一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，首先将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(1～1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；然后将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；最后将生坯预热后加入到温度为700～900℃的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。本发明利用Al?Ti?C体系热爆反应，能够快速制备原位三维连续增强Al基复合材料。
【专利说明】
一种制备原位三维连续増强AI基复合材料的方法
技术领域
[0001]本发明属于先进金属基复合材料制备领域，具体涉及一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法。
【背景技术】
[0002]三维连续增强Al基复合材料又名网络交叉Al基复合材料，其增强体与Al基体在三维空间连续并相互贯通呈网络机构。此复合构型较传统颗粒、纤维增强Al基复合材料更有助于充分发挥增强体、基体性能。因此，三维连续增强Al基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗磨损性能和抗热震性能，较高的热导率，较低的热膨胀系数，在航空航天、汽车、电子、机械制造等领域具有广泛的应用前景。目前，三维连续增强Al基复合材料制备方法主要为预制件浸渗成型法，其一般包括多孔增强预制件制备与Al熔体填充两个步骤。多孔预制件可通过有机前驱体浸渍法、粉末烧结法、烧蚀法、泡沫塑料挂浆法、溶胶-凝胶法等制备，但以上方法往往存在制备工艺复杂、预制件强度较低等问题。另一方面，Al熔体填充过程中通常需借助浸渗、挤压、压铸等辅助工艺，且Al基体与增强体界面处易产生缺陷(裂纹、界面反应等)，进而影响复合材料使用性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明利用Al-T1-C体系热爆反应在Al熔体内原位内生三维连续增强体，实现原位三维连续增强Al基复合材料的简单快速制备。
[0004]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]—种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:(I?1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；
[0007]步骤2:将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；
[0008]步骤3:将生坯预热处理后加入到温度为700?900°C的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0009]进一步地，步骤I中Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均大于99%，粒度均彡ΙΟΟμπι。
[0010]进一步地，步骤I中研磨时间为30?60min。
[0011]进一步地，步骤2中模具为内径为1mm的圆柱形钢铁模具。
[0012]进一步地，步骤2中进行冷压时，对模具中的混合粉料施加50?150MPa的径向压力，得到厚度为10?20mm的圆柱体生还。
[0013]进一步地，步骤3中生坯预热时的温度为700?900°C，时间为I?3min。
[0014]进一步地，步骤3中反应时间为30?60s。
[0015]一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤:
[0016]步骤I:将纯度大于99 %，平均粒径为20μπι的Ti粉、纯度大于99 %，平均粒径为40μπι的Al粉和纯度大于99%，平均粒径为40μπι的石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
[0017]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生还；
[0018]步骤3:将生坯在8000C的温度下预热2min，然后放入800°C的Al熔体内，静置45s后取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0020]本发明利用熔体内Al-T1-C坯体热爆反应，能够在简单工艺下制备三维连续增强Al基复合材料。三维连续增强体在熔体内原位内生，省去了多孔预制体制备环节，且在多孔预制体生成过程中，Al熔体自发进入其孔径中，形成增强体与基体相互贯通网络结构的复合材料，且Al基体与增强体界面为冶金结合，而传统的浸渗工艺制备的三维连续增强Al基复合材料界面多为机械结合，故本发明方法中制备的复合材料界面结合强度更高。此外，通过改变初始反应粉末粒径、比例等，可实现原位三维增强体的可控设计。
[0021]进一步地，选择纯度大于99%，粒度均SlOOym的Ti粉、Al粉和石墨粉可以保证熔体内热爆反应的充分进行。
[0022]进一步地，选择30_60min的混粉研磨时间，可保证粉末的充分混匀。
[0023]进一步地，选择50_150MPa径向压力，可保证制备过程中坯体具有足够强度。
[0024]进一步地，选择700?900°C预热温度，可实现生坯的快速预热。
【附图说明】
[0025]图1为实施例1中制备的原位三维连续增强Al基复合材料宏观照片；
[0026]图2为实施例1中制备的原位三维连续增强Al基复合材料微观组织形貌图，其中(a)为放大200倍下复合材料微观组织照片，(b)为放大3500倍下复合材料微观组织照片。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的实施方式做进一步详细描述:
[0028]一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，包括以下步骤:
[0029]步骤1:将纯度均大于99%，粒度均SlOOym的Ti粉、Al粉和石墨粉按照2: (1-1.2):1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30?60min(或采用球磨工艺)，得到混合粉料；
[0030]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在50?150MPa的径向压力下冷压成厚度为10?20mm的圆柱体生还；
[0031]步骤3:将生坯在700?900 °C的温度下预热I?3min，然后放入700?900 °C的Al熔体内，静置30?60s后取出冷却，得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0032]需要说明的是，基体材料还可以选用除纯Al以外的其它Al合金。
[0033]下面结合实施例对本发明做进一步详细描述:
[0034]实施例1
[0035]步骤1:将Ti粉(纯度大于99%，平均粒径20μπι)、Α1粉(纯度大于99%，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99%，平均粒径40μπι)按照2:1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
[0036]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生还；
[0037]步骤3:将生坯在800°C的温度下预热2min，然后放入800°C的Al熔体内，静置45s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0038]图1为Al-T1-C坯体在Al熔体内热爆反应后得到的原位三维连续增强Al基复合材料照片。从图可知，原位内生的三维增强体为连续结构，Al基体充满增强体孔径。图2(a)为复合材料的微观组织照片。从图可知，此工艺制备的三维增强相较为致密，增强相主要包含层片状三元MAX相(Ti2AlC/Ti3AlC2)、颗粒状TiC，此两相存在于Al3Ti相中，如图2(b)所示。
[0039]实施例2
[0040]步骤1:将Ti粉(纯度大于99%，平均粒径20μπι)、Α1粉(纯度大于99%，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99%，平均粒径40μπι)按照2:1.1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨50min，得到混合粉料；
[0041 ]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在50MPa的径向压力下冷压成厚度为20mm的圆柱体生还；
[0042]步骤3:将生坯在850°C的温度下预热1.5min，然后放入850°C的Al熔体内，静置45s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0043]实施例3
[0044]步骤1:将Ti粉(纯度大于99%，平均粒径20μπι)、Α1粉(纯度大于99%，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99%，平均粒径40μπι)按照2:1:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨60min，得到混合粉料；
[0045]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在10MPa的径向压力下冷压成厚度为1mm的圆柱体生还；
[0046]步骤3:将生坯在700°C的温度下预热3min，然后放入700°C的Al熔体内，静置60s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
[0047]实施例4
[0048]步骤1:将Ti粉(纯度大于99%，平均粒径20μπι)、Α1粉(纯度大于99%，平均粒径40μm)和石墨粉(纯度大于99 %，平均粒径40μπι)按照2:1.2:1的摩尔比混合，而后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；
[0049]步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在150MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生还；
[0050]步骤3:将生坯在900°C的温度下预热Imin，然后放入900°C的Al熔体内，静置30s后取出冷却，从而得到原位三维连续增强Al基复合材料。
【主权项】
1.一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2: (I?1.2):1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料； 步骤2:将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯； 步骤3:将生坯预热处理后加入到温度为700?900 V的Al熔体内，反应结束后将坯体从熔体内取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤I中Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均大于99%，粒度均彡ΙΟΟμπι。3.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤I中研磨时间为30?60min。4.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤2中模具为内径为1mm的圆柱形钢铁模具。5.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤2中进行冷压时，对模具中的混合粉料施加50?150MPa的径向压力，得到厚度为1?20mm的圆柱体生还。6.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤3中生坯预热时的温度为700?900 °C，时间为I?3min。7.根据权利要求1所述的一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，步骤3中反应时间为30?60s。8.一种制备原位三维连续增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将纯度大于99%，平均粒径为20μπι的Ti粉、纯度大于99%，平均粒径为40μπι的Al粉和纯度大于99%，平均粒径为40μπι的石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料； 步骤2:将混合粉料放入内径为1mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生还； 步骤3:将生坯在800°C的温度下预热2min，然后放入800°C的Al熔体内，静置45s后取出冷却，即得到原位三维连续增强Al基复合材料。
【文档编号】C22C21/00GK106086500SQ201610624487
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月2日 公开号201610624487.X, CN 106086500 A, CN 106086500A, CN 201610624487, CN-A-106086500, CN106086500 A, CN106086500A, CN201610624487, CN201610624487.X
【发明人】刘志伟, 邢建东, 皇志富, 高义民, 郑巧玲
【申请人】西安交通大学