一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法
【專利摘要】一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠；將鋁基復(fù)合材料坯錠組焊形成截面為Φ150mm～Φ500mm的自耗電極，然后進(jìn)行熔煉，熔煉后獲得Φ200mm～Φ600mm的真空自耗鑄錠；將真空自耗鑄錠送入電阻爐中加熱并保溫，將真空自耗鑄錠進(jìn)行鍛造，獲得Φ150mm～Φ500mm鋁基復(fù)合材料棒材。本發(fā)明制得的鋁基復(fù)合材料棒材經(jīng)高低倍金相檢查，TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)棒材中無(wú)夾雜缺陷，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到415MPa，斷裂延伸率達(dá)到2.5％。
【專利說(shuō)明】一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，具體涉及一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]航空航天飛行器、空間裝置、空間探測(cè)等系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件要求所使用的材料同時(shí)具有高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低熱膨脹性、高抗熱變形能力等綜合性能。傳統(tǒng)的單一金屬、高分子、陶瓷材料已難于滿足如此高的綜合性能要求，由高性能增強(qiáng)體(顆粒、晶須、短纖維)和鋁合金復(fù)合而成的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，既具有鋁合金的優(yōu)良性能，又可通過(guò)選擇加入合適的增強(qiáng)體獲得所需的優(yōu)異綜合性能，可滿足對(duì)綜合性能要求較高的使用需求。
[0003]原位自生鋁基復(fù)合材料由于增強(qiáng)體在基體內(nèi)部原位合成，增強(qiáng)體顆粒尺寸細(xì)小，基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合較好且界面干凈，工藝簡(jiǎn)便、成本低，從而獲得了大量的研究及應(yīng)用。ZL200310122739.1、ZL200510028209.X介紹了采用混合鹽法制備了原位自生鋁基復(fù)合材料，然而，這些方法僅解決了增強(qiáng)相在復(fù)合材料熔融狀態(tài)下的均勻分布問(wèn)題。由于熔融狀態(tài)的復(fù)合材料在結(jié)晶過(guò)程中將增強(qiáng)相排斥到晶界處，使得增強(qiáng)相富集、偏聚，造成復(fù)合材料的不均勻性，極大地惡化了材料性能。特別是要生產(chǎn)Φ150_以上的大棒材時(shí)，由于采用砂套等常規(guī)鑄型成形，熔融狀態(tài)的復(fù)合材料凝固十分緩慢，增強(qiáng)相在復(fù)合材料中不均勻的情況顯得十分嚴(yán)重，同時(shí)由于鑄錠偏向于同時(shí)凝固，在材料中心易形成縮松、縮孔等缺陷，材料中的夾渣也難以浮出表面，鑄錠質(zhì)量難以控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述問(wèn)題，提供一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，制得的鋁基復(fù)合材料棒材中TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密、無(wú)夾雜缺陷。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]步驟一、采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠；
[0007]步驟二、將步驟一中的招基復(fù)合材料還錠組焊形成截面為Φ 150mm?Φ500mm的自耗電極，再將自耗電極裝入真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉后獲得Φ 200mm?Φ 600mm的真空自耗鑄錠；
[0008]步驟三、將真空自耗鑄錠送入電阻爐中加熱至450°C?490°C并保溫，將經(jīng)過(guò)保溫后的真空自耗鑄錠在450°C?490°C下進(jìn)行鍛造，獲得Φ150πιπι?Φ 500mm鋁基復(fù)合材料棒材。
[0009]所述采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠的具體過(guò)程如下:按照鋁基復(fù)合材料的名義化學(xué)成分計(jì)算該復(fù)合材料的中合金元素的質(zhì)量比，然后按照計(jì)算出的質(zhì)量比將KBF4和K2TiF6混合均勻后加入到純鋁液中，反應(yīng)生成TiB2增強(qiáng)相，然后再向純鋁液中加入中間合金獲得液態(tài)的鋁基復(fù)合材料；將液態(tài)的鋁基復(fù)合材料澆注到砂套或者金屬模中形成鋁基復(fù)合材料坯錠。
[0010]所述招基復(fù)合材料還淀為長(zhǎng)方體狀，截面為30mmX30mm?10mmX 100mm。
[0011]所述鋁基復(fù)合材料具體為ZL101/TiB2、ZL105/TiB2或ZL201/TiB2鋁基復(fù)合材料。
[0012]所述步驟二中熔煉前先將自耗電極進(jìn)行組焊，然后再放入到真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，并且熔煉全過(guò)程采用水冷進(jìn)行冷卻。
[0013]所述步驟二中熔煉過(guò)程中的熔煉電流為5?26KA，熔煉電壓28?38V，穩(wěn)弧電流為5?14A的交流電流，真空度為3X 10—1?8 X 1-1Pa15
[0014]所述步驟三中將真空自耗鑄錠送入電阻爐中加熱前將真空自耗鑄錠扒皮至表面光潔，并進(jìn)行鋸切冒口。
[0015]所述步驟三中保溫時(shí)間為12?24小時(shí)。
[0016]所述步驟三中鍛造具體為2?3火次鍛造。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果:本發(fā)明通過(guò)將采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠再經(jīng)過(guò)真空自耗電弧熔煉進(jìn)行重熔，一方面可以獲得大尺寸鑄錠，另一方面由于真空自耗電弧熔煉有穩(wěn)弧電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，使TiB2增強(qiáng)相的分布更為均勻，兩方面的作用使得TiBjf強(qiáng)相在真空自耗鑄錠中的分布非常均勻。同時(shí)，鋁基復(fù)合材料坯錠中的氧化物、氮化物等雜質(zhì)會(huì)隨著磁場(chǎng)攪拌的作用聚集在鑄錠表面，這些雜質(zhì)會(huì)在隨后的機(jī)皮工序中被去除，從而獲得聞品質(zhì)的招基復(fù)合材料鑄淀，最后經(jīng)過(guò)鍛造，獲得鋁基復(fù)合材料棒材，本發(fā)明制得的鋁基復(fù)合材料棒材經(jīng)高低倍金相檢查，TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)棒材中無(wú)夾雜缺陷，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到415MPa，斷裂延伸率達(dá)到2.5%。本發(fā)明制備的是Φ 150mm?Φ500mm的鋁基復(fù)合材料棒材，克服了現(xiàn)有技術(shù)中制備較大尺寸鋁基復(fù)合材料棒材質(zhì)量差的問(wèn)題。
[0018]進(jìn)一步的，同時(shí)采用水冷冷卻，可以獲得很高的凝固速度，TiB2增強(qiáng)相在金屬液凝固過(guò)程中不易發(fā)生偏聚。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]實(shí)施例1
[0021]ZLlOlAiB2鋁基復(fù)合材料棒材的制備
[0022]步驟一、采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠，具體過(guò)程為:按照Z(yǔ)LlOlAiB2鋁基復(fù)合材料的名義化學(xué)成分Al-7S1-0.3Mg-15TiB2計(jì)算出該鋁基復(fù)合材料的合金元素質(zhì)量比，按照計(jì)算出的質(zhì)量比將KBF4和K2TiF6混合均勻后加入到純鋁液中，反應(yīng)生成TiB2增強(qiáng)相，然后再向純鋁液加入中間合金AlSi 12A及純Mg，獲得符合ZLlOl/TiB2成分要求的液態(tài)的鋁基復(fù)合材料。將液態(tài)的鋁基復(fù)合材料澆注到砂套中形成截面為30mmX 30mm的長(zhǎng)方體狀的鋁基復(fù)合材料坯錠；
[0023]步驟二、將鋁基復(fù)合材料坯錠組焊形成截面為Φ 150mm的自耗電極，將自耗電極放入坩堝中，再將坩堝裝入真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，所述熔煉過(guò)程中的熔煉電流為5KA，熔煉電壓28V，穩(wěn)弧電流為交流5A，真空度為3 X KT1Pa,熔煉全過(guò)程中采用水冷對(duì)坩堝進(jìn)行冷卻，獲得Φ 200mm的真空自耗鑄錠。
[0024]步驟三、將真空自耗鑄錠扒皮至表面光潔無(wú)缺陷，鋸切冒口后送入電阻爐中加熱至450°C保溫12小時(shí)，將經(jīng)過(guò)保溫后的真空自耗鑄錠進(jìn)行2火次鍛造，獲得Φ 150_鋁基復(fù)合材料棒材。
[0025]鋁基復(fù)合材料棒材經(jīng)高低倍金相檢查，TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)棒材中無(wú)夾雜缺陷，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到425MPa，斷裂延伸率達(dá)到3.5%。
[0026]實(shí)施例2
[0027]ZL105/TiB2鋁基復(fù)合材料棒材的制備
[0028]步驟一、采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠，具體過(guò)程為:按照Z(yǔ)L105/TiB2鋁基復(fù)合材料的名義化學(xué)成分Al-5S1-l.25Cu_0.5Mg-10TiB2計(jì)算出該鋁基復(fù)合材料的合金元素質(zhì)量比，按照計(jì)算出的質(zhì)量比將將KBF4和K2TiF6混合均勻后加入到純鋁液中，反應(yīng)生成TiB2增強(qiáng)相，然后再向純鋁液加入AlSil2A、AlCu50A中間合金及純Mg獲得符合成分要求的液態(tài)的鋁基復(fù)合材料。將液態(tài)的鋁基復(fù)合材料澆注到金屬模中形成截面為50mmX 50mm的長(zhǎng)方體狀的鋁基復(fù)合材料坯錠；
[0029]步驟二、將鋁基復(fù)合材料坯錠組焊形成截面為Φ300πιπι的自耗電極，將自耗電極放入坩堝中，再將坩堝裝入真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，所述熔煉過(guò)程中的熔煉電流為11ΚΑ，熔煉電壓32V，穩(wěn)弧電流為交流9Α，真空度為5 X KT1Pa,熔煉過(guò)程中采用水冷對(duì)坩堝進(jìn)行冷卻，獲得Φ450mm的真空自耗鑄錠。
[0030]步驟三、將真空自耗鑄錠扒皮至表面光潔無(wú)缺陷，鋸切冒口后送入電阻爐中加熱至470°C保溫16小時(shí)，將經(jīng)過(guò)保溫后的真空自耗鑄錠進(jìn)行3火次鍛造，獲得Φ 300_鋁基復(fù)合材料棒材。
[0031]成品鋁基復(fù)合材料棒材經(jīng)高低倍金相檢查，TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)棒材中無(wú)夾雜缺陷，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到415MPa，斷裂延伸率達(dá)到2.5%。
[0032]實(shí)施例3
[0033]ZL201/TiB2鋁基復(fù)合材料棒材的制備
[0034]步驟一、采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠，具體過(guò)程為:按照Z(yǔ)L201/TiB2鋁基復(fù)合材料的名義化學(xué)成分Al-5Cu-0.8Mn_0.25Ti_10TiB2計(jì)算出該鋁基復(fù)合材料的合金元素質(zhì)量比，按照計(jì)算出的質(zhì)量比將采用KBF4及K2TiF6混合均勻后加入到純鋁液中，反應(yīng)生成TiB2增強(qiáng)相，然后再向純鋁液加入AlCu50A、AlMnlOA, Α1Τ?4ΒΑ中間合金獲得符合成分要求的液態(tài)的鋁基復(fù)合材料。將液態(tài)的鋁基復(fù)合材料澆注到砂套形成截面為10mmX 10mm的長(zhǎng)方體狀的鋁基復(fù)合材料坯錠；
[0035]步驟二、將鋁基復(fù)合材料坯錠組焊形成截面為Φ500πιπι的自耗電極，將自耗電極放入坩堝中，再將坩堝裝入真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，所述熔煉過(guò)程中的熔煉電流為26ΚΑ，熔煉電壓38V，穩(wěn)弧電流為交流14Α，真空度為8 X KT1Pa,熔煉過(guò)程中采用水冷對(duì)坩堝進(jìn)行冷卻，獲得Φ600mm的真空自耗鑄錠。
[0036]步驟三、將真空自耗鑄錠扒皮至表面光潔無(wú)缺陷，鋸切冒口后送入電阻爐中加熱至490°C保溫24小時(shí)，將經(jīng)過(guò)保溫后的真空自耗鑄錠進(jìn)行3火次鍛造，獲得Φ 500mm鋁基復(fù)合材料棒材。
[0037]本發(fā)明制得的鋁基復(fù)合材料棒材經(jīng)高低倍金相檢查，TiBjf強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)棒材中無(wú)夾雜缺陷，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到515MPa，斷裂延伸率達(dá)到
2.5%。
[0038]由傳統(tǒng)方法制備的鋁基復(fù)合材料金屬液在尺寸較小的砂套或者是金屬模中凝固成坯錠，由于冷卻速度較快，TiBjI強(qiáng)相不易發(fā)生偏聚。坯錠再經(jīng)過(guò)真空自耗電弧熔煉進(jìn)行重熔，一方面可以獲得大尺寸鑄錠，另一方面由于真空自耗電弧熔煉有穩(wěn)弧電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，TiB2增強(qiáng)相的分布更為均勻，同時(shí)坩堝采用水冷冷卻，可以獲得很高的凝固速度，TiB2增強(qiáng)相在金屬液凝固過(guò)程中不易發(fā)生偏聚，兩方面的作用使得TiB2增強(qiáng)相在真空自耗鑄錠中的分布非常均勻。同時(shí)，鋁基復(fù)合材料坯錠中的氧化物、氮化物等雜質(zhì)會(huì)隨著磁場(chǎng)攪拌的作用聚集在鑄錠表面，這些雜質(zhì)會(huì)在隨后的扒皮工序中被去除，從而獲得高品質(zhì)的鋁基復(fù)合材料鑄錠，最后經(jīng)過(guò)鍛造，獲得TiB2增強(qiáng)相分布十分均勻、組織十分致密、無(wú)夾雜缺陷的高品質(zhì)鋁基復(fù)合材料棒材。
【權(quán)利要求】
1.一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠； 步驟二、將步驟一中的鋁基復(fù)合材料坯錠組焊形成截面為Φ150πιπι?Φ500πιπι的自耗電極，再將自耗電極裝入真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉后獲得Φ 200mm?Φ 600mm的真空自耗鑄錠； 步驟三、將真空自耗鑄錠送入電阻爐中加熱至450°C?490°C并保溫，將經(jīng)過(guò)保溫后的真空自耗鑄錠在450°C?490°C下進(jìn)行鍛造，獲得Φ 150mm?Φ 500mm鋁基復(fù)合材料棒材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述采用混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料坯錠的具體過(guò)程如下:按照鋁基復(fù)合材料的名義化學(xué)成分計(jì)算該復(fù)合材料的中合金元素的質(zhì)量比，然后按照計(jì)算出的質(zhì)量比將KBF4和K2TiF6混合均勻后加入到純鋁液中，反應(yīng)生成TiB2增強(qiáng)相，然后再向純鋁液中加入中間合金獲得液態(tài)的鋁基復(fù)合材料；將液態(tài)的鋁基復(fù)合材料澆注到砂套或者金屬模中形成鋁基復(fù)合材料坯錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述招基復(fù)合材料還淀為長(zhǎng)方體狀，截面為30mmX30mm?10mmX 100mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述鋁基復(fù)合材料具體為ZL101/TiB2、ZL105/TiB2或ZL201/TiB2鋁基復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述步驟二中熔煉前先將自耗電極進(jìn)行組焊，然后再放入到真空自耗電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，并且熔煉全過(guò)程采用水冷進(jìn)行冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述步驟二中熔煉過(guò)程中的熔煉電流為5?26KA，熔煉電壓28?38V，穩(wěn)弧電流為5?14A的交流電流，真空度為3X 10—1?8 X KT1Pat5
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述步驟三中將真空自耗鑄錠送入電阻爐中加熱前將真空自耗鑄錠扒皮至表面光潔，并進(jìn)行鋸切冒口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述步驟三中保溫時(shí)間為12?24小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生鋁基復(fù)合材料棒材制備方法，其特征在于，所述步驟三中鍛造具體為2?3火次鍛造。
【文檔編號(hào)】B22D7/06GK104138921SQ201410267233
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】周中波, 林琳, 劉娣, 張利軍, 薛祥義 申請(qǐng)人:西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司