CN102400001A - 一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。本发明提出的方法，首先，将能够形成金属间化合物的M金属粉末与Al合金粉末按比例混合，进行机械合金化制备M(Al)固溶体合金粉末，再将M(Al)粉末与Al及其合金粉末按比例配比混合，采用新型冷喷涂成形技术制备涂覆层，然后通过热处理实现M(Al)固溶体向M-Al金属间化合物的原位转变，从而获得原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。本发明工艺简单，生产周期短，生产成本低廉，且颗粒增强体与基体相容性好，有助于工业化应用。

Description

一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料和制造技术领域，特别是提供了一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，是冷喷涂成形技术与热处理复合工艺制备原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。
背景技术
铝基复合材料具有质量轻、比强度高、热稳定性和导电导热性优异、低的热膨胀系数以及良好的耐磨性等一系列优点，在国防、航空航天、汽车、电子、交通运输、民用机械等领域具有广阔的应用背景。而颗粒增强铝基复合材料因其具有增强体成本低、材料性能各向同性、制备工艺及设备要求较低，便于批量生产等优点，具有广阔工业生产前景。目前，铝基复合材料的增强颗粒以陶瓷类（如氧化物、氮化物、碳化物等）颗粒为主，如SiC、A12O3、A1N、B4C等，其优点是密度低、硬度高。但陶瓷颗粒增强铝基复合材料存在陶瓷颗粒增强体与铝基体之间浸润性差、界面结合不良以及颗粒在基体中分布不均等问题，从而影响了铝基复合材料的综合力学性能的发挥。
金属间化合物是一种高温结构材料，弹性模量、熔点和高温强度非常高。它既具有金属的性质，如金属光泽、导电性、导热性等，又具有一定陶瓷的性质，如较高的比强度和比刚度，以及介于合金和陶瓷之间高的使用温度和热膨胀系数，这些特点使其成为铝合金等轻金属材料有效的增强相。此外，金属间化合物相对于陶瓷具有良好的可塑性，因而在提高基体合金强度的同时，不会降低其塑性，而原位自生金属间化合物颗粒更是与基体合金的晶体结构匹配性好，界面结合强度高。以上所述为原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料具有良好的综合性能提供了基础。目前，原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料制备方法主要是搅拌铸造、液态金属浸渗、挤压铸造等液态法，其过程主要是通过将纯金属粉末加入铝熔体中与铝反应生成Al-M系金属间化合分散相，从而增强铝基复合材料。但此类方法制备工艺及设备复杂，生产周期长，成本较高，生产过程中易于出现铸造缺陷（气体和夹杂），而且温度选择不当易造成偏析。因此，提出一种工艺简单、快捷，成本低廉的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备技术很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法。本发明提出的方法有利于控制金属间化合物颗粒的尺寸、体积分数和分布状态，所制备的铝基复合材料均匀无缺陷，且工艺简单、成本低廉、可再生利用，特别适合工业化推广应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
Figure 2011103952968100002DEST_PATH_IMAGE001
将金属粉末M和Al粉，按75～25at.%的M和25～75at.%的Al进行配比（at.为原子百分比），然后在惰性气氛、低温或真空下进行机械合金化制备M(Al)固溶体合金粉末；
Figure 267819DEST_PATH_IMAGE002
将上述M(Al)固溶体合金粉末进行分筛，获得不同粒径粉末；
Figure 2011103952968100002DEST_PATH_IMAGE003
将不同粒径M(Al)固溶体合金粉末与Al或Al合金粉按5～60vol.%的M(Al)和95～40vol.%的Al及其合金配比在球磨混料机中混合均匀；
Figure 226416DEST_PATH_IMAGE004
在平板状或棒状基体表面进行喷砂粗化处理；
Figure 2011103952968100002DEST_PATH_IMAGE005
采用冷喷涂在上述基体上喷涂步骤(3)准备的粉末，送粉量50～100g/min，涂覆层厚度300μm～50mm；
Figure 114738DEST_PATH_IMAGE006
对步骤(5)获得的涂覆层在真空或惰性气体环境下进行热处理，温度450～650℃，时间1～8小时，获得原位M-Al金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。
基体需要剥离时，应将基体在步骤(6)的热处理之前进行剥离。
本发明的其他特点是：
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，由增强体和基体合金组成，所述的基体合金是铝及铝合金，所述增强体为原位自生的金属间化合物颗粒，其占总体积5～60%，其余为基体合金。
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，金属粉末M可以是Fe、Ti、Ni、Cu、Co等金属中的一种或多种。
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，所述M-Al金属间化合物颗粒增强体可以是MAl、M3Al、M2Al5、MAl3等金属间化合物中的一种或几种。
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，步骤(1)中的M(Al)为固溶体合金粉末；
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，制备块材时可不用对基体喷砂直接沉积涂覆层；
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，在制备块材时应将基体在步骤(6)的热处理之前进行剥离；
所述的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，金属间化合物颗粒的尺寸和体积分数可控。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，
本发明提出的原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，可以通过调节原料成分、粒度、机械合金化工艺、冷喷涂工艺以及热处理温度和时间等多种工艺参数来控制金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的组织结构、颗粒尺寸及体积分数，金属间化合物增强颗粒原位生成，表面洁净，与基体结合好，工艺简单，生产周期短，成本低廉易于推广应用。
附图说明
图1本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下依照本发明的技术方案作出具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。
实施例1： 
选取粒度小于50μm 的Fe粉和Al粉，按照摩尔比50:50配比，粉末形貌如图2所示。在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为15∶1，球磨时间为24h，转速180 rpm，获得Fe(Al)固溶体合金粉末，粉末断面组织如图3所示。将Fe(Al)固溶体合金粉末与纯Al粉末按体积比Al：Fe(Al)=50：50在球磨混料机中混合均匀，然后冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm铝合金，喷涂前对基体表面采用24目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N2气，其中，加速气体压力1.0MPa，送粉气压力1.2MPa，喷涂温度350℃，送粉率50g/min，喷涂距离20mm，喷枪移动速度50mm/s，涂覆层厚度约20mm左右，其组织如图4(a)所示，可以看到，在黑色的铝基体上弥散分布着白色Fe(Al)固溶体合金颗粒。喷涂后剥离基体，在真空炉中进行热处理，真空度3×10-3Pa，以5℃/s的速率升至500℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得原位FeAl金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其组织如图4（b）所示，可以看到，在黑色的Al基体上分布着灰色的FeAl金属间化合物颗粒，同时还存在少量未完全反应的白色Fe(Al)固溶体合金颗粒。
实施例2： 
选取粒度小于25μm 的Fe粉和粒度小于10μm 的Al粉，按照摩尔比75:25配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为10∶1，球磨时间为12h，转速200 rpm，获得Fe(Al)固溶体合金粉末，将其与纯Al粉末按体积比Al：Fe(Al)=75：25在球磨混料机中混合均匀，然后冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用100目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N2气，其中，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度400℃，送粉率70g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度20mm/s，涂覆层厚度40mm。喷涂后剥离基体，在流动氩气保护的管式炉中进行热处理，以10℃/s的速率升至450℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得Fe2Al5金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。
实施例3：
选取粒度小于25μm 的Ni粉和Al粉，按照摩尔比75:25配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为20∶1，球磨时间为24h，转速180 rpm，获得Ni(Al)固溶体合金粉末，将其与纯Al粉末按体积比Al：Ni(Al)=80：20在球磨混料机中混合均匀，然后冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用150目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N2气，其中，加速气体压力2MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度500℃，送粉率50g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度30mm/s，涂覆层厚度20mm。喷涂后剥离基体，在流动氩气保护的管式炉中进行热处理，以10℃/s的速率升至550℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得NiAl3金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。
实施例4：
选取粒度小于45μm的Ti粉和粒度5～10μm Al粉，按照摩尔比50:50配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为10∶1，球磨时间为12h，转速200 rpm，获得Ti(Al)固溶体合金粉末，将其与纯Al粉末按体积比Al：Ti(Al)=60：40在球磨混料机中混合均匀，然后冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用150目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为He气，其中，加速气体压力1.5MPa，送粉气压力1.7MPa，喷涂温度350℃，送粉率40g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度40mm/s，涂覆层厚度20mm。喷涂后剥离基体，在真空炉中进行热处理，真空度3×10-3Pa，以5℃/s的速率升至650℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得TiAl金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。

Claims (8)

1.一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
Figure 2011103952968100001DEST_PATH_IMAGE001
将金属粉末M和Al粉，按75～25at.%的M和25～75at.%的Al进行配比（at.为原子百分比），然后在惰性气氛、低温或真空下进行机械合金化制备M(Al)固溶体合金粉末；
Figure 202627DEST_PATH_IMAGE002
将上述M(Al)固溶体合金粉末进行分筛，获得不同粒径粉末；
将不同粒径M(Al)固溶体合金粉末与Al或Al合金粉按5～60vol.%的M(Al)和95～40vol.%的Al及其合金配比在球磨混料机中混合均匀；
Figure 492794DEST_PATH_IMAGE004
在平板状或棒状基体表面进行喷砂粗化处理；
Figure 2011103952968100001DEST_PATH_IMAGE005
采用冷喷涂在上述基体上喷涂步骤(3)准备的粉末，送粉量50～100g/min，涂覆层厚度300μm～50mm；
Figure 622293DEST_PATH_IMAGE006
对步骤(5)获得的涂覆层在真空或惰性气体环境下进行热处理，温度450～650℃，时间1～8小时，获得原位M-Al金属间化合物颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料由增强体和基体合金组成，所述的基体合金是铝及铝合金，所述增强体为原位自生的金属间化合物颗粒，其占总体积5～60%，其余为基体合金。
3.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，金属粉末M为Fe、Ti、Ni、Cu、Co金属中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述M-Al金属间化合物颗粒增强体为MAl、M3Al、M2Al5、MAl3金属间化合物中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的M(Al)为固溶体合金粉末。
6.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，制备块材时不用对基体喷砂直接沉积涂覆层。
7.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在制备块材时将基体在步骤(6)的热处理之前进行剥离。
8.根据权利要求1所述的一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，金属间化合物颗粒的尺寸和体积分数可控。
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