一種制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法。本發(fā)明專利技術(shù)首先使用累積疊軋法得到疊軋次數(shù)不同、內(nèi)部含有不同體積分?jǐn)?shù)氧化鋁顆粒增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料，然后采用后續(xù)的放電等離子燒結(jié)技術(shù)對樣品進(jìn)行處理，成功制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)所得到的復(fù)合材料致密，結(jié)合情況良好；內(nèi)含高體積分?jǐn)?shù)、彌散分布且顆粒細(xì)小的增強(qiáng)體；具有良好綜合性能。通過調(diào)整累積疊軋次數(shù)和增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)可以獲得不同性能的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)所采用的方法所需設(shè)備簡單，價格低廉，操作簡便且易于工業(yè)化生產(chǎn)。

Method for preparing alumina particle reinforced aluminum matrix composite material

The invention discloses a method for preparing alumina particle reinforced aluminum matrix composite material. The invention firstly uses accumulative rolling method to obtain the number of ARB, different internal containing different volume fractions of alumina particle reinforced aluminum matrix composites, then by spark plasma sintering technology for the follow-up treatment of the sample, the successful preparation of alumina particles reinforced aluminum matrix composite material. The composite material obtained by the invention has the advantages of compact and good bonding condition, and the utility model has the advantages of high volume fraction, dispersed distribution and small particles. The alumina particle reinforced aluminum matrix composites with different properties can be obtained by adjusting the accumulative rolling times and the volume fraction of the reinforcements. The method adopted by the invention has the advantages of simple equipment, low cost, simple operation and easy industrialized production.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，尤其涉及一種利用累積疊軋法及放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
鋁基復(fù)合材料一般是以鋁及其合金為連續(xù)相，顆粒、晶須、連續(xù)長纖維或短纖維為第二增強(qiáng)相組成的金屬基復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料憑借其①高比強(qiáng)度、高比模量；②耐磨損；③良好的高溫性能；④優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性；⑤尺寸穩(wěn)定性好，線脹系數(shù)?。虎蕹錾目蛊谛院蛿嗔秧g性等特性逐漸在航空航天、軍事、交通運輸、休閑產(chǎn)業(yè)等許多領(lǐng)域中脫穎而出，確立了其新材料的地位。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過程簡單、費用低廉，再加上顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料各向同性，避免了纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝中經(jīng)常發(fā)生的結(jié)構(gòu)差異大、增強(qiáng)相損傷、增強(qiáng)相之間互相反應(yīng)等難題的出現(xiàn)?，F(xiàn)階段常用的顆粒增強(qiáng)體主要有氧化鋁、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、氮化硅、石墨等陶瓷顆粒，其中以碳化硅和氧化鋁顆粒最為常見。氧化鋁顆粒以Al2O3為主要成分，有的還含有其他氧化物如SiO2、B2O3等，其突出特點是擁有高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的絕熱性和抗氧化性；可以在更高溫度下保持好的抗拉強(qiáng)度；表面活性好，容易與金屬基體復(fù)合；原料成本低，生產(chǎn)工藝簡單，具有極高的性價比。目前制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法主要有：粉末冶金法，液態(tài)鑄造法，嚴(yán)重塑性變形法等。其中液態(tài)鑄造法生產(chǎn)效率高、成本低廉，但在加入尺寸在之間的增強(qiáng)體顆粒時易發(fā)生團(tuán)聚并且劇烈的攪拌可能引起鋁基熔體的氧化和空氣的吸入。粉末冶金法制備鋁基復(fù)合材料工藝復(fù)雜，費用較高；制作周期較長；制造大尺寸的零構(gòu)件存在一定的困難；制造得到的材料內(nèi)部存在空隙、偏析等缺陷，性能較難達(dá)到最佳組合。嚴(yán)重塑性變形法指將極高的塑性應(yīng)變施加在材料上以形成主要含有大角度晶界的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的加工工藝，該方法受樣品塑性限制，設(shè)備要求高，所得到的樣品存在塑性差等問題，且制備成本高，難以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種設(shè)備要求低、操作簡便、增強(qiáng)體顆粒尺寸可控、樣品尺寸范圍大的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供的方法是一種累積疊軋法及放電等離子燒結(jié)技術(shù)結(jié)合制備鋁基復(fù)合材料的方法。首先，使用累積疊軋法得到疊軋次數(shù)不同、內(nèi)部含有不同體積分?jǐn)?shù)氧化鋁顆粒增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料；然后，采用后續(xù)的放電等離子燒結(jié)技術(shù)對樣品進(jìn)行處理，最終得到氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料樣品。具體包括如下步驟：步驟一：選取完全退火態(tài)純鋁板，并進(jìn)行表面處理，去除掉表面的氧化膜和油污；再選取體積分?jǐn)?shù)為純鋁板的0.75％～15％的氧化鋁顆粒作為增強(qiáng)體，將稱量好的氧化鋁顆粒在丙酮中經(jīng)超聲震蕩后，均勻涂覆在處理好的鋁片表面；步驟二：待丙酮揮發(fā)后，將鋁片疊放到一起并固定，對固定好的樣品進(jìn)行一道次軋制，對軋制一道次后的樣品進(jìn)行表面處理，去掉油污和表面氧化物，不再添加氧化鋁顆粒，沿軋制方向?qū)φ郏龠M(jìn)行軋制，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行累積疊軋，直至軋制道次達(dá)到12～14次；步驟三：選取燒結(jié)溫度為500℃、燒結(jié)保溫加壓時間為5min、燒結(jié)壓強(qiáng)為80MPa，對累積疊軋樣品進(jìn)行放電等離子燒結(jié)處理，得到氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。步驟一中能夠達(dá)到將氧化鋁顆粒增強(qiáng)體均勻分散在鋁基體中效果的累積疊軋道次與氧化鋁顆粒體積分?jǐn)?shù)成正比。步驟二中，每道次軋制時，厚度的變形量約為50％。步驟三中優(yōu)選的燒結(jié)模具為石墨模具。步驟三中最終得到的燒結(jié)樣品的大小僅取決于燒結(jié)模具的直徑大小及燒結(jié)模具兩壓頭間距。本專利技術(shù)使用的方法具有所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作簡便，易于工業(yè)化等有優(yōu)點，是一種適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法并且根據(jù)使用要求可以調(diào)整本專利技術(shù)中累積疊軋道次和氧化鋁顆粒體積分?jǐn)?shù)以制備具有不同微觀結(jié)構(gòu)及綜合性能的復(fù)合材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：1.本專利技術(shù)的方法所需設(shè)備簡單，價格低廉，操作簡便且易于工業(yè)化生產(chǎn)。2.本專利技術(shù)的方法可以通過調(diào)整累積疊軋道次及氧化鋁顆粒體積分?jǐn)?shù)來改變復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，獲得不同綜合性能的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。3.本專利技術(shù)中燒結(jié)樣品尺寸范圍大，僅取決于燒結(jié)模具的直徑大小及燒結(jié)模具兩壓頭間距離大小。下面結(jié)合附圖和實例，對本專利技術(shù)的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實施例中使用的原始納米氧化鋁的掃描電鏡(SEM)觀察。圖2為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為0.75vol.％的樣品，經(jīng)過12道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。圖3為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為3.75vol.％的樣品，經(jīng)過12道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。圖4為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為7.5vol.％的樣品，經(jīng)過12道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。圖5為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為15vol.％的樣品，經(jīng)過12道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。圖6為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為3.75vol.％的樣品，經(jīng)過14道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。具體實施方式以下結(jié)合具體的實施例對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：實施例1：以氧化鋁顆粒為增強(qiáng)體、1060純鋁片為基體舉例。本實施例中純鋁板含鋁量為99.99％，尺寸為：100×20×0.25mm；氧化鋁顆粒大小為471nm。采用工業(yè)軋機(jī)，軋制速度為187mm/min。首先，切取100×20×0.25mm大小的純鋁片，并對樣品進(jìn)行打磨和清理。根據(jù)所使用的純鋁片的體積，經(jīng)計算后將不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁顆粒加入到適量酒精中并使用超聲波清洗儀使氧化鋁顆粒均勻混合在酒精中形成氧化鋁顆粒懸濁液。將氧化鋁顆粒懸濁液均勻地傾倒至所需純鋁板的表面。將表面覆有氧化鋁顆粒的純鋁片試樣疊加并用膠水固定后，使用對折的不銹鋼板夾持純鋁片并將其送入兩軋輥間累積疊軋，調(diào)節(jié)兩個軋輥的間距，保證樣品壓下量為50％左右。經(jīng)過第一道次累積疊軋后，每經(jīng)過一次累積疊軋后應(yīng)當(dāng)將試樣取出清理表面并從中間對折后再重復(fù)上述累積疊軋過程。另外，每經(jīng)過一次累積疊軋就應(yīng)當(dāng)使用游標(biāo)卡尺測量試樣的厚度并計算變形量是否達(dá)到50％，對于累積疊軋后期未達(dá)到變形量要求的試樣，將其重新夾入鋼片中進(jìn)行再一次的軋制，直到達(dá)到所需變形量。將各軋制態(tài)樣品進(jìn)行放電等離子燒結(jié)處理，其中燒結(jié)溫度為500℃、燒結(jié)保溫加壓時間為5min、燒結(jié)壓強(qiáng)為80MPa，燒結(jié)過程中對樣品通氬氣保護(hù)防止其氧化。圖1為本專利技術(shù)中所使用原始納米氧化鋁掃描電鏡(SEM)觀察。經(jīng)分析，氧化鋁原始顆粒尺寸為471nm。圖2為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為0.75vol.％的樣品，經(jīng)過12道次累積疊軋并采用放電等離子燒結(jié)工藝得到的氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱截面的掃描電鏡(SEM)觀察。納米Al2O3顆粒彌散分布，沒有明顯的趨向性。經(jīng)分析，氧化鋁顆粒尺寸為400nm；經(jīng)測量，樣品的顯微硬度為35HV。圖3為本專利技術(shù)實施例中，氧化鋁顆粒添加量為本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法，其特征在于包括如下步驟：步驟一：選取完全退火態(tài)純鋁板，并進(jìn)行表面處理，去除掉表面的氧化膜和油污；再選取體積分?jǐn)?shù)為純鋁板的0.75%～15%的氧化鋁顆粒作為增強(qiáng)體，將稱量好的氧化鋁顆粒在丙酮中經(jīng)超聲震蕩后，均勻涂覆在處理好的鋁片表面；步驟二：待丙酮揮發(fā)后，將多層鋁片疊放到一起并固定，對固定好的樣品進(jìn)行一道次軋制，對軋制一道次后的樣品進(jìn)行表面處理，去掉油污和表面氧化物，不再添加氧化鋁顆粒，沿軋制方向?qū)φ?，再進(jìn)行軋制，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行累積疊軋，直至軋制道次達(dá)到12～14次；步驟三：選取燒結(jié)溫度為500℃、燒結(jié)保溫加壓時間為5min、燒結(jié)壓強(qiáng)為80MPa，對累積疊軋樣品進(jìn)行放電等離子燒結(jié)處理，得到氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法，其特征在于包括如下步驟：步驟一：選取完全退火態(tài)純鋁板，并進(jìn)行表面處理，去除掉表面的氧化膜和油污；再選取體積分?jǐn)?shù)為純鋁板的0.75%～15%的氧化鋁顆粒作為增強(qiáng)體，將稱量好的氧化鋁顆粒在丙酮中經(jīng)超聲震蕩后，均勻涂覆在處理好的鋁片表面；步驟二：待丙酮揮發(fā)后，將多層鋁片疊放到一起并固定，對固定好的樣品進(jìn)行一道次軋制，對軋制一道次后的樣品進(jìn)行表面處理，去掉油污和表面氧化物，不再添加氧...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梅青松，李楊，李聰玲，管茂生，李菊英，陳峰，馬燁，
申請(專利權(quán))人：武漢大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42