. 2 倍。
[00引]實(shí)施例2
[003引TizAlC體積含量為45%的TizAlCp/Al復(fù)合材料的制備
[003引第一步；按公式（1)計(jì)算所需TizAlC粉的質(zhì)量并使用精度為0.Img的精密天平分 別稱量出它的質(zhì)量。
[0034] 第二步：將稱量好的TizAlC粉置于玻璃燒杯中，然后向其粉末原料中噴灑蒸傭水， 邊噴灑蒸傭水邊對粉末進(jìn)行攬拌，直至其呈現(xiàn)均勻蓬松無團(tuán)聚的半濕狀態(tài)。隨后將其緩慢 倒入圓柱形鋼模中，在不施加下壓力的基礎(chǔ)上將半濕態(tài)混合粉末攤平，并在四柱萬能液壓 機(jī)上冷壓成型。壓制時(shí)緩慢加壓，控制壓力機(jī)將模具壓頭緩慢下壓到高度預(yù)制塊高度h標(biāo) 記處，無需保壓，然后緩慢脫模后將其放在8(TC電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥24小時(shí)后，將制備的 增強(qiáng)體預(yù)制塊置于鋼套中（如圖3)。
[0035] 第H步；將置于鋼套中的預(yù)制塊放在壓力鑄造模具中先預(yù)熱至50(TC保溫2小時(shí)； 同時(shí)，鉛液加熱至80(TC并保溫2小時(shí)W上，將烙融鉛液倒入壓力鑄造模具中，先加壓5MPa 滲透，再進(jìn)行20MPa保壓lOmin，脫模后即制得45vol%TizAlCp/Al復(fù)合材料。
[0036] 由W上步驟制得45 %TizAlCp/Al復(fù)合材料的微觀組織如圖4,TizAlC在鉛基體的 分布均勻，測試結(jié)果表明，相比純鉛，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度分別提高10倍、4. 7倍、 6. 13 倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可控體積分?jǐn)?shù)Ti2AlCpAl復(fù)合材料的擠壓鑄造方法，其特征在于該方法包括以 下步驟： 第一步：配制預(yù)制塊原料 當(dāng)需要Ti2AlC顆粒含量所占制備Ti2AlCpAl復(fù)合材料總體積彡15%~彡30%時(shí)，計(jì) 算所需Ti2AlC粉末和Al粉的質(zhì)量按以下兩個公式進(jìn)行：上兩式中Mt和Ma分別為所需Ti2AlC粉末和Al粉的質(zhì)量，a為Ti2AlC增強(qiáng)體預(yù)制塊的 體積分?jǐn)?shù)，D為制備預(yù)制塊使用的圓柱形鋼模的模腔內(nèi)徑，h為Ti2AlC增強(qiáng)體預(yù)制塊的目標(biāo) 高度，PT為Ti2AlC粉末的密度；然后利用精度為0.Img的精密天平稱量出計(jì)算所得Ti2AlC 粉和Al粉的質(zhì)量，將稱量好的粉末與無水乙醇按重量比為I:I. 0~2. 5進(jìn)行8~24小 時(shí)機(jī)械混合，置于溫度為70°C的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥15小時(shí)以得到Ti2AlC粉和Al粉混 合均勻粉末，備用； 當(dāng)需要Ti2AlC顆粒含量所占制備Ti2AlCpAl復(fù)合材料總體積> 30%~彡50%時(shí)，按 照公式1計(jì)算所需Ti2AlC粉末的含量，并利用精度為0.Img的精密天平稱量出計(jì)算所得 Ti2AlC粉末的質(zhì)量，備用； 第二步：預(yù)制塊的制備 將第一步所述配制的不同Ti2AlC顆粒含量時(shí)所需的原料置于玻璃燒杯中，然后向其粉 末原料中噴灑蒸餾水，邊噴灑蒸餾水邊對粉末進(jìn)行攪拌，直至其呈現(xiàn)均勻蓬松無團(tuán)聚的半 濕狀態(tài)；隨后將其緩慢倒入圓柱形鋼模中，在不施加下壓力的基礎(chǔ)上將半濕態(tài)混合粉末攤 平，并在四柱萬能液壓機(jī)上冷壓成型；壓制時(shí)緩慢加壓，控制壓力機(jī)將模具壓頭緩慢下壓到 高度預(yù)制塊高度h標(biāo)記處，無需保壓，然后緩慢脫模后將其放在80°C電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥 24小時(shí)，以此制備出預(yù)制塊。最后將制備的增強(qiáng)體預(yù)制塊置于鋼套中，備用； 第三步：Ti2AlCp/Al復(fù)合材料的壓力鑄造 將置于鋼套中的增強(qiáng)體預(yù)制塊放入擠壓鑄造模具中，并在加熱套中預(yù)熱至400~ 600°C保溫1~2小時(shí)；與此同時(shí)，將鋁液加熱至800°C并保溫2小時(shí)以上待用，隨后將熔融 鋁液倒入擠壓鑄造模具中，先對其進(jìn)行加壓〇. 5~5MPa滲透，再進(jìn)行6~20MPa保壓1~ 15分鐘，脫模后即制得Ti2AlCpAl復(fù)合材料。
【專利摘要】一種可控體積分?jǐn)?shù)Ti2AlCp/Al復(fù)合材料的擠壓鑄造方法，它涉及增強(qiáng)體預(yù)制塊的制備方法，屬于鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域。本發(fā)明解決了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料預(yù)制塊制備困難的問題，并實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)體含量的可控性，從而提出了一種全新的可控體積分?jǐn)?shù)的Ti2AlCp/Al復(fù)合材料的擠壓鑄造方法。本發(fā)明的制備過程包括增強(qiáng)體預(yù)制塊原料的配制，然后預(yù)制塊的冷壓成型，最后擠壓鑄造制備Ti2AlCp/Al鋁基復(fù)合材料。采用本發(fā)明的方法制備增強(qiáng)體預(yù)制塊工藝簡單，無需繁雜的粘結(jié)劑篩選過程，預(yù)制塊的顆粒分散性好，并且增強(qiáng)體含量可控。
【IPC分類】C22C21/00, C22C1/10, C22C1/00
【公開號】CN105219981
【申請?zhí)枴緾N201410293282
【發(fā)明人】張東方, 李惠, 李宜彬, 張新疆, 張璟偉
【申請人】江蘇朗億新材料有限公司
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2014年6月24日