專利名稱：尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法，屬于金屬材料加工制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料因具有低密度、高比強度、低膨脹系數(shù)、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為金屬基復(fù)合材料的研究重點，在交通運輸以及建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。陶瓷晶須材料由于具有低的缺陷密度、穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能和化學(xué)性能以及高強度和高硬度，是復(fù)合材料的重要增強體。目前，利用球磨預(yù)處理的方法，已經(jīng)可以在鋁復(fù)合材料燒結(jié)成型的過程中同時生成尖晶石晶須，該方法工藝簡單，所得的復(fù)合材料內(nèi)部的尖晶石晶須結(jié)晶良好， 產(chǎn)率穩(wěn)定，在鋁基體內(nèi)部分布均勻，可以穿透晶界并固定鋁基體，與純鋁相比，綜合力學(xué)性能有了很大的提升。前期通過800°C下保溫60 min的冷壓燒結(jié)工藝得到了內(nèi)部原位生長出鋁酸鎂晶須的圓柱體復(fù)合材料初坯。從觀察中可以看到圓柱體內(nèi)部有一定比例的孔洞，致密度不高， 圓柱體膨脹較大，使得晶須增強效果不是很明顯。由于原料粉末中含有硼酸，燒結(jié)過程中硼酸分解的水導(dǎo)致圓柱體內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，降低了材料的致密度。而采用氧化硼作為助熔劑可以顯著降低圓柱體材料內(nèi)部的孔隙率，但由于氧化硼在球磨過程中的冷焊現(xiàn)象較為嚴重， 故如何更好的使用氧化硼作為助熔劑成為本研究的重點之一。另外，為進一步提高成型材料的致密度，對得到的復(fù)合圓柱體材料進行了熱擠壓二次處理。而且擠壓過程中的形變強化效果可以大幅提升復(fù)合材料的強度。力學(xué)性能測試結(jié)果表明增強體的強化效果發(fā)揮明顯，證明原位獲取增強體的思路有效可行，可以進一步推廣到多種增強體以及其他基體復(fù)合材料制備方法的探索道路上，為新型復(fù)合材料的制備和應(yīng)用開闊了新思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法。該方法工藝簡單，成本低廉，并且能夠有效地提高復(fù)合材料的致密度和強度。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，一種尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法，其特征在于包括以下過程
1，原位生成高致密度的復(fù)合材料按質(zhì)量比例20:5:2、稱取鋁粉、鎂粉、氧化硼粉末，混合后將其放入球磨罐中，同時加入總粉體質(zhì)量的2 3%的硬脂酸作為過程控制劑，然后在行星球磨機上以65(Γ700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、1(Γ15:1球料比進行球磨1(Γ12小時后得到預(yù)制粉末，將混合粉末在60(T650 MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體，然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為l(T200ml/min的保護氣、并以升溫速度為廣10°C/min升溫至75(T800°C，保溫廣1. 5小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基復(fù)合材料；2，材料初坯的預(yù)處理將生長出尖晶石晶須的復(fù)合材料初坯置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出3(Γ50°的倒角，然后將圓柱體材料表面涂覆耐600°C高溫的有機潤滑脂后，置于H13熱作模具鋼中加熱到53(T550°C預(yù)熱并保溫4(T50min ；
3，熱擠壓成型將步驟2預(yù)處理后的初坯置于液壓機下，在溫度50(T540°C、壓力 70(T800MPa進行熱擠壓，擠壓比選擇1廣16:1，擠壓速度控制在3 5m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，棒狀的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明優(yōu)點在于，前期球磨過程中過程控制劑的加入使得致密度更高的氧化硼成功替代硼酸作為助熔劑，然后通過熱擠壓制得鋁基復(fù)合材料棒材，其致密度有了顯著提高， 可達到理論密度的95%以上。另外，材料的硬度以及屈服強度都得到了很大的提升含晶須為15%的鋁基復(fù)合材料的硬度達到142HV ；抗壓強度642MPa，抗拉強度400MPa，均可以達到純鋁材料的4倍以上。


圖1為本發(fā)明實施例1在溫度800°C燒結(jié)后得到的圓柱體內(nèi)部生成的尖晶石晶須SEM照片
圖2為本發(fā)明實施例1熱擠壓得到的棒狀復(fù)合材料橫截面的SEM照片。圖3為本發(fā)明實施例2得到的晶須含量為15%的鋁基復(fù)合材料與純鋁試樣的拉伸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。圖4為本發(fā)明實施例2得到的復(fù)合材料棒材拉伸斷口的SEM照片。圖5為本發(fā)明實施例2得到的晶須含量為15%的鋁基復(fù)合材料與純鋁試樣的壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的具體內(nèi)容具體說明如下 實施例1
取鋁粉10. Sg、鎂粉2. 4g、氧化硼1. 05g粉末、硬脂酸0. 3g混合后將其放入含160g的氧化鋯磨粒的球磨罐中，在行星球磨機上以650轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨12小時后得到預(yù)制粉末。將混合粉末在600MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體。然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為20ml/min的保護氣、并以升溫速度為10°C /min升溫至800°C，保溫1小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體材料。將得到的原位生長出尖晶石晶須的鋁基復(fù)合材料初坯置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后將圓柱體材料表面涂覆耐600°C高溫的有機潤滑脂后，置于鋼制模具中加熱到530°C預(yù)熱并保溫50min。保溫結(jié)束后，將模具至于單柱液壓機下，在510°C以SOOMPa的壓力進行熱擠壓，擠壓比選擇16:1，擠壓速度控制在3m/min， 擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，內(nèi)部致密性和結(jié)合性良好的直徑為5mm 的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料棒材。實施例2
取鋁粉10. Sg、鎂粉2. 4g、氧化硼1. 05g粉末、硬脂酸0. 3g混合后將其放入含160g的氧化鋯磨粒的球磨罐中，在行星球磨機上以700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨12小時后得到預(yù)制粉末。將混合粉末在600MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體。然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為lOml/min的保護氣、并以升溫速度為10°C /min升溫至800°C，保溫1小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體材料。將得到的原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體復(fù)合材料初坯(直徑為20mm)置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后將圓柱體材料表面涂覆耐 600°C高溫的有機潤滑脂后，置于鋼制模具中加熱到530°C預(yù)熱并保溫50min。保溫結(jié)束后， 將模具至于單柱液壓機下，在510°C以SOOMPa的壓力進行熱擠壓，擠壓比選擇16:1，擠壓速度控制在5m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，內(nèi)部致密性和結(jié)合性良好的直徑為5mm的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料棒材。實施例3
取鋁粉10. Sg、鎂粉2. 4g、氧化硼1. 75g粉末、硬脂酸0. 3g混合后將其放入含180g的氧化鋯磨粒的球磨罐中，在行星球磨機上以650轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨12小時后得到預(yù)制粉末。將混合粉末在600MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體。然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為15ml/min的保護氣、并以升溫速度為10°C /min升溫至800°C，保溫1小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體材料。將得到的原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體復(fù)合材料初坯(直徑為20mm)置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出40°的倒角。然后將圓柱體材料表面涂覆耐 600°C高溫的有機潤滑脂后，置于鋼制模具中加熱到550°C預(yù)熱并保溫40min。保溫結(jié)束后， 將模具至于單柱液壓機下，在530°C以750MPa的壓力進行熱擠壓，擠壓比選擇16:1，擠壓速度控制在3m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，內(nèi)部致密性和結(jié)合性良好的直徑為5mm的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料棒材。實施例4
取鋁粉10. Sg、鎂粉2. 4g、氧化硼1. 75g粉末、硬脂酸0. 3g混合后將其放入含180g的氧化鋯磨粒的球磨罐中，在行星球磨機上以650轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨12小時后得到預(yù)制粉末。將混合粉末在600MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體。然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為20ml/min的保護氣、并以升溫速度為10°C /min升溫至800°C，保溫1. 5小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體材料。將得到的原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體復(fù)合材料初坯(直徑為20mm)置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出50°的倒角。然后將圓柱體材料表面涂覆耐 600°C高溫的有機潤滑脂后，置于鋼制模具中加熱到550°C預(yù)熱并保溫50min。保溫結(jié)束后， 將模具至于單柱液壓機下，在530°C以750MPa的壓力進行熱擠壓，擠壓比選擇16:1，擠壓速度控制在5m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，內(nèi)部致密性和結(jié)合性良好的直徑為5mm的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料棒材。實施例5
取鋁粉10. Sg、鎂粉2. 4g、氧化硼2. Ig粉末、硬脂酸0. 3g混合后將其放入含190g的氧化鋯磨粒的球磨罐中，在行星球磨機上以700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨12小時后得到預(yù)制粉末。將混合粉末在600MI^壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體。然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為20ml/min的保護氣、并以升溫速度為10°C /min升溫至 800°C，保溫1小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體材料。 將得到的原位生長出尖晶石晶須的鋁基圓柱體復(fù)合材料初坯(直徑為20mm)置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后將圓柱體材料表面涂覆耐 600°C高溫的有機潤滑脂后，置于鋼制模具中加熱到530°C預(yù)熱并保溫50min。保溫結(jié)束后， 將模具至于單柱液壓機下，在以SOOMPa的壓力進行熱擠壓，擠壓比選擇11:1，擠壓速度控制在5m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，內(nèi)部致密性和結(jié)合性良好的直徑為6mm的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料棒材。
權(quán)利要求
1. 一種尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法，其特征在于包括以下過程1)原位生成高致密度的復(fù)合材料按質(zhì)量比例20:5:2、稱取鋁粉、鎂粉、氧化硼粉末，混合后將其放入球磨罐中，同時加入總粉體質(zhì)量的2 3%的硬脂酸作為過程控制劑，然后在行星球磨機上以65(Γ700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、1(Γ15:1球料比進行球磨1(Γ12小時后得到預(yù)制粉末，將混合粉末在60(T650 MPa壓力下壓制成直徑20mm的圓柱體，然后將該圓柱體材料置于氬氣保護的石英管式爐通入流量為l(T200ml/min的保護氣、并以升溫速度為廣10°C/min升溫至75(T800°C，保溫廣1. 5小時進行晶須的生長，然后在氬氣的保護下使?fàn)t溫降至室溫，得到內(nèi)部原位生長出尖晶石晶須的鋁基復(fù)合材料；2)材料初坯的預(yù)處理將生長出尖晶石晶須的復(fù)合材料初坯置于砂輪上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出3(Γ50°的倒角，然后將圓柱體材料表面涂覆耐600°C高溫的有機潤滑脂后，置于H13熱作模具鋼中加熱到53(T550°C預(yù)熱并保溫4(T50min ；3)熱擠壓成型將步驟幻預(yù)處理后的初坯置于液壓機下，在溫度500、40°C、壓力 70(T800MPa進行熱擠壓，擠壓比選擇1廣16:1，擠壓速度控制在3 5m/min，擠壓出的棒材空冷至室溫，即可以得到表面光滑，棒狀的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料的致密強化方法。該方法以鋁粉、鎂粉、氧化硼粉末為原料，進行球磨預(yù)處理，得到了原位生長的尖晶石晶須增強的鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料的初坯經(jīng)預(yù)熱以及熱擠壓二次處理后得到了表面光滑，棒狀的尖晶石晶須增強鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡單，成本低廉，致密度可以達到理論密度的95%以上，抗拉強度和抗壓強度均可以達到純鋁材料的4倍以上。從而證明了原位獲取增強體的思路有效可行，可以進一步推廣到多種增強體以及其他基體復(fù)合材料制備方法的探索道路上，為新型復(fù)合材料的制備和應(yīng)用開闊了新思路。
文檔編號C22C101/06GK102400067SQ20111039805
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者于鎮(zhèn)洋, 何春年, 劉恩佐, 周陽, 師春生, 趙乃勤 申請人:天津大學(xué)