Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)，具體是粉末觸變成形技術(shù)制備T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子增強鋁基自生復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Al3Ti金屬間化合物因其硬度高、高溫力學(xué)性能和抗氧化性優(yōu)異，特別是膨脹系數(shù)低、密度小，與Al合金復(fù)合不會在界面處產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力，且更能體現(xiàn)質(zhì)輕的特點，是鋁基復(fù)合材料理想的增強體。目前制備Al3Ti粒子(Al3Tip)增強Al基自生復(fù)合材料(Al3TipAl)最常用的方法為粉末冶金法，其過程是將Al合金粉末與Ti或T12粉末混合、壓塊、真空干燥后，在低于Al合金固相線溫度無壓或加壓反應(yīng)燒結(jié)。但因該方法反應(yīng)溫度低(600°C或以下)，耗時長(5h以上)，不僅能耗大，而且合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，尤為重要的是所得材料因Kirkendall效應(yīng)產(chǎn)生的孔隙致使組織致密性差，且成形件的尺寸和形狀受限較大。盡管采用微波、等離子體等燒結(jié)技術(shù)可明顯改善致密性，但仍存在相當(dāng)比例的孔隙，或者采用后續(xù)的再加工，如乳制、攪拌摩擦加工等能獲得組織致密的材料，但增加了成本，且對大尺寸，尤其是復(fù)雜形狀零件的難以加工。更為重要的是Al3Ti脆性大，與其它微米級金屬間化合物或陶瓷粒子增強的Al基復(fù)合材料相似，在提高Al合金強度的同時，韌性急劇下降，這是除制造技術(shù)外，限制粒子(金屬間化合物、陶瓷)增強金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的第二個主要因素。原因是在外力作用下，當(dāng)增強體/基體界面處的應(yīng)力達(dá)到一定程度時，Al3Tip粒子(Al 3Tip)很容易破碎，從而瞬時產(chǎn)生粒子尺寸大小的裂紋，經(jīng)失穩(wěn)、擴展后使材料過早斷裂。斷裂理論認(rèn)為在一定應(yīng)力下，只有當(dāng)裂紋的尺寸達(dá)到一定長度時才會失穩(wěn)、擴展。因此，減小粒子尺寸可有效遏制裂紋的擴展，保持材料的韌性。但要獲得小尺寸，比如納米尺寸的Al3Tip勢必先得到Ti納米粉末，而生產(chǎn)Ti納米粉除技術(shù)上的困難外，還使制造成本急劇增加?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)燒結(jié)的過程中，Al3Ti是逐層向Ti粉內(nèi)生成，可形成芯部為T1、外殼為Al3Ti化合物的芯-殼結(jié)構(gòu)的粒子?？梢酝茢?當(dāng)Al3Ti外殼的厚度達(dá)到一定程度時，這種芯-殼結(jié)構(gòu)的粒子對材料的增強作用將與全部為Al3Ti的粒子接近或相當(dāng)，但在外力作用下，因破碎形成的裂紋僅限于Al3Ti殼內(nèi)，其尺寸大大減小；另外，裂紋的兩端分別與軟的Al基體和Ti芯相連，使裂紋尖端鈍化，從而延緩、阻礙了裂紋的擴展。即TiiAl3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子(T1Al3Tip)增強的Al基復(fù)合材料(Ti@Al3Tip/Al)具有比Al3Tip/Al基復(fù)合材料更好的力學(xué)性能，尤其是更好的韌性。
[0003]而于1970’ s發(fā)展起來的觸變成形技術(shù)，不僅能大幅度減少、甚至消除縮松、氣孔等孔隙，而且還能成形近凈型的大尺寸、復(fù)雜形狀的薄壁件，而近凈型對于難加工的顆粒增強金屬基復(fù)合材料尤為重要。另外粉末冶金法所用原材料通常用霧化法獲得，不僅自身尺寸小，而且組織也十分細(xì)小，將粉末壓塊部分重熔可得到初生相顆粒細(xì)小、圓整的半固態(tài)組織，是觸變成形所需的理想組織。如果將粉末冶金技術(shù)和觸變成形技術(shù)相結(jié)合，便可得到一種集制備和成形結(jié)構(gòu)型T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子(T1Al3Tip)增強的Al基復(fù)合材料于一體的新技術(shù)一一粉末觸變成形:先以粉末冶金法的混粉和壓實步驟得到Al合金粉末和Ti粉末混合均勻的壓塊，然后在真空爐中加熱到Al合金的半固態(tài)溫度進行部分重熔，當(dāng)加熱一定的時間，不僅固態(tài)Ti粉與液相中的Al元素反應(yīng)形成增強體Al3Ti粒子(Al3Tip),完成了Al3Tip殼層的反應(yīng)生成，而且也獲得了初生相顆粒細(xì)小、圓整、組織致密、少孔隙的觸變成形用非枝晶半固態(tài)錠料，待Ti粉表面形成的T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子且大部分沒有破裂后進行觸變成形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種(Ti@A13Ti) p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法。
[0005]本發(fā)明是(Ti@A13Ti) p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，其步驟為:將純鈦粉與鋁合金粉球磨混合均勻，在壓力機上冷壓成塊，將壓塊放入真空爐內(nèi)在鋁合金半固態(tài)溫度范圍內(nèi)加熱至在鈦粉表面形成一層盡可能厚的致密Al3Ti殼后，迅速取出放入預(yù)熱好的模具中進行觸變成形，即可制備成形出T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子增強Al基復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明的有益之處為:工藝過程相對簡單，所得材料成本低，且組織致密，容易獲得形狀復(fù)雜的大尺寸零件。其綜合了粉末冶金和觸變成形技術(shù)的優(yōu)點，是一種集制備和成形T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子增強Al基復(fù)合材料于一體的新技術(shù)。
【附圖說明】
[0007]圖1、圖2是590°C加熱60min后觸變成形材料的光學(xué)照片，圖3、圖4是595°C加熱50min后觸變成形材料的光學(xué)照片，圖5、圖6是605°C加熱45min后觸變成形材料的光學(xué)照片，圖7、圖8是615°C加熱40min后觸變成形材料的光學(xué)照片，圖9是590°C加熱60min后觸變成形的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明是(Ti@A13Ti) p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，其步驟為:將純鈦粉與鋁合金粉球磨混合均勻，在壓力機上冷壓成塊，將壓塊放入真空爐內(nèi)在鋁合金半固態(tài)溫度范圍內(nèi)加熱至在鈦粉表面形成一層盡可能后的致密Al3Ti殼后，迅速取出放入預(yù)熱好的模具中進行觸變成形，即可制備成形出T1Al3Ti芯-殼結(jié)構(gòu)粒子增強Al基復(fù)合材料。
[0009]根據(jù)以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，純鈦粉與招合金粉混合球磨時間為0.5h-lh,球料比為5:1，轉(zhuǎn)速100r/min。
[0010]根據(jù)以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，壓塊制備的壓力范圍為144MPa-224MPa。
[0011]根據(jù)以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，對于A356鋁合金，其適合的半固態(tài)溫度范圍在590°C _615°C之間，對應(yīng)的固相率在40%-60%之間。
[0012]根據(jù)以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，加熱時間決定于反應(yīng)速度，以形成盡可能后的致密殼層為準(zhǔn)，反應(yīng)時間范圍為40min-60min。
[0013]根據(jù)以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生復(fù)合材料粉末觸變成形方法，模具預(yù)熱溫度為 200 °C -350 °