[發明專利]一種顆粒增強鋁基復合材料大尺寸厚壁管材的制備方法

有效

• 申請號: 201611117964.X
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106735190B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 魏少華;張少明;左濤;劉彥強;聶俊輝;馬自力;樊建中;郝心想
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: B22F3/04
• 分類號: B22F3/04;B22F3/15;B22F3/03;B22F5/12;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料管材制備技術領域，具體涉及一種顆粒增強鋁基復合材料大尺寸厚壁管材的制造方法。

背景技術

顆粒增強鋁基復合材料是近年來發展起來的一種先進結構材料，該材料具有高比強度和比剛度、耐磨、耐疲勞和低密度等優異的性能。從上世紀80年代初開始，世界各國競相對這類材料進行了許多基礎性研究，取得了顯著成績。目前，在美國和歐洲等發達國家，顆粒增強鋁基復合材料已經在一系列重要場合獲得了應用，比如：DWA公司用6092/SiC/17.5p復合材料代替原有的2214鋁合金蒙皮，用于F-16戰斗機的腹鰭，使剛度提高50％，壽命由原來的數百小時延長到至少6000h飛行時間。

顆粒增強鋁基復合材料屬于輕質高強、高模量材料，該材料制成的大尺寸薄壁管材可以應用于水下航行器殼體，解決鋁合金剛度低、鋼密度大等問題。經對現有技術文獻的檢索發現，中國專利公開報道有關顆粒增強鋁基復合材料大尺寸薄壁管材的制造方法旋壓為主，其旋壓用大尺寸厚壁管材的制造方法為鑄造或粉末冶金坯錠+反擠壓，該方法工藝路線長、成本高，需要大型擠壓機。

發明內容

本發明針對現有大尺寸厚壁管材的制造方法的不足，提供了一種顆粒增強鋁基復合材料大尺寸厚壁管材的制備方法，所述管材尺寸為：外徑200～1000mm、壁厚20～150mm、長度200～1500mm，其特征是，采用粉末冶金和熱等靜壓技術制備，該方法包括下述步驟：

(1)將增強體顆粒與鋁合金粉末按照比例加入到混料機中，加入鋼球后進行均勻混合，制成混合粉末；

(2)將混合粉末封裝于冷等靜壓包套組件中進行冷等靜壓成型；

(3)去除管坯外面的冷等靜壓包套組件，得到帶有冷壓定形芯模的管坯；

(4)將帶有冷壓定形芯模的管坯封裝入金屬包套組件中進行高溫真空除氣處理；

(5)將經高溫真空除氣處理的管坯進行熱等靜壓致密化處理；

(6)經致密化處理后的管坯通過機加工去掉金屬包套和冷壓定形芯模，得到顆粒增強鋁基復合材料管材。

步驟(1)中，所述增強體顆粒為Al₂O₃、SiC、B₄C、TiC、Si₃N₄、AlN中的一種，平均粒度為2～20μm，增強體顆粒在混合粉末中體積百分含量為5％～15％；所述鋁合金粉末為2×××和6×××中的任意一種合金，平均粒度為5～75μm，鋁合金粉末在混合粉末中的體積百分含量為95％～85％。

步驟(1)中，所述混合用鋼球材質為軸承不銹鋼，規格為Φ10～Φ20mm，球料重量比為(5～15):1，混料機轉速為30～60r/min，混合時間為24～48小時。

步驟(2)中，所述冷等靜壓的壓力為100～200MPa，保壓時間為10～30min。

步驟(2)中，所述冷等靜壓包套組件由冷壓橡膠包套、冷壓第一密封塞子、冷壓第一密封卡箍、冷壓第二密封塞子、冷壓第二密封卡箍、冷壓密封芯模、冷壓定形芯模組成；封裝順序為：首先用冷壓第一密封卡箍將冷壓橡膠包套的一端、冷壓第一密封塞子和冷壓密封芯模的一端裝配密封，然后把冷壓定形芯模裝配到冷壓密封芯模內部，將復合材料混合粉末填充到冷壓橡膠包套和冷壓定形芯模之間，最后用冷壓第二密封卡箍將冷壓橡膠包套的另一端、冷壓第二密封塞子和冷壓密封芯模的另一端裝配密封。

所述冷壓密封芯模與冷壓定形芯模之間的間隙為0.5±0.2mm。

所述冷壓定形芯模材質為不銹鋼，壁厚5～10mm，外徑比最終管材內徑小4～10mm；所述冷壓密封芯模材質為優質碳素結構用鋼或低碳鋼，壁厚10～20mm。

步驟(4)中，所述高溫除氣溫度為530～590℃，升溫速度為10～50℃/h，封口前真空度≤1×10^-2Pa。

步驟(4)中，所述金屬包套材質為純鋁，包套厚度為2～5mm；所述金屬包套組件由金屬包套外筒、金屬包套內筒、金屬包套第一密封蓋、金屬包套第二密封蓋、金屬包套抽氣管組成；封裝順序為：首先將金屬包套外筒和金屬包套內筒分別與金屬包套第一密封蓋裝配焊接密封，形成金屬包套第一焊縫和金屬包套第二焊縫；然后把帶有冷壓定形芯模的管坯置于金屬包套外筒和金屬包套內筒之間；再將金屬包套外筒和金屬包套內筒分別與金屬包套第二密封蓋裝配焊接密封，形成金屬包套第三焊縫和金屬包套第四焊縫；最后將金屬包套抽氣管與金屬包套第二密封蓋焊接相連，金屬包套抽氣管與管坯相通。