[發明專利]一種碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710243989.2
• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107099687A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 張聯盟;熊舒雅;吳傳棟;張建;羅國強;沈強
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C32/00;C22F1/04;B22F3/105
• 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

本發明屬于鋁基復合材料研究領域，特別涉及一種碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料的制備。

背景技術

20世紀90年代以來，納米技術的發展取得了驚人的進步，是材料領域的“新一代工業革命”。納米技術的迅猛發展，為復合材料的強韌化研究提供了全新的契機。在復合材料生產中利用納米技術，可以對復合材料進行結構控制，提高機械性能。

鋁基復合材料具有低密度、熱膨脹系數低、高比模量、高韌性、良好的抗疲勞性和抗沖擊性等特點，廣泛運用于航空航天、汽車、電子等領域。7075鋁合金具有高的比強度，良好的機械性能、加工性、耐磨性、抗腐蝕性和抗氧化性，成為鋁基復合材料的良好基體。碳化硼顆粒不僅具有極高的強度，還具有高熔點、低密度、良好的熱穩定性等特性，作為鋁基復合材料的增強相，碳化硼的引入可以大幅度提高復合材料的比強度。但隨著科學技術的迅速發展，傳統的鋁基復合材料已經不能滿足實際需求，特別是國家戰略性新興產業和國防尖端技術領域。根據霍爾·佩奇公式可知材料的強度隨晶粒尺寸的減小而提高。復合材料中納米技術的應用，能夠有效地提高復合材料綜合機械性能，滿足更多的需求。

然而，納米顆粒的表面效應和高的活性，傳統粉末冶金熱循環過程極易造成納米晶粒長大，極大地破壞了納米復合材料的優異性能。低溫球磨是制備納米粉體結構材料的主要方法之一，通過材料粉末的碾壓變形、斷裂與焊合作用，在短時間內使材料的晶粒尺寸降到100nm以下，并且在低溫球磨的過程中，球磨介質液氮與鋁合金反應生成微小的氮化物，這對提高納米晶粉體和塊體的熱穩定性有非常重要的作用。納米粉末極易被氧化，隨溫度的升高氧化速率提高，因此，在燒結之前需要對納米粉末進行排氣。納米晶粒的不穩定性使其在高溫下極易長大，放電等離子活化燒結通過直流脈沖直接對樣品快速升溫，短時間并在較低的溫度下完成燒結過程，有效地控制晶粒的長大。本專利提出一種新型“自下而上”的粉末冶金方法制備納米/超細晶鋁基復合材料，結合低溫球磨和等離子燒結相結合的方法，制備出致密度高、晶粒細小的復合材料。

發明內容

本發明的目的旨在提高鋁基復合材料的機械性能，提供一種用低溫球磨、放電等離子燒結工藝制備碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料的方法。

本發明為實現其目的采用以下的技術方案：

本發明提供的碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)混料：按質量計，其中碳化硼粉末和鋁合金粉末的含量分別為1％-5％和95％-99％，將鋁合金粉末和碳化硼粉末混合裝入瓶中，放置輕型球磨機混料，得到混合均勻的復合粉；

(2)低溫球磨：將混合均勻的復合粉體置于不銹鋼球磨罐中，在溫度≤-183℃下進行球磨；

(3)粉體排氣：將球磨后的復合粉體裝入石墨模具中，隨后將其放入真空熱壓爐中進行排氣，得到待燒結的納米復合粉體；

(4)等離子活化燒結：將納米復合粉體裝在石墨模具內，經表面活化、等離子活化燒結，獲得碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料塊體；

(5)熱處理：將碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料塊體放入馬弗爐中，進行固溶和T6時效處理。

上述方法中，所述鋁合金粉末為7075鋁合金粉末，粉末粒徑為60-80μm。

上述方法中，所述碳化硼的純度≥99.9％，粉末粒徑為2-3μm。

上述方法中，所述的低溫球磨過程在攪拌球磨機中完成，球磨機轉速為400-600rpm，球料質量比為20:1-40:1，球磨時間為4-8h，球磨介質為液氮。

上述方法中，所述的粉體排氣在真空爐中進行，真空度10^-2-10^-3Pa，排氣溫度為80℃-150℃，排氣時間5h-12h。

上述方法中，所述的表面活化工藝為：活化電壓20kV，活化電流100A，活化時間30s。

上述方法中，所述的等離子活化燒結工藝為：真空度≤10Pa，燒結壓強為0-80MPa，燒結溫度為300℃-500℃，保溫保壓時間為1-5min。

上述方法中，所述的熱處理工藝參數為：固溶處理450℃保溫2h，時效處理120℃保溫24h，淬火介質為水。

本發明制備的碳化硼顆粒增強納米/超細晶鋁基復合材料，具有致密度高、晶粒細小等特點，可廣泛應用于航空航天、汽車以及軍事等高科技領域。