CN115652124A - 一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝基复合材料制备领域，具体涉及一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：将混合粉末均匀装入钢制模具后冷压；由上到下将不锈钢波纹管套在钢制模具上，不锈钢波纹管上下密封，下部固定在工作台上；将工作台立于电阻炉中，对不锈钢波纹管抽真空，并加热保温；将工作台移至压机下对坯锭热压复合，然后冷却；待不锈钢波纹管冷却后，拆卸不锈钢波纹管，去除钢制模具，获得坯锭；其中，不锈钢波纹管壁厚1mm~4mm，其内径比钢制模具的外径大40mm~100mm，其长度为700mm~1800mm，密封盖的厚度50mm~100mm。采用该方法，在高温下，利用不锈钢波纹管为坯锭提供真空环境，由于其特性是强度高，热压时不破裂，可重复使用，因此降低成本。
Description
技术领域
本发明属于铝基复合材料制备领域，具体涉及一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料是以铝或铝合金为基体，向基体材料中加入或者在基体内自生具有高模量、高强度、耐热和耐磨等一系列优良物理性能的颗粒而形成的复合材料，颗粒增强体可有效提高材料的强度、耐磨性和耐热性等性能。采用粉末冶金法制备颗粒增强铝基复合材料时，通常需使用热等静压炉或真空热压炉等昂贵设备，造成生产成本高，工艺复杂，且由于受设备大小的限制，经此制备的坯锭尺寸较小，应用范围较窄。
专利号为202011073867.1的现有技术“颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的粉末冶金制备方法”以粉末冶金工艺为基础，将烧结与加压分离制备复合材料，虽然摆脱了对真空热压炉或热等静压炉的依赖，但热压使用的包套拆除后无法重复利用，增加了原材料的成本；将密封包套转移至模具时也多有不便，若包套与模具磕碰，则易使焊缝破裂，增加生产周期。
综上而言，有必要提供一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，在保证性能的基础上，降低生产成本。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，提高原材料利用率，另外，生产工艺简单，无需昂贵的生产设备，按照此方法制备出来的铝基复合材料具有高性能、低成本的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）：将混合粉末均匀装入钢制模具后，进行冷压，提高致密性；
步骤（2）：根据钢制模具外径及高度选择相应规格的工作台和不锈钢波纹管，将钢制模具置于工作台，由上到下将不锈钢波纹管套在钢制模具上，不锈钢波纹管的下端与工作台的接触面密封，不锈钢波纹管的上端与密封盖密封，使其形成一个密封良好、不漏气的整体，不锈钢波纹管壁厚1mm~4mm，其内径大于钢制模具的外径40mm~100mm，其长度为700mm~1800mm，密封盖的厚度50mm~100mm；
步骤（3）：将工作台立于电阻炉中，采用真空设备在炉外通过不锈钢抽气管对不锈钢波纹管抽真空，待真空结束后加热保温；
步骤（4）：保温完毕后，将工作台移至压机下，进行热压复合，进一步提高致密性，然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管冷却后，拆卸不锈钢波纹管，取出钢制模具，去除钢制模具，获得所需大规格的颗粒增强铝基复合材料坯锭；
进一步地，步骤（1）中，混合粉末包括增强相颗粒与基体合金粉末，其中，增强相颗粒包括B4C、Si、SiC、Al2O3等，增强相颗粒体积含量为0-70%，优选为10%~65%；基体合金粉末为纯铝或其合金；增强相颗粒与基体粉末采用普通机械混合、湿混或球磨混合均匀。
进一步地，步骤（1）中，钢制模具由H13模具钢制成，为圆筒状，并配有上压块和下压块，模具壁厚及单个上压块、下压块厚度为40mm~100mm，上压头直径比钢制模具内径小30mm~50mm，上压头高度为300mm~600mm。
进一步地，步骤（2）中，所述工作台台面是由厚度为100mm~300mm的不锈钢制成，其上固定有圆筒，圆筒的底部与工作台密封，圆筒的高度为300mm~500mm，直径比钢制模具外径大40mm~100mm，圆筒的厚度为40mm~60mm；圆筒的下部通过焊接的方式与不锈钢抽气管相连通，不锈钢抽气管的内径为10mm~20mm。
进一步地，步骤（3）中将装有钢制模具的不锈钢波纹管装入电阻炉中进行加热，升温速度0.1~10℃/min，最终在580~650℃保温3~20h，不锈钢波纹管内真空度为0.1Pa~50Pa。
进一步地，步骤（4）中将带钢制模具的不锈钢波纹管移至压机下，采用20~150MPa压力进行热压致密化，保压时间2~20min。
进一步地，步骤（5）中，将不锈钢波纹管拆卸，通过机加工或火焰切割去除钢制模具，机加工得到直径大尺寸的坯锭。
本发明的有益效果在于：本发明直接将混合粉末装入模具内，采用不锈钢波纹管使钢制模具处于真空的环境下，由于不锈钢波纹管良好的跟随性以及在高温下强度高，热压时不破裂，能保证钢制模具在热压时良好的真空性；此外，不锈钢波纹管可以重复使用，降低成本，而现有技术中的金属包套需要机加工去除，不可重复利用；本发明无需热等静压炉和真空热压炉等设备，降低了生产设备成本，且坯锭大小不受设备大小的限制。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明不锈钢波纹管、钢制模具及工作台的剖视结构示意图。
图中：1、工作台；101、圆筒；102、不锈钢抽气管；2、不锈钢波纹管；201、密封盖；3、钢制模具；301、上压块；302、下压块；303、上压头；4、混合粉末。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
实施例1：
步骤（1）：选用平均粒径9μm的B4C粉末与平均粒径40μm的6061Al粉末，按10vol.%B4C/6061Al成分配料，将粉末与钢球按1：1装入混料机内，混合5h，得到混合粉末4共250kg，将混合粉末4装入内径405mm、高度1400mm、壁厚50mm的H13钢制模具3内，钢制模具3上下分别装入3个50mm的上压块301和下压块302，并装入1个高度500mm，直径370mm的上压头303，并在载荷40MPa进行冷压，提高致密度；
步骤（2）：冷压致密后，将钢制模具3移至工作台1的圆筒101内，工作台1的台面由100mm厚的不锈钢制成，其上固定有高480mm，内径580mm，厚度50mm的圆筒101，圆筒101下部通过焊接的方式与内径10mm的不锈钢抽气管102相连通，用内径580mm，壁厚3mm，高度1400mm的不锈钢波纹管2由上至下套在钢制模具3上，可以采用螺栓连接的方式使不锈钢波纹管2与圆筒3密封在一起，将不锈钢波纹管2的上端与直径580mm、厚50mm的密封盖201进行焊接密封，并进行气密性测试，确保不锈钢波纹管2不漏气。
步骤（3）：将工作台1转移至电阻炉中，并采用真空设备通过不锈钢抽气管102对不锈钢波纹管2的内部抽真空，待真空小于50Pa后进行升温，升温速度为0.1℃/min，直至在580℃保温3小时，真空度为0.1Pa；
步骤（4）：将真空设备的抽气***关闭，3min内将工作台1从电阻炉中取出，移至压机工作台，在载荷100MPa热压，保压2min，然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管2及钢制模具3冷却至室温后，首先拆卸不锈钢波纹管2，然后通过车削去除钢制模具3，获得直径405mm、高度700mm的致密坯锭。
采用该实施例制备的10vol.%B4C/6061Al复合材料致密度99.8%，退火态下的抗拉强度为240MPa，屈服强度180Mpa，断后伸长率10.0%，性能好，拆卸的不锈钢波纹管2可再次重复利用。
实施例2：
步骤（1）：选用平均粒径5μm的Si粉末与平均粒径7μm的Al粉末，按50vol.%Si/Al成分配料，将粉末与钢球按1：1装入混料机内，混合5h，得到混合粉末4共100kg，将混合粉末4装入内径405mm、高度350mm、壁厚50mm的H13钢制模具3内，钢制模具3上下分别装入1个50mm的上压块301和下压块302，并装入1个高度300mm，直径370mm的上压头303，并在载荷40MPa进行冷压，提高致密度；
步骤（2）：冷压致密后，将钢制模具3移至工作台1的圆筒101内，工作台1的台面由100mm厚的不锈钢制成，其上固定有高300mm，内径580mm，厚度50mm的圆筒101，圆筒101下部通过焊接的方式与内径10mm的不锈钢抽气管102相连通，用内径580mm，壁厚3mm，高度700mm的不锈钢波纹管2由上至下套在钢制模具3上，可以采用螺栓连接的方式使不锈钢波纹管2与圆筒3密封在一起，将不锈钢波纹管2的上端与直径580mm、厚50mm的密封盖201进行焊接密封，并进行气密性测试，确保不锈钢波纹管2不漏气。
步骤（3）：将工作台1转移至电阻炉中，并采用真空设备通过不锈钢抽气管102对不锈钢波纹管2的内部抽真空，待真空小于50Pa后进行升温，升温速度为5℃/min，直至在585℃保温5小时，真空度为8Pa；
步骤（4）：将真空设备的抽气***关闭，3min内将工作台1从电阻炉中取出，移至压机工作台，在载荷80MPa热压，保压2min，然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管2及钢制模具3冷却至室温后，首先拆卸不锈钢波纹管2，然后通过车削去除钢制模具3，获得直径405mm、高度110mm的致密坯锭。
采用该实施例制备的50vol.%Si/Al复合材料致密度99.8%，退火态下的抗弯强度为350MPa，致密度99.9%，弹性模量110GPa，性能好，拆卸的不锈钢波纹管2可再次重复利用。
实施例3：
步骤（1）：选用平均粒径40微米的SiC粉末与平均粒径40微米的6061Al粉末，按55vol.%SiC/6061Al成分配料，将粉末与钢球按1：1装入混料机内，混合5小时，得到混合粉末4共3.3吨，装入内径1400mm、高度1350mm、厚度100mm的H13钢制模具3内，松装密度约1.48g/cm3，钢制模具3上下分别装入2个100mm上压块301和下压块302，并装入1个高度400mm，直径1310mm的上压头303，并在载荷70MPa进行冷压，提高致密度；
步骤（2）：冷压致密后，将钢制模具3移至工作台1的圆筒101内，工作台1的台面由200mm的不锈钢制成，其上固定有300mm高、内径1650mm、厚度60mm的圆筒3，圆筒101的下部通过焊接的方式与内径15mm的不锈钢抽气管102相连通，用内径1650mm，壁厚2mm，高度1400mm的不锈钢波纹管2由上至下套设在钢制模具3上，可以采用螺栓连接的方式使不锈钢波纹管2与圆筒3密封在一起，将不锈钢波纹管2的上端与直径1650mm、厚100mm密封盖201进行焊接密封，并进行气密性测试，确保不锈钢波纹管2不漏气。
步骤（3）：将工作台1转移至电阻炉中，并采用真空设备通过不锈钢抽气管102对不锈钢波纹管2的内部抽真空，待真空小于50Pa后进行升温，升温速度为1℃/分钟，直至在600℃保温15小时，真空度为23Pa。
步骤（4）：将真空设备的抽气***关闭，3分钟内将工作台1从电阻炉中取出，移至压机工作台，在载荷70MPa热压，保压15min，然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管2及钢制模具3冷却至室温后，首先拆卸不锈钢波纹管2，然后通过车削去除钢制模具3，获得直径1400mm、高度660mm的致密坯锭。
采用该实施例制备的55vol.%SiC/6061Al复合材料退火态下的三点抗弯强度为450MPa，致密度99.4%，弹性模量191GPa，性能好，拆卸的不锈钢波纹管2可再次重复利用。
实施例4：
步骤（1）：选用平均粒径30微米的Al2O3粉末与平均粒径40微米的6061Al粉末，按65vol.%Al2O3/6061Al成分设计配料后装入混料机内，得到混合粉末4共1.3吨，将混合粉末4装入内径1000mm、高度1050mm、厚度100mm的H13钢制模具3内，松装密度约1.40g/cm3，钢制模具3上下分别装入1个100mm的上压块301、下压块302和1个直径970mm，高度500mm的上压头303，并在载荷100MPa进行冷压，提高致密度；
步骤（2）：冷压致密后，将钢制模具3移至工作台1的圆筒101内，工作台1的台面由200mm的不锈钢制成，其上固定有高300mm、内径1250mm、厚度60mm的圆筒101，圆筒101的下部通过焊接的方式与内径20mm的不锈钢抽气管102相连通，用内径1250mm、壁厚2mm、高度1200mm的不锈钢波纹管2由上至下套设在钢制模具3上，可以采用螺栓连接的方式使不锈钢波纹管2与圆筒3密封在一起，将不锈钢波纹管2的上端与直径1250mm、厚100mm的密封盖201进行焊接密封，并进行气密性测试，确保不锈钢波纹管2不漏气。
步骤（3）：将工作台1转移至电阻炉中，并采用真空设备通过不锈钢抽气管102对不锈钢波纹管2的内部抽真空，待真空小于50Pa后进行升温，升温速度为10℃/分钟，直至在650℃保温20小时，真空度为50Pa。
步骤（4）：将真空设备的抽气***关闭，3分钟内将工作台1从电阻炉中取出，移至压机工作台，在载荷50MPa热压，保压时间不少于20min。然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管2及钢制模具3冷却至室温后，首先拆卸不锈钢波纹管2，然后通过车削去除钢制模具3，获得直径1000mm、高度470mm的致密坯锭。
采用该实施例制备的65vol.%Al2O3/6061Al复合材料致密度99.2%，性能好，拆卸的不锈钢波纹管2可再次重复利用。
用本发明的技术方案，可以摆脱真空热压炉和热等静压炉空间的限制，生产出大尺寸的坯锭，选用不锈钢波纹管2时，可以根据所制备坯锭的大小选择不同尺寸的不锈钢波纹管2，对特大尺寸的坯锭，可以定制相应规格的不锈钢波纹管2满足生产需要，不锈钢波纹管2在高温下强度高，能保证热压时不破裂，且冷却后，拆卸的不锈钢波纹管2可以再次利用，而现有技术中经过机加工切削下来的金属包套无法再次利用，从而抬高了成本；由于热等静压炉每炉成本极高，为提高炉内空间利用率，通常同时对多个坯锭热等静压，因此，若有特殊工艺的坯锭则无法及时排产，增加生产周期，提高生产成本，而使用不锈钢波纹管2进行真空烧结，为每个坯锭提供独立的密封环境，可选择单个或多个坯锭同时烧结，以提高生产效率；热等静压炉设备昂贵，用途单一且维修成本较高，很难满足如今对铝基复合材料低成本大批量化的生产要求，本发明的压机可用于坯料锻造，电阻炉可用于坯料热处理等，同时液压机和电阻炉早已普及，维修成本低。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）：将混合粉末（4）均匀装入钢制模具（3）后，进行冷压，提高致密性；
步骤（2）：根据钢制模具（3）外径及高度选择相应规格的工作台（1）和不锈钢波纹管（2），将钢制模具置于工作台（1），由上到下将不锈钢波纹管（2）套在钢制模具（3）上，不锈钢波纹管（2）的下端与工作台（1）的接触面密封，不锈钢波纹管（2）的上端与密封盖（201）密封，使其形成一个密封良好、不漏气的整体，不锈钢波纹管（2）壁厚1mm~4mm，其内径比钢制模具（3）的外径大40mm~100mm，其长度为700mm~1800mm，密封盖（201）的厚度50mm~100mm，其直径与不锈钢波纹管（2）内径相同；
步骤（3）：将工作台（1）立于电阻炉中，采用真空设备在炉外通过不锈钢抽气管（102）对不锈钢波纹管（2）抽真空，并加热保温；
步骤（4）：保温完毕后，将工作台（1）移至压机下，对坯锭进行热压复合，进一步提高致密性，然后冷却；
步骤（5）：待不锈钢波纹管（2）冷却后，拆卸不锈钢波纹管（2），取出钢制模具（3），去除钢制模具（3），获得所需大规格的颗粒增强铝基复合材料坯锭；
根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（1）中，混合粉末（4）包括增强相颗粒与基体合金粉末，其中，增强相颗粒包括B4C、Si、SiC、Al2O3，增强相颗粒体积含量为0~70%；基体合金粉末为纯铝或其合金；增强相颗粒与基体粉末采用普通机械混合、湿混或球磨混合均匀。
2.根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（1）中，钢制模具（3）由H13模具钢制成，为圆筒状，并配有上压块（301）、下压块（302）和上压头（303），模具壁厚及单个上压块（301）、下压块（302）厚度为40mm~100mm，上压头直径小于钢制模具内径30mm~50mm，上压头高度为300mm~600mm。
3.根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述工作台（1）台面是由厚度为100mm~300mm的不锈钢制成，其上固定有圆筒（101），圆筒（101）的底部与工作台密封，圆筒（101）的高度为300mm~500mm，其直径比钢制模具（3）的外径大40mm~100mm，圆筒的厚度为40mm~60mm；圆筒（101）的下部通过焊接的方式与不锈钢抽气管（102）相连通，不锈钢抽气管（102）的内径为10mm~20mm。
4.根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（3）中将装有钢制模具（3）的不锈钢波纹管（2）装入电阻炉中进行加热，升温速度0.1~10℃/min，最终在580~650℃保温3~20h，不锈钢波纹管（2）内真空度为0.1Pa~50Pa。
5.根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（4）中将带钢制模具（3）的不锈钢波纹管（2）移至压机下，采用50~100MPa压力进行热压致密化，保压时间2~20min。
6.根据权利要求1所述的一种低成本制备颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的方法，其特征在于：步骤（5）中，将不锈钢波纹管（2）拆卸，通过机加工或火焰切割去除钢制模具（3），机加工得到直径大尺寸的坯锭。
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| US20020021779A1 (en) * | 2000-07-12 | 2002-02-21 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. 5-1, Marunouchi 2-Chome, Chiyoda-Ku, Tokyo, Japan | Aluminum composite material, aluminum composite powder and its manufacturing method, spent fuel storage member and its manufacturing method |
| CN110468308A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-19 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种低成本高性能铝基复合材料坯锭的制备方法 |
| CN112410598A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-02-26 | 中国科学院金属研究所 | 颗粒增强铝基复合材料大尺寸坯锭的粉末冶金制备方法 |
| CN113755712A (zh) * | 2021-09-08 | 2021-12-07 | 河南瀚银光电科技股份有限公司 | 一种宏量化颗粒增强铝基复合材料坯锭及其基于粉末冶金的制备方法 |
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2022
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Patent Citations (5)
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