[發明專利]一種混合空心球金屬基輕質復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410719752.3
• 申請日: 2015-08-03
• 公開（公告）號: CN104498759A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 胡正飛;張振;蔡振武;何大海;蔣凱雁
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C22C1/08
• 分類號: C22C1/08;C22C33/04;C22C32/00
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 陳龍梅

技術領域

本發明涉及一種混合空心球金屬基輕質復合材料的制備方法，具體是在金屬基中加入兩種或兩種以上直徑相同或不相同的混合空心球和增粘劑，采用電磁攪拌制造得到泡沫結構金屬基復合材料的方法。它解決了現有泡沫結構金屬基復合材料制備時工藝難控制、生產成本高的問題，在保證材料性能的條件下，可顯著降低材料密度，從而達到輕量化目的。

背景技術

金屬基復合材料是以金屬或合金為基體，并以纖維、晶須、顆粒等為增強體的復合材料，明顯地改善單一金屬材料的熱膨脹性、強度、斷裂韌性、沖擊韌性、耐磨損性等，其綜合力學性能得到明顯改善，而且，電性能、磁性能、導熱性能等某些物理性能往往也得到顯著提高，但是，同時也存在造價高、制備工藝復雜等缺點。例如纖維、晶須等增強體的價格昂貴，制備工藝復雜，導致這類金屬基復合材料的應用受到限制。近年來，高強輕質合金材料在航空、航天、汽車、建材等領域的應用越來越廣泛，在不影響壓縮性能的情況下降低金屬基復合材料的密度是合金材料輕量化的主要途徑。泡沫金屬材料是材料輕量化的主要方向，按孔洞的結構分為通孔和閉孔兩類，其中閉孔泡沫金屬材料具有更好的強度，因其兼具結構材料和功能材料特性而具有更廣泛的用途。

以空心球體作為增強體的顆粒，價格相對低廉，基體可選擇的范圍寬，并能夠采用傳統工藝方法制備和二次加工，易于實現批量和大規模生產，具有很好的經濟效益。由此得到的空心球金屬基復合材料具有輕質、高強度、耐磨性好以及良好的緩沖吸能效果等特性。其增強體主要有Al₂O₃空心球、SiC空心球、SiO₂空心球、C空心球、玻璃微珠、粉煤灰或有一定配比的混合空心球等。基體主要是鋁合金，也有鎂基、鐵基、銅基、鈦基、鉛基等。根據復合材料的密度控制和空心球可溶入量，復合材料中空心球體積分數可以達到40％-60％。

經檢索發現生產金屬基空心球復合材料的方法主要有以下幾種：一種是中國專利CN103614586介紹的壓力滲流鑄造法，其借助外界壓力使金屬熔體滲流進入空心球間隙，但這種方法無法控制滲流進程、補縮能力差，同時由于壓力作用造成鋁基體密度增大；一種是粉末冶金法，將基體金屬粉末、粘合劑和空心微球均勻攪拌，在一定壓力下壓制燒結成型，但該工藝過程復雜，空心球強度要求高且受粒徑限制；一種是中國專利CN1174895A介紹的攪拌法，其利用鋁及其合金為基體，以火電廠廢料飛灰作為添加料的鋁基復合材料，但這種方法采用機械攪拌裝置致使添加料的分布不均勻，使用的飛灰粒徑較小且與基體的潤濕性較差，這都影響了所制復合材料的性能；還有一種方法是CN102601342A介紹的真空反重力滲流法，其通過抽真空使鑄造室形成負壓，金屬熔體經導流部件進入空心球預制體中冷卻，但此方法是以空心球預制體為骨架，金屬液作為填料，從而造成壓縮性能的降低，且工藝過程復雜。因此，尋找降低金屬基復合材料密度和制作成本的方法，生產適用于航空、航天、汽車、建材等領域的應用的各種輕質金屬基復合材料成為急需解決的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種混合空心球金屬基輕質復合材料的制造方法，它解決了一般空心球金屬基復合材料成本高、密度大、制備工藝復雜的問題。用這種方法得到的泡沫結構金屬基復合材料在降低金屬基復合材料密度的同時，可避免其壓縮性能的降低。

為了達到上述目的，本發明的泡沫結構金屬基復合材料是在金屬基中鑄有空心球體而形成的含有封閉泡孔的金屬基空心球復合材料，該空心體為SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠等兩種及兩種以上相同或不同尺寸混合的空心球。本發明的輕質金屬基復合材料的制備方法按如下步驟進行：

A，金屬基的處理：將作為金屬基的金屬或合金熔化，得到液態金屬，保溫；

B，空心球的預處理：將空心球放入濃度50％質量百分比的氫氟酸中進行酸洗處理，然后在電爐中預熱到500-800℃；

C，金屬基復合材料的制備：將增粘劑和空心球依次加入攪拌下的液態金屬中，使空心球均勻分布在液態金屬中，停止加熱，打開冷卻器快速冷卻，控制冷卻速度為10-20℃/S，從而使空心球來不及向上運動而凝固在金屬中，得到成型的金屬基復合材料；空心球的加入體積是液態金屬體積的20％-50％；