本發(fā)明屬于多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

顆粒增強鋁基復(fù)合材料兼具基體和增強相的優(yōu)點，具有較高的比強度和彈性模量、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、低密度等優(yōu)點，在航空、航天、汽車和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。金屬鎢具有高熔點、高硬度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，與陶瓷增強相相比，又具有良好的導(dǎo)電性以及與基體的相容性。鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料是一種耐高溫、高強度、高耐磨的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)功能一體化材料，極具應(yīng)用潛力和實用價值。

由于鋁和鎢的熔點和密度差別較大(鎢熔點3422℃，密度19.35g/cm³；鋁的熔點660℃，沸點2467℃，密度2.7g/cm³)，常規(guī)的金屬基復(fù)合材料制備方法，如攪拌鑄造法和熔鑄法，無法獲得組織致密的鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料，這些方法并不適用于基體和增強相密度差別較大的材料。專利CN105401001A提出采用粉末冶金法制備鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料強度較高，但是由于增強相在基體中彌散分散，導(dǎo)致復(fù)合材料的塑性較差，Al-W界面結(jié)合性差也影響了復(fù)合材料的強度，限制了復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，具體技術(shù)方案如下：

一種多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟：

1)將鎢粉和鋁粉混合后進(jìn)行球磨，得到鋁包覆的鎢顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末；

2)將步驟1)中的鋁包覆的鎢顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末和鋁粉混合，得到復(fù)合粉體；

3)將步驟2)中的復(fù)合粉體裝在鋁制包套中，振實，真空加熱除氣并封口；

4)熱等靜壓燒結(jié)步驟3)中的復(fù)合粉體，之后去除表面鋁制包套，即得到多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

步驟1)中鎢粉純度大于99％，粒徑為2～12μm。

所述鋁粉為純度大于99％的鋁粉，粒徑為4～200μm。

步驟1)中鎢粉的質(zhì)量百分比為40～80％，鋁粉的質(zhì)量百分比為60～20％。

步驟2)中鋁包覆的鎢顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末的質(zhì)量百分比為12.5～70％，鋁粉的質(zhì)量百分比為87.5～30％。

步驟1)中球磨采用行星式球磨機，在真空或氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行，磨球與粉末的重量比為(3:1)～(10:1)，轉(zhuǎn)速300～500轉(zhuǎn)/min，球磨時間4～40h。

步驟2)中混合采用雙錐混料機，在氬氣保護(hù)的條件下進(jìn)行，磨球與粉末的重量比為(1:1)～(3:1)，混合時間為8～24h。

步驟3)中真空加熱除氣條件：加熱溫度400～450℃，真空度低于1×10^-3Pa。

步驟4)中熱等靜壓燒結(jié)的條件為：升溫速率不大于10℃/min，燒結(jié)溫度為500～550℃，壓力為100～200MPa，保溫時間為2～4h。

步驟4)中多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料中鎢顆粒的質(zhì)量百分含量為5％～56％。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明利用高能球磨-低能混合-熱等靜壓的工藝制備了多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料。在高能球磨過程中，W粉和Al粉經(jīng)歷了變形-破碎-團(tuán)聚的過程，形成Al-W顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末。顆粒團(tuán)簇再與Al粉在低能混合過程實現(xiàn)均勻分散，通過熱等靜壓燒結(jié)實現(xiàn)了復(fù)合材料的致密化，形成亞微米-微米顯微組織結(jié)構(gòu)。該復(fù)合材料以Al為基體，Al-W團(tuán)聚體為增強相，可形成超過100μm的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，團(tuán)簇之間的基體材料具有較大的變形區(qū)，改善了以往Al-W復(fù)合材料中鎢增強相彌散分布的現(xiàn)象，提高了復(fù)合材料的塑性，改善了Al-W界面結(jié)合性，團(tuán)簇表面粗糙狀態(tài)也提高了團(tuán)簇與基體的界面結(jié)合力，提高了復(fù)合材料的綜合性能。復(fù)合材料具有致密度高、強度高、塑性好以及使用溫度高等優(yōu)點，是一種輕質(zhì)高強復(fù)合材料，具有較大的應(yīng)用潛力。另外該制備工藝可以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)。

該工藝制備的多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料，具有界面結(jié)合力強、力學(xué)性能好的特點，致密度大于99.5％，室溫抗彎強度大于400MPa，室溫抗拉強度大于300MPa，室溫屈服強度大于200MPa，室溫延伸率6％，是一種輕質(zhì)高強復(fù)合材料，具有較大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1為實施例1制備的Al-W顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末的掃描電鏡顯微組織圖。

圖2為實施例1制備的多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料截面的低倍掃描電鏡顯微組織圖。

圖3為實施例1制備的多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料截面的高倍掃描電鏡顯微組織圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。

實施例1

本實施例中多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料按照質(zhì)量百分比50％鎢和50％鋁基體組成，鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法步驟如下：

(1)稱取鎢粉400g，鋁粉200g，不銹鋼磨球3kg，使用行星式球磨機在氬氣保護(hù)的環(huán)境中，以轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘的條件下進(jìn)行球磨，球磨時間為8h，獲得Al包覆的W顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末；

(2)稱取步驟(1)中的Al包覆的W顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末750g與鋁粉250g，使用雙錐混料機在氬氣保護(hù)的條件下混料，磨球與粉料重量比為1:1，混合時間為8h，得到復(fù)合粉體；

(3)將步驟(2)中的復(fù)合粉體在預(yù)先制好的鋁制包套中并振實，并進(jìn)行真空加熱除氣處理，除氣溫度為400℃，升溫速率為50℃/h，真空度低于1×10^-3Pa條件下升溫，除氣時間不少于12h，真空度低于1×10^-3Pa的條件下封口；

(4)步驟(3)中的復(fù)合粉體以10℃/min的升溫速率升溫至520℃，在壓力為200MPa的熱等靜壓條件下保溫2h，隨爐冷卻至室溫實現(xiàn)復(fù)合材料的成型，使用車床去除表面鋁包套，即得到多級結(jié)構(gòu)鎢顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

得到的復(fù)合材料致密度為99.8％，復(fù)合粉體形貌見圖1，復(fù)合材料的截面顯微組織參見圖2和圖3，可見復(fù)合材料組織由基體與團(tuán)聚體組成，團(tuán)聚體內(nèi)部為W顆粒在Al基體中彌散分布狀態(tài)，室溫抗拉強度320MPa，室溫抗彎強度450MPa，室溫屈服強度230MPa，延伸率7.5％。

實施例2

步驟同實施例1，不同在于步驟(1)中鎢粉質(zhì)量為480g，鋁粉為120g。

得到的復(fù)合材料致密度為99.9％，室溫抗拉強度315MPa，室溫抗彎強度476MPa，室溫屈服強度205MPa，延伸率6％。

實施例3

步驟同實施例1，不同在于稱取的Al包覆的W顆粒團(tuán)簇復(fù)合粉末質(zhì)量為700g，鋁粉質(zhì)量為300g。

熱等靜壓溫度由520℃變?yōu)?50℃。

得到的復(fù)合材料致密度為99.7％，室溫抗拉強度310MPa，室溫抗彎強度520MPa，室溫屈服強度200MPa，延伸率6％。