一種原位鋁基復(fù)合材料制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料制備方法，尤其涉及一種原位鋁基復(fù)合材料制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁基復(fù)合材料由于密度低、比強度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨性能優(yōu)良等優(yōu)點，在航空航天、國防、汽車等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)不成熟、制備成本高，因此距離規(guī)?；瘧?yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。目前制備的方法主要有原位合成和擠壓鑄造兩種:
[0003]原位合成是在基體內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)生成增強相，生成的增強顆粒熱穩(wěn)定性好，尺寸細小且易于分布均勻，基體與增強顆粒的界面潔凈，但其難點在于獲得理想的增強相尺寸和形貌。目前已將高強超聲引入復(fù)合材料制備，在鋁合金熔煉中投入使用，可實現(xiàn)對增強相形貌尺寸及分布的控制，但澆鑄后無法避免鑄造缺陷的產(chǎn)生。
[0004]擠壓鑄造利用機械壓力使金屬熔體發(fā)生流動充型、結(jié)晶凝固，并發(fā)生一定的塑性變形，進而獲得密實的工件。因此，擠壓鑄造提供的壓力有助于改善顆粒的團聚現(xiàn)象，并使其與鋁基體緊密結(jié)合，便于獲得均勻致密的顆粒增強鋁基復(fù)合材料坯體或制件，可減小或消除鑄造缺陷的影響，但難以實現(xiàn)對增強相的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種原位鋁基復(fù)合材料制備方法。
[0006]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種原位鋁基復(fù)合材料制備方法，具體分為以下步驟:
[0007]a、稱取一定質(zhì)量的純鋁塊或鋁合金塊料，置于坩禍中；
[0008]b、采用感應(yīng)加熱裝置將純鋁塊或鋁合金塊料熔化，并使鋁熔體或鋁合金熔體溫度保持在750?850 °C;
[0009]c、確定添加物的種類，所述添加物為Ti粉、K2TiF6粉、T1-C塊體、T1-B塊體的任一種；
[0010]添加物為Ti粉時，按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的1.48?5.92%稱取Ti粉，用鋁箔將稱取好的Ti粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無Ti粉灑出；
[0011 ]添加物SK2TiF6粉時，按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的7.4?29.6 %稱取K2TiF6粉，用鋁箔將稱取好的K2TiF6粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無K2TiF6粉灑出；
[0012]添加物為T1-C塊體時，先以Ti粉和C粉為反應(yīng)物，按相同物質(zhì)的量將Ti粉和C粉置于球磨機，球磨Sh后，壓制成T1-C塊體，然后按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的4.4?17.5%稱取T1-C塊體；
[0013]添加物為T1-B塊體時，先以Ti粉和B粉為反應(yīng)物，按相同物質(zhì)的量將Ti粉和B粉置于球磨機，球磨Sh后，壓制成T1-B塊體，然后按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的4.4?17.5%稱取T1-B塊體；
[0014]d、將步驟c中的添加物放入坩禍中的鋁熔體或者鋁合金熔體的液面中央，用超聲探頭2將鋁箔或塊體壓入液面以下6?1cm;
[0015]e、開啟超聲換能器，在超聲功率2kW，頻率20kHz的條件下，振動約15?30分鐘，振動至添加物與招恪體或者招合金恪體3完全反應(yīng)，得到復(fù)合材料楽料；
[0016]f、將超聲探頭移除，關(guān)閉感應(yīng)加熱裝置，然后將步驟e制得的復(fù)合材料漿料澆鑄至擠壓鑄造模具的型腔12中進行加壓凝固，比壓為150?200Mpa，保壓20?30s，漿料在壓力下結(jié)晶凝固為坯料，然后用頂桿將制得的坯料頂出，最終得到Al3Ti質(zhì)量分數(shù)為4?16%的Al3Ti/Al復(fù)合材料。
[0017]本發(fā)明的添加物為Ti粉時，Ti粉的目數(shù)為300目。
[0018]本發(fā)明將超聲處理熔體進行原位制備與擠壓鑄造工藝相結(jié)合，既發(fā)揮了超聲對原位反應(yīng)的控制作用，又實現(xiàn)了原位制備和擠壓鑄造的優(yōu)勢互補，可用于制備不同原位顆粒增強或晶須增強鋁基復(fù)合材料，制得的鋁基復(fù)合材料增強相分布均勻，組織致密，材料力學(xué)性能相比于基體得到了極大提高。
【附圖說明】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0020]圖1為本發(fā)明采用超聲輔助熔體裝置制備復(fù)合材料漿料的操作示意圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明將鋁基復(fù)合材料漿料進行擠壓鑄造制做坯料的示意圖。
[0022]圖3?圖6為圖2的操作分解示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明進行澆注的示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明進行加壓的示意圖。
[0025]圖5為本發(fā)明進行保壓的示意圖。
[0026]圖6為本發(fā)明進行脫模的示意圖。
[0027]圖中:I超聲換能器;2超聲探頭;3、變幅桿;4、鋁或鋁合金熔體;5、添加物;6、感應(yīng)加熱裝置;7、坩禍;8、擠壓凸模;9、鋁基復(fù)合材料坯體;10、墊塊；11、下模板;12、頂桿；13、擠壓凹模。
【具體實施方式】
[0028]如圖1?圖2所示，本發(fā)明所述制備方法通過超聲輔助鋁熔體裝置進行制備;所述超聲輔助鋁熔體裝置包括超聲換能器I和坩禍7;超聲換能器I通過下方的變幅桿3與超聲探頭2相連接，超聲探頭2放置在坩禍7內(nèi)；坩禍7的外側(cè)設(shè)置有感應(yīng)加熱裝置6，感應(yīng)加熱裝置6包覆在坩禍7的外側(cè)四周;其制備方法具體分為以下步驟:
[0029]a、稱取一定質(zhì)量的純鋁塊或鋁合金塊料，置于坩禍中；
[0030]b、采用感應(yīng)加熱裝置將純鋁塊或鋁合金塊料熔化，并使鋁熔體或鋁合金熔體溫度保持在750?850 °C;
[0031]c、確定添加物的種類，所述添加物為Ti粉、K2TiF6粉、T1-C塊體、T1-B塊體的任一種；
[0032]添加物為Ti粉時，按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的1.48?5.92%稱取Ti粉，用鋁箔將稱取好的Ti粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無Ti粉灑出；
[0033]添加物SK2TiF6粉時，按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的7.4?29.6 %稱取K2TiF6粉，用鋁箔將稱取好的K2TiF6粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無K2TiF6粉灑出；
[0034]添加物為T1-C塊體時，先以Ti粉和C粉為反應(yīng)物，按相同物質(zhì)的量將Ti粉和C粉置于球磨機，球磨Sh后，壓制成T1-C塊體，然后按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的4.4?17.5%稱取T1-C塊體；
[0035]添加物為T1-B塊體時，先以Ti粉和B粉為反應(yīng)物，按相同物質(zhì)的量將Ti粉和B粉置于球磨機，球磨Sh后，壓制成T1-B塊體，然后按純鋁塊或者鋁合金塊料質(zhì)量分數(shù)的4.4?17.5%稱取T1-B塊體；
[0036]d、將步驟c中的添加物放入坩禍中的鋁熔體或者鋁合金熔體的液面中央，用超聲探頭2將鋁箔或塊體壓入液面以下6?1cm;
[0037]e、開啟超聲換能器，在超聲功率2kW，頻率20kHz的條件下，振動約15?30分鐘，振動至添加物與招恪體或者招合金恪體3完全反應(yīng)，得到復(fù)合材料楽料；
[0038]f、將超聲探頭移除，關(guān)閉感應(yīng)加熱裝置，然后將步驟e制得的復(fù)合材料漿料澆鑄至擠壓鑄造模具的型腔12中進行加壓凝固，比壓為150?200Mpa，保壓20?30s，漿料在壓力下結(jié)晶凝固為坯料，然后用頂桿將制得的坯料頂出，最終得到Al3Ti質(zhì)量分數(shù)為4?16%的Al3Ti/Al復(fù)合材料。
[0039]在實際反應(yīng)時，如果Ti粉目數(shù)過大時，會增加反應(yīng)時間，并且使得生成的聚合物體積過大；如果Ti粉目數(shù)過小時，會容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，因此本發(fā)明將步驟c中Ti粉的目數(shù)設(shè)置為300目進行添加，這樣反應(yīng)充分的同時也不容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象。本發(fā)明擠壓凸模7進行加壓下行的速度為3?lOmm/s，并且擠壓凸模與復(fù)合材料的漿料接觸后壓力逐漸增大，直至達到預(yù)設(shè)比壓150?200Mpa。
[0040]本發(fā)明適用的基體材料為純鋁或者鋁合金，下面根據(jù)具體實施例對純鋁、2024鋁合金、6061鋁合金、7075鋁合金、A356鋁合金中的實驗數(shù)據(jù)對本發(fā)明做進一步詳細說明。[0041 ] 實施例1
[0042]a、稱取純鋁塊料100g，置于坩禍中；
[0043]b、采用電磁感應(yīng)加熱裝置將純鋁熔化，并使鋁熔體溫度保持在800°C ；
[0044]c、確定添加物為Ti粉，按純鋁質(zhì)量份數(shù)的2.96%稱取Ti粉，用鋁箔將稱取好的Ti粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無Ti粉灑出；
[0045]d、將包裹有Ti粉的鋁箔置于鋁熔體的液面中央，用超聲探頭將鋁箔壓入液面以下6cm；
[0046]e、開啟超聲換能器，在超聲功率2kW，頻率20kHz條件下，振動20分鐘，振動至Ti粉與鋁熔體完全反應(yīng)，得到復(fù)合材料漿料；
[0047]f、將超聲探頭移除，關(guān)閉感應(yīng)加熱裝置，然后將步驟e制得的復(fù)合材料漿料澆鑄至擠壓鑄造模具的型腔中進行加壓凝固，比壓為180Mpa，保壓30s，漿料在壓力下結(jié)晶凝固為坯料，然后用頂桿將制得的坯料頂出，最終得到Al3Ti質(zhì)量分數(shù)為8%的Al3Ti/Al復(fù)合材料。
[0048]本實施例實驗用純鋁抗拉強度約80MPa，制得的Al3Ti質(zhì)量分數(shù)為8%的Al3Ti/Al復(fù)合材料的抗拉強度超過120MPa，抗拉強度提高50 %以上。
[0049]實施例2
[0050]a、稱取純鋁塊料100g，置于坩禍中；
[0051 ] b、采用電磁感應(yīng)加熱裝置將純鋁熔化，并使鋁熔體溫度保持在750°C ；
[0052]c、確定添加物為K2TiF6粉，按純鋁質(zhì)量份數(shù)的7.4%稱取K2TiF6粉，用鋁箔將稱取好的K2TiF6粉包裹好，保證包裹后取放鋁箔無K2TiF6粉灑出；
[0053]d、將包裹有1(21^?6粉的鋁箔置于鋁熔體的液面中央，用超聲探頭將鋁箔壓入液面以下8cm;
[0054]e、開啟超聲換能器，在超聲功率2kW，頻率20kHz條件下，振動25分鐘，振動至1(211卩6粉與鋁熔體完全反應(yīng)，得到復(fù)合材料漿料；
[0055]f、將超聲探頭移除，關(guān)閉感應(yīng)加熱裝置，然后將步驟e制得的復(fù)合材料漿料澆鑄至擠壓鑄造模具的型腔中進行加壓凝固，比壓