[發明專利]碳化硼顆粒增強鋁基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310603256.7
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN103572087A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 沈強;吳傳棟;李成章;方攀;羅國強;張聯盟;王傳彬
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/00;C22C32/00;C22F1/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明屬于輕質高性能鋁基復合材料及粉末冶金技術領域，特別是一種陶瓷顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術

陶瓷顆粒增強鋁基復合材料由于其比強度高、比剛度高、彈性模量高、耐磨性能優異、密度低、膨脹系數可控等諸多優點，在汽車工業和航空航天等領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。碳化硼有著很多優良的性能，主要表現在高硬度，僅比金剛石和立方氮化硼（CBN）低，且高溫硬度恒定（>30GPa）、密度小（2.529g/cm³）、抗氧化性好、不易老化和腐蝕、耐酸性強等，碳化硼顆粒增強鋁基復合材料不僅保留了鋁合金材質輕，韌性好，成本低廉的特性，而且碳化硼與鋁合金之間的界面潤濕性良好，所得的復合材料具有較好的性能。

鋁基復合材料的制備方法主要分為固態制造技術和液態制造技術。固態制造技術主要包括粉末冶金法、擴散粘接法（熱壓、熱等靜壓）、變形壓力加工法。液態制造技術主要包括（真空、壓力、無壓）浸滲法、擠壓鑄造法、液態金屬攪拌鑄造法、液態金屬浸漬法、共噴沉積法以及熱噴涂技術。液態制造技術由于溫度較高，鋁基體會與增強相顆粒發生反應，生成脆性相，從而影響鋁基復合材料的性能，粉末冶金法可以實現在較低溫度下燒結，它是將預先將增強體與鋁基體粉末制成混合粉體，而后經成型干燥熱壓燒結，制成鋁基復合材料，其特點是設備要求相對較低，便于大批量生產，但目前采用傳統的方法制備的制品的致密度較低、孔隙率較高、性能較低，通常用于制造坯料，供擠壓、軋制、鍛壓、旋壓等二次加工制成成品，工序繁瑣。

發明內容

本發明的目的旨在針對現有的鋁基復合材料以及粉末冶金制備高性能鋁基體復合材料的技術不足和缺陷，提供一種生產工藝簡單、可有效提高鋁基復合材料致密度和力學性能的制備方法，使鋁基復合材料的性能接近或超過現有傳統方法所生產的制品。

本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：

本發明提供的碳化硼顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，具體是：將碳化硼顆粒和鋁合金粉末配料，按質量計，其中碳化硼顆粒和鋁合金粉末的含量分別為2.5～30%和70～97.5%，將球磨混合均勻的復合粉末裝在預先制好的石墨磨具內進行等離子活化燒結（PAS），燒結后的試樣進行熱處理得到了碳化硼顆粒增強鋁基復合材料。

所述B₄C顆粒的純度大于99%，粉末粒徑為0.5～10μm。

所述鋁合金粉末為7075鋁合金粉末，粉末粒徑為1～20μm。

所述表面活化在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-Ⅲ?15T-10P-50)中進行，加載時間為30s，電壓為10-30kV，電流為70～120A。

所述快速升溫在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-Ⅲ?15T-10P-50)中進行，升溫速率為50～200℃/min，真空度≤10Pa，燒結時施加的壓力為10～30MPa。

所述等離子活化燒結在等離子活化燒結爐(Ed-PAS-Ⅲ?15T-10P-50)中進行，燒結溫度為480℃～540℃，保溫時間為1～5min，真空度≤10Pa，燒結時施加的壓力為10～30MPa。

所述熱處理工藝采用固溶處理加時效處理，具體為在470℃下保溫2h固溶處理后淬火，淬火后在120℃下保溫24h進行時效處理。

本發明與現有技術相比具有以下的主要優點：

本發明將高純度碳化硼粉末和鋁合金粉末混料，通過表面活化、等離子活化燒結，在燒結過程中，顆粒表面容易活化，通過表面擴散的物質傳遞得到促進，晶粒受脈沖電流加熱和垂直單向壓力的作用，體擴散和晶粒擴散都得到加強，加快了致密化過程，并且升溫速度快，保溫時間短，實現鋁基復合材料的快速燒結，不僅可以節約能量、節約時間、提高設備效率，而且抑制了晶粒的長大，所得燒結樣品晶粒均勻，致密度高，力學性能好。在低溫下實現鋁基復合材料的致密化，防止了鋁基體與碳化硼顆粒之間發生反應，再進行熱處理獲得納米尺寸分布的時效析出強化相，最終使得鋁基體組織處于多相細小彌散分布以及碳化硼顆粒強化相均勻分布狀態，制備出接近全致密的高性能燒結試樣。

綜上所述，本發明生產工藝簡單、周期短、可有效提高鋁基復合材料的致密度和力學性能；通過混料、等離子活化燒結、熱處理獲得碳化硼顆粒均勻分布的鋁基復合材料，性能優異，滿足大部分工業要求，形成可實現工業應用輕質高性能鋁基復合材料的制備方法。

附圖說明

圖1是本發明的工藝流程圖。