專利名稱：一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料和制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，是冷噴涂成形技術(shù)與熱處理復(fù)合工藝制備原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異、低的熱膨脹系數(shù)以及良好的耐磨性等一系列優(yōu)點，在國防、航空航天、汽車、電子、交通運輸、民用機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景。而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其具有增強(qiáng)體成本低、材料性能各向同性、制備工藝及設(shè)備要求較低，便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，具有廣闊工業(yè)生產(chǎn)前景。目前， 鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒以陶瓷類(如氧化物、氮化物、碳化物等)顆粒為主，如Sic、A1203、 A1N、B4C等，其優(yōu)點是密度低、硬度高。但陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在陶瓷顆粒增強(qiáng)體與鋁基體之間浸潤性差、界面結(jié)合不良以及顆粒在基體中分布不均等問題，從而影響了鋁基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能的發(fā)揮。金屬間化合物是一種高溫結(jié)構(gòu)材料，彈性模量、熔點和高溫強(qiáng)度非常高。它既具有金屬的性質(zhì)，如金屬光澤、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等，又具有一定陶瓷的性質(zhì)，如較高的比強(qiáng)度和比剛度，以及介于合金和陶瓷之間高的使用溫度和熱膨脹系數(shù)，這些特點使其成為鋁合金等輕金屬材料有效的增強(qiáng)相。此外，金屬間化合物相對于陶瓷具有良好的可塑性，因而在提高基體合金強(qiáng)度的同時，不會降低其塑性，而原位自生金屬間化合物顆粒更是與基體合金的晶體結(jié)構(gòu)匹配性好，界面結(jié)合強(qiáng)度高。以上所述為原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的綜合性能提供了基礎(chǔ)。目前，原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法主要是攪拌鑄造、液態(tài)金屬浸滲、擠壓鑄造等液態(tài)法，其過程主要是通過將純金屬粉末加入鋁熔體中與鋁反應(yīng)生成Al-M系金屬間化合分散相，從而增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。但此類方法制備工藝及設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，成本較高，生產(chǎn)過程中易于出現(xiàn)鑄造缺陷(氣體和夾雜)，而且溫度選擇不當(dāng)易造成偏析。因此，提出一種工藝簡單、快捷，成本低廉的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單、可靠，且易于推廣應(yīng)用的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明提出的方法有利于控制金屬間化合物顆粒的尺寸、體積分?jǐn)?shù)和分布狀態(tài)，所制備的鋁基復(fù)合材料均勻無缺陷，且工藝簡單、成本低廉、可再生利用，特別適合工業(yè)化推廣應(yīng)用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行
;1 ！將金屬粉末M和Al粉，按75 25at. %的M和25 75at. %的Al進(jìn)行配比(at.為原子百分比)，然后在惰性氣氛、低溫或真空下進(jìn)行機(jī)械合金化制備M(Al)固溶體合金粉末； 2:將上述M(Al)固溶體合金粉末進(jìn)行分篩，獲得不同粒徑粉末； '3:將不同粒徑M(Al)固溶體合金粉末與Al或Al合金粉按5 60vol. %的M(Al)和 95 40vol. %的Al及其合金配比在球磨混料機(jī)中混合均勻； :4:在平板狀或棒狀基體表面進(jìn)行噴砂粗化處理； 采用冷噴涂在上述基體上噴涂步驟C3)準(zhǔn)備的粉末，送粉量50 lOOg/min，涂覆層厚度 300 μ m 50mm ；
6:對步驟( 獲得的涂覆層在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行熱處理，溫度450 650°C， 時間1 8小時，獲得原位M-Al金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料?；w需要剝離時，應(yīng)將基體在步驟(6)的熱處理之前進(jìn)行剝離。本發(fā)明的其他特點是
所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，由增強(qiáng)體和基體合金組成，所述的基體合金是鋁及鋁合金，所述增強(qiáng)體為原位自生的金屬間化合物顆粒，其占總體積5 60%，其余為基體合金。所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，金屬粉末M可以是佝、Ti、Ni、Cu、Co等金屬中的一種或多種。所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，所述M-Al金屬間化合物顆粒增強(qiáng)體可以是MAl、M3Al、M2Al5, MAl3等金屬間化合物中的一種或幾種。所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，步驟(1)中的 M(Al)為固溶體合金粉末；
所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，制備塊材時可不用對基體噴砂直接沉積涂覆層；
所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，在制備塊材時應(yīng)將基體在步驟(6)的熱處理之前進(jìn)行剝離；
所述的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，金屬間化合物顆粒的尺寸和體積分?jǐn)?shù)可控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，
本發(fā)明提出的原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，可以通過調(diào)節(jié)原料成分、粒度、機(jī)械合金化工藝、冷噴涂工藝以及熱處理溫度和時間等多種工藝參數(shù)來控制金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)、顆粒尺寸及體積分?jǐn)?shù)，金屬間化合物增強(qiáng)顆粒原位生成，表面潔凈，與基體結(jié)合好，工藝簡單，生產(chǎn)周期短，成本低廉易于推廣應(yīng)用。


圖1本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式以下依照本發(fā)明的技術(shù)方案作出具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不局限于這些實例。實施例1
選取粒度小于50 μ m的Fe粉和Al粉，按照摩爾比50 50配比，粉末形貌如圖2所示。 在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，球料比為15 1，球磨時間為Mh，轉(zhuǎn)速180 rpm，獲得 Fe(Al)固溶體合金粉末，粉末斷面組織如圖3所示。將狗仏1)固溶體合金粉末與純Al粉末按體積比Al =Fe (Al) =50 :50在球磨混料機(jī)中混合均勻，然后冷噴涂沉積涂覆層，基體為 40mmX25mmX3mm鋁合金，噴涂前對基體表面采用M目棕剛玉噴砂處理，噴涂氣體為隊氣， 其中，加速氣體壓力1. OMPa，送粉氣壓力1. 2MPa，噴涂溫度350°C，送粉率50g/min，噴涂距離20mm，噴槍移動速度50mm/s，涂覆層厚度約20mm左右，其組織如圖4 (a)所示，可以看到， 在黑色的鋁基體上彌散分布著白色!^e(Al)固溶體合金顆粒。噴涂后剝離基體，在真空爐中進(jìn)行熱處理，真空度3X 10_3Pa，以5°C /s的速率升至500°C，保溫5小時，隨爐冷卻至室溫， 獲得原位 ^ΑΙ金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其組織如圖4 (b)所示，可以看到，在黑色的Al基體上分布著灰色的!^Al金屬間化合物顆粒，同時還存在少量未完全反應(yīng)的白色!^e(Al)固溶體合金顆粒。實施例2:
選取粒度小于25 μ m的狗粉和粒度小于IOym的Al粉，按照摩爾比75 25配比，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，球料比為10 1，球磨時間為12h，轉(zhuǎn)速200 rpm，獲得 Fe (Al)固溶體合金粉末，將其與純Al粉末按體積比Al =Fe (Al) =75 25在球磨混料機(jī)中混合均勻，然后冷噴涂沉積涂覆層，基體為40mm X 25mm X 3mm低碳鋼，噴涂前對基體表面采用 100目棕剛玉噴砂處理，噴涂氣體為N2氣，其中，加速氣體壓力2. OMPa，送粉氣壓力2. 2MPa, 噴涂溫度400°C，送粉率70g/min左右，噴涂距離20mm，噴槍移動速度20mm/s，涂覆層厚度 40mm。噴涂后剝離基體，在流動氬氣保護(hù)的管式爐中進(jìn)行熱處理，以10°C /s的速率升至 450°C，保溫5小時，隨爐冷卻至室溫，獲得!^e2Al5金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。實施例3:
選取粒度小于25 μ m的Ni粉和Al粉，按照摩爾比75:25配比，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，球料比為20 1，球磨時間為Mh，轉(zhuǎn)速180印111，獲得附仏1)固溶體合金粉末，將其與純Al粉末按體積比Al =Ni (Al)=SO 20在球磨混料機(jī)中混合均勻，然后冷噴涂沉積涂覆層，基體為40mmX 25mmX 3mm低碳鋼，噴涂前對基體表面采用150目棕剛玉噴砂處理，噴涂氣體為隊氣，其中，加速氣體壓力2MPa，送粉氣壓力2. 2MPa，噴涂溫度500°C，送粉率50g/min左右，噴涂距離20mm，噴槍移動速度30mm/s，涂覆層厚度20mm。噴涂后剝離基體，在流動氬氣保護(hù)的管式爐中進(jìn)行熱處理，以10°C /s的速率升至550°C，保溫5小時，隨爐冷卻至室溫，獲得MAl3金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。實施例4:
選取粒度小于45 μ m的Ti粉和粒度5 10 μ m Al粉，按照摩爾比50 50配比，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，球料比為10 1，球磨時間為12h，轉(zhuǎn)速200印!11，獲得11(八1) 固溶體合金粉末，將其與純Al粉末按體積比Al =Ti (Al) =60 40在球磨混料機(jī)中混合均勻， 然后冷噴涂沉積涂覆層，基體為40mm X 25mm X 3mm低碳鋼，噴涂前對基體表面采用150目棕剛玉噴砂處理，噴涂氣體為He氣，其中，加速氣體壓力1. 5MPa，送粉氣壓力1. 7MPa,噴涂溫度350°C，送粉率40g/min左右，噴涂距離20mm，噴槍移動速度40mm/s，涂覆層厚度20mm。噴涂后剝離基體，在真空爐中進(jìn)行熱處理，真空度3X 10_3Pa，以5°C /s的速率升至650°C，保溫5小時，隨爐冷卻至室溫，獲得TiAl金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下'1 *將金屬粉末M和Al粉，按75 25at. %的M和25 75at. %的Al進(jìn)行配比(at.為原子百分比)，然后在惰性氣氛、低溫或真空下進(jìn)行機(jī)械合金化制備M(Al)固溶體合金粉末； 將上述M(Al)固溶體合金粉末進(jìn)行分篩，獲得不同粒徑粉末；$將不同粒徑M(Al)固溶體合金粉末與Al或Al合金粉按5 60vol. %的M(Al)和 95 40vol. %的Al及其合金配比在球磨混料機(jī)中混合均勻；I在平板狀或棒狀基體表面進(jìn)行噴砂粗化處理；樂采用冷噴涂在上述基體上噴涂步驟C3)準(zhǔn)備的粉末，送粉量50 lOOg/min，涂覆層厚度 300 μ m 50mm ；對步驟( 獲得的涂覆層在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行熱處理，溫度450 650°C， 時間1 8小時，獲得原位M-Al金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由增強(qiáng)體和基體合金組成，所述的基體合金是鋁及鋁合金，所述增強(qiáng)體為原位自生的金屬間化合物顆粒，其占總體積5 60%，其余為基體合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，金屬粉末M為Fe、Ti、Ni、Cu、Co金屬中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，所述M-Al金屬間化合物顆粒增強(qiáng)體為MAl、M3Al、M2A15、MAl3金屬間化合物中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，步驟(1)中的M(Al)為固溶體合金粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，制備塊材時不用對基體噴砂直接沉積涂覆層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，在制備塊材時將基體在步驟(6)的熱處理之前進(jìn)行剝離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，金屬間化合物顆粒的尺寸和體積分?jǐn)?shù)可控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。本發(fā)明提出的方法，首先，將能夠形成金屬間化合物的M金屬粉末與Al合金粉末按比例混合，進(jìn)行機(jī)械合金化制備M(Al)固溶體合金粉末，再將M(Al)粉末與Al及其合金粉末按比例配比混合，采用新型冷噴涂成形技術(shù)制備涂覆層，然后通過熱處理實現(xiàn)M(Al)固溶體向M-Al金屬間化合物的原位轉(zhuǎn)變，從而獲得原位金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低廉，且顆粒增強(qiáng)體與基體相容性好，有助于工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號C23C10/28GK102400001SQ20111039529
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者王洪濤, 白小波, 紀(jì)崗昌, 董增祥, 陳梟 申請人:九江學(xué)院