CN113881875B - 一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属基复合材料，具体涉及一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料及制备方法，该复合材料由具有三维骨架结构的增强体预制块和铝基体组成，增强体在铝基复合材料中的体积分数为30％‑70％；包括如下步骤：S1：通过增材制造技术制备增强体预制块；S2：在保护气氛下熔化铝基体，得到金属铝熔体；S3：将增强体预制块预热并保温后，与模具一同置于压力机中，将金属铝熔体浇注至模具中，控制压力机台面温度，进行压力浸渗；S4：泄压后自然冷却至室温，得到三维骨架结构金属增强铝基复合材料。与现有技术相比，本发明能在明显改善复合材料强度和模量的情况下，提高铝基复合材料的导热性能，实现了铝基复合材料综合性能的提高。

Description

一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料，具体涉及一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料及制备方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，对现代新材料的综合性能提出了越来越高的要求，即实现材料结构功能的一体化，特别是在能源和航空航天等领域，这一需求尤为迫切。单一材料的性能已经逐渐难以满足某些领域对材料综合性能的需求。
铝作为工业上最常用的金属之一，由于其具有低密度、低成本、耐腐蚀、良好的导热导电性以及易回收等优点，常在电力运输、电子产品等领域被作为贵金属铜的良好替代品。然而，由于其强度和模量较低，并且尚没有铝合金能够在具有高强度的同时保持高导热性，这些缺点限制了金属铝在能源、功能材料等领域的应用。因此，制备高强高导热的铝基复合材料是解决该问题的重要途径之一。
目前铜铝复合材料是实现高导热的重要方法之一，利用铜良好的导热导电性能，提高复合材料整体的导热导电能力。通过热处理可以改善铜铝复合材料的强度，但是传统复合材料制备技术无法获得分布均匀的增强体，进而无法获得性能可控的复合材料。
三维骨架增强体能够改变复合材料的应力分布状态，并且三维骨架结构可实现增强体的均匀可控分布，从而改善甚至调控复合材料的力学性能、导热等综合性能。由于三维增强体具有微小复杂的结构，使用传统方法难以完成制备。目前复合材料的制备方法主要有轧制、焊接、表面沉积、复合浇筑、粉体烧结等方法，然而，通过这些方法普遍存在制备周期长、界面结合弱、性能稳定性差等问题，难以制备出高强高导热铝基复合材料。
发明内容
随着增材制造技术的快速发展，通过空间建模软件进行结构设计，就能够利用选区激光熔化技术对小尺寸、高精度的三维增强体进行快速制备。但是，由于制造工艺不成熟、孔隙率较高、微观结构不可控等问题，这项技术在制备金属基复合材料方面的应用仍不广泛。本发明将压力浸渗法与增材制造的方法相结合，制造出实体金属基复合材料，降低了复合材料的孔隙率，限制了增材制造当前的缺点对复合材料性能的影响。
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料及制备方法。该方法结合选区激光熔化和压力浸渗两种技术，将使用选区激光熔化形成的金属三维增强体预制块与铝基体进行复合，在提高材料强度和模量的同时提升了三维增强体铝基复合材料的导热性能，实现了铝基复合材料的结构功能一体化，即实现了铝基复合材料强度与导热性能的结合。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面提供了一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料，该复合材料由增强体预制块和铝基体组成，所述的增强体在铝基复合材料中的体积分数为30％-70％，所述的增强体预制块具有三维骨架结构。
优选地，所述的增强体预制块的材质为Cu、W或Ti。
优选地，所述的铝基体为铝或铝合金。
优选地，所述的三维骨架结构金属增强铝基复合材料的强度为300-800MPa、模量为100-350GPa、平均热导率为100-300W/(m·K)。
本发明第二方面提供了一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过增材制造技术制备具有三维骨架结构的增强体预制块；
S2：在保护气氛下将铝基体加热熔化，得到金属铝熔体；
S3：将步骤S1得到的增强体预制块预热并保温后，与模具一同置于压力机中，将步骤S2得到的金属铝熔体浇注至模具中，控制压力机台面的温度，然后进行压力浸渗；
S4：泄压后自然冷却至室温，得到所述的三维骨架结构金属增强铝基复合材料。
优选地，步骤S1中所述的增材制造技术优选为选区激光熔化技术，选区激光融化技术能够提供最高的制造精度，能够满足精细骨架的设计和制造需求。同时，使用选区激光融化技术制造材料的表面具有细微的粗糙度，有利于压力浸渗过程中形成紧密的界面结合，故其生产的精度高、可重复性强、效率优。该技术的加工制造精度为0.1mm，并且在凝固过程中会产生一定的体积收缩，因此使用计算机软件进行结构设计时需要增加约5％的余量以保证三维增强体的尺寸精确度。
增材制造的制备工艺能够保证增强体预制块具有较高的致密度以及微观结构的均一性。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中放置增强体预制块的基板与增强体预制块为相同材质。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中基板的预热温度为75-200℃。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中激光器的功率为200-400W。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中激光束直径为0.1mm。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中扫描间距为0.05mm。
优选地，所述的选区激光熔化技术的制备工艺中氧含量小于1000ppm。
优选地，步骤S2中所述的保护气氛为氮气、氦气或氩气气氛。
优选地，步骤S2中所述的加热熔化的温度为700-800℃。
优选地，步骤S3中所述的预热并保温为预热至450-650℃，并保温1-3h。在预热到450℃以上时，增强体预制块表面会产生一层黑色的氧化物，由于该氧化物不会对界面反应产生严重影响，并且不会堵塞金属铝熔体的浸渗通道，因此不需要对表面氧化物进行特殊的表面处理。
优选地，步骤S3中所述的控制压力机台面的温度为控制压力机台面的温度大于200℃。
优选地，步骤S3中所述的压力浸渗的压力为30-70MPa，载荷保持时间为10-30s。
优选地，所述的压力浸渗的压力为40-50MPa。
在制备过程中保持增强体预制块的干燥有利于形成致密的界面反应产物。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备了一种具有三维骨架结构金属增强铝基复合材料，能够在明显改善复合材料强度和模量的情况下，提高铝基复合材料的导热性能，实现了铝基复合材料综合性能的提高。
2、本发明结合了选区激光熔化和压力浸渗两种技术。增材制造的方法，即选区激光熔化技术，能够根据实际生产需求实现骨架结构的个性化生产，并且具有高精度、可重复性和高生产效率等特点。压力浸渗技术有利于金属铝熔体在三维骨架增强体空隙中的填充，实现铝基复合材料界面致密的结合。两种技术方法的结合能够成功制造实体高致密度、具有复杂人工设计几何结构的骨架增强体复合材料，并且形成致密的界面结合，实现了复合材料增强体宏观形貌的精确控制，从而能够调控复合材料的综合性能。
3、本发明采用的铝基复合材料制备方法简单可行、制备效率高、成本低、制备过程无污染，可以根据实际需要自行设计增强体的形状及各项参数，设计灵活度高。
附图说明
图1为本发明实施例1中设计的三位增强体预制块的立体结构示意图；
图2为本发明实施例1中制备的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的双金属复合界面图；
图3为本发明实施例1中制备的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中，所采用的铝为由正稀金属材料有限公司生产的牌号为AL99.70的高纯铝；所采用的铜粉为铸宇新材料科技有限公司生产的纯度≥99.99％的球形铜粉，CAS号为7440-50-8；所采用的钛粉为成都华寅粉体科技有限公司生产的牌号为HYF-Ti球形钛粉；所采用的钨粉为北京兴荣源科技有限公司生产的牌号为W99.9的高纯球形钨粉，所采用的铝锌合金为7075铝合金。
实施例1
一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料，该复合材料由增强体预制块和铝基体组成，铝基体在复合材料中的体积分数为30％-70％，增强体预制块具有三维骨架结构。
更具体地，本实施例中：
选用铝作为铝基体，纯铜粉作为增强体预制块的制备材料。
首先采用UG/NX计算机三维建模软件进行三维骨架增强体结构的设计和仿真模拟，初步确认增强体的稳定性和可行性。如图1所示，可以看出本实施例设计的骨架体积分数为33％，结构单元尺寸较精细，能够充分发挥选区激光熔化技术的加工优势。使用Magics三维切片软件对三维模型进行前处理，随后以纯铜粉为原料，采用选区激光熔化技术对三维增强体进行增材制造，在聚焦激光束的作用下使铜粉融化后重新凝固，逐层制造出具有三维骨架结构的纯铜增强体预制块。制造过程中，与增强体预制块材质相同的基板被预热至200℃，激光器的功率选择为400W，激光束直径约为0.1mm，扫描间距约为0.05mm，氧含量要求小于1000ppm。由于该技术的加工制造精度约为0.1mm，并且在凝固过程中会产生一定的体积收缩，因此使用计算机软件进行结构设计时需要增加约5％的余量以保证三维增强体的尺寸精确度。
称取8千克金属铝锭，以及质量分数0.5％金属铝锭的精炼剂，精炼剂可选择永康市琪昕商贸有限公司生产，用于沉降铝锭中的杂质，将其放入熔炉中加热到800℃，静置12h后去除铝液表面浮沫后，通入氩气保护气氛，得到用于进行压力浸渗的金属铝熔体。
将增强体预制块置于箱式高温炉中预热到550℃，达到预热温度后保温1h，将预制块连同模具放置到压力机的正确位置。将得到的金属铝熔体浇筑到模具的腔体中，控制压力机台面温度高于200℃，然后进行压力浸渗。压力浸渗中施加的压力为50MPa，载荷保持时间为30s，泄压后自然冷却至室温，得到三维骨架结构金属增强铝基复合材料铸锭。如图2和图3所示，由图2可以看出，本实施例制备的铝基复合材料中铜铝界面结合紧密，无明显冶金缺陷；由图3可以看出，本实施例制备的铝基复合材料界面处存在枝晶状界面反应产物，即为铜铝金属间化合物。
本实施例制备的纯铜三维骨架结构增强铝基复合材料，未经热处理的该铝基复合材料屈服强度为340MPa，模量为142GPa相较于纯铜和纯铝均有提升，与此同时，该铝基复合材料的平均热导率为234W/(m·K)，在提高强度的同时，实现了较高的热导率。
实施例2
一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料，该复合材料由增强体预制块和铝基体组成，增强体在复合材料中的体积分数为30％-70％，增强体预制块具有三维骨架结构。
更具体地，本实施例中：
选用铝作为铝基体，纯钛粉作为增强体预制块的制备材料。
首先采用UG/NX计算机三维建模软件进行三维骨架增强体结构的设计和仿真模拟，初步确认增强体的稳定性和可行性。本实施例设计的骨架体积分数为30％，结构单元尺寸较精细，能够充分发挥选区激光熔化技术的加工优势。使用Magics三维切片软件对三维模型进行前处理，随后以纯钛粉为原料，采用选区激光熔化技术对三维增强体进行增材制造，在聚焦激光束的作用下使钛粉融化后重新凝固，逐层制造出具有三维骨架结构的纯钛增强体预制块。制造过程中，与增强体预制块材质相同的基板被预热至75℃，激光器的功率选择为200W，激光束直径约为0.1mm，扫描间距约为0.05mm，氧含量要求小于1000ppm。由于该技术的加工制造精度约为0.1mm，并且在凝固过程中会产生一定的体积收缩，因此使用计算机软件进行结构设计时需要增加约5％的余量以保证三维增强体的尺寸精确度。
称取8千克金属铝锭，以及质量分数为0.5％金属铝锭的精炼剂，由永康市琪昕商贸有限公司生产，用于沉降铝锭中的杂质，将其放入熔炉中加热到700℃，静置12h后去除铝液表面浮沫后，通入氮气保护气氛，得到用于进行压力浸渗的金属铝熔体。
将增强体预制块置于箱式高温炉中预热到650℃，达到预热温度后保温3h，将预制块连同模具放置到压力机的正确位置。将得到的金属铝熔体浇筑到模具的腔体中，控制压力机台面温度高于200℃，然后进行压力浸渗。压力浸渗中施加的压力为70MPa，载荷保持时间为10s，泄压后自然冷却至室温，得到三维骨架结构金属增强铝基复合材料铸锭。本实施例制备的铝基复合材料中钛铝界面结合紧密，无明显冶金缺陷；本实施例制备的铝基复合材料界面处存在枝晶状界面反应产物，即为钛铝金属间化合物。
本实施例制备的纯钛三维骨架结构增强铝基复合材料，未经热处理的该铝基复合材料屈服强度为345MPa，模量为120GPa，相较于纯钛和纯铝均有提升，与此同时，该铝基复合材料的平均热导率为150W/(m·K)，在提高强度的同时，实现了较高的热导率。
实施例3
一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料，该复合材料由增强体预制块和铝基体组成，增强体在复合材料中的体积分数为30％-70％，增强体预制块具有三维骨架结构。
更具体地，本实施例中：
选用铝锌合金作为铝基体，纯钨粉作为增强体预制块的制备材料。
首先采用UG/NX计算机三维建模软件进行三维骨架增强体结构的设计和仿真模拟，初步确认增强体的稳定性和可行性。本实施例设计的骨架体积分数为70％，结构单元尺寸较精细，能够充分发挥选区激光熔化技术的加工优势。使用Magics三维切片软件对三维模型进行前处理，随后以纯钨粉为原料，采用选区激光熔化技术对三维增强体进行增材制造，在聚焦激光束的作用下使钨粉融化后重新凝固，逐层制造出具有三维骨架结构的纯钨增强体预制块。制造过程中，与增强体预制块材质相同的基板被预热至120℃，激光器的功率选择为250W，激光束直径约为0.1mm，扫描间距约为0.05mm，氧含量要求小于1000ppm。由于该技术的加工制造精度约为0.1mm，并且在凝固过程中会产生一定的体积收缩，因此使用计算机软件进行结构设计时需要增加约5％的余量以保证三维增强体的尺寸精确度。
称取8千克铝锌合金，以及质量分数为0.5％铝锌合金的精炼剂，由永康市琪昕商贸有限公司生产，用于沉降铝锌合金中的杂质，将其放入熔炉中加热到750℃，静置12h后去除铝液表面浮沫后，通入氦气保护气氛，得到用于进行压力浸渗的金属铝熔体。
将增强体预制块置于箱式高温炉中预热到600℃，达到预热温度后保温3h，将预制块连同模具放置到压力机的正确位置。将得到的金属铝熔体浇筑到模具的腔体中，控制压力机台面温度高于200℃，然后进行压力浸渗。压力浸渗中施加的压力为40MPa，载荷保持时间为25s，泄压后自然冷却至室温，得到三维骨架结构金属增强铝基复合材料铸锭。本实施例制备的铝基复合材料中钨铝界面结合紧密，无明显冶金缺陷；本实施例制备的铝基复合材料界面处存在枝晶状界面反应产物，即为钨铝金属间化合物。
本实施例制备的纯钨三维骨架结构增强铝基复合材料，未经热处理的该铝基复合材料屈服强度为800MPa，模量为350GPa，相较于纯钨和纯铝均有提升，与此同时，该铝基复合材料的平均热导率为180W/(m·K)，在提高强度的同时，实现了较高的热导率。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法结合选区激光熔化和压力浸渗两种技术，具体包括如下步骤：
S1：通过增材制造技术制备具有三维骨架结构的增强体预制块；增材制造技术为选区激光熔化技术；
S2：在保护气氛下将铝基体加热熔化，得到金属铝熔体；
S3：将步骤S1得到的增强体预制块预热至450-650℃并保温1-3h后，与模具一同置于压力机中，将步骤S2得到的金属铝熔体浇注至模具中，控制压力机台面的温度大于200℃，然后进行压力浸渗；压力浸渗的压力为30-70MPa，载荷保持时间为10-30s；S4：泄压后自然冷却至室温，得到所述的三维骨架结构金属增强铝基复合材料；
其中增强体在铝基复合材料中的体积分数为30%-70%；
所述的增强体预制块的材质为Cu、W或Ti；所述的三维骨架结构金属增强铝基复合材料的强度为 300-800MPa、模量为100-350GPa、平均热导率为100-300W/(m•K)。
2.根据权利要求1所述的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的铝基体为铝或铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的选区激光熔化技术的制备工艺参数如下：
（i）放置增强体预制块的基板与增强体预制块为相同材质；
（ii）基板的预热温度为75-200℃；
（iii）激光器的功率为200-400W；
（iv）激光束直径为0.1mm；
（v）扫描间距为0.05mm；
（vi）氧含量小于1000ppm。
4.根据权利要求1所述的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2包括如下：
（i）所述的保护气氛为氮气、氦气或氩气气氛；
（ii）所述的加热熔化的温度为700-800℃。
5.根据权利要求1所述的一种三维骨架结构金属增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的压力浸渗的压力为40-50MPa。
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