專利名稱：顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造方法。
顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法有粉末冶金法、攪拌鑄造法、共噴沉積法和壓力鑄造法四種，而增強(qiáng)體顆粒均勻分布、增強(qiáng)體與基體之間界面結(jié)合良好是各種制備方法所需解決的首要問題。
與上述三種方法相比，粉末冶金法最易實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體在基體中均勻分布，同時，又可以較為方便地控制基體與增強(qiáng)體之間界面結(jié)合狀況。但是，對于粉末冶金法而言，受原料鋁粉末粒度(40～100μm)和增強(qiáng)體粉末粒度(3.5μm)之比值(11～28)過大的限制，采用普通機(jī)械混合實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒微觀均勻分布于基體中較為困難。另外，鋁粉末表面氧化層不利于基體與增強(qiáng)體之間形成良好的界面結(jié)合，因此用普通機(jī)械混合法難以制備出高質(zhì)量的復(fù)合材料。
Benjamin等人申請的US3,591,362專利為解決上述問題提供了理論基礎(chǔ)。原始粉末顆粒在高能量球的碾壓、沖擊下發(fā)生形變，在球表面產(chǎn)生冷焊層，一定厚度的冷焊層由于不斷的加工硬化又從球表面脫落并破碎，如此反復(fù)進(jìn)行，最終形成合金粉末。美國專利US3,740,210發(fā)明了制備彌散強(qiáng)化Al2O3/Al復(fù)合材料，其原料粉末為鋁粉和氧化鋁粉。將原料粉末在表面活性劑存在的條件下進(jìn)行干磨復(fù)合，由于復(fù)合工藝過程中采用了表面活性劑，因此，制得的復(fù)合粉末中存在表面活性劑組分，該組分的存在不利于隨后復(fù)合粉末壓制成型的復(fù)合材料的性能。美國專利US4,946,500發(fā)明了鋁基復(fù)合材料的一種制備方法，其原料為鋁合金粉末和增強(qiáng)體顆粒粉末。將原料粉末在無表面活性劑的條件下進(jìn)行高能球磨復(fù)合，由于該復(fù)合工藝未采用表面活性劑，因此克服了添加表面活性劑給復(fù)合粉末帶來的不利影響，但由于鋁合金粉末在球磨過程中冷焊非常劇烈，在不添加表面活性劑的條件下，實(shí)現(xiàn)鋁合金粉末和增強(qiáng)體顆粒粉末的均勻化復(fù)合工藝不穩(wěn)定，不利于實(shí)現(xiàn)工程化連續(xù)生產(chǎn)，該專利并沒有說明在無表面活性劑的前提下，如何解決上述冷焊問題。同時，在不添加表面活性劑的情況下，球磨后的復(fù)合粉末粒度較大，難以滿足后續(xù)粉末壓制工藝的要求。
本發(fā)明的另一個目的是實(shí)現(xiàn)適合于上述顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的一種工藝穩(wěn)定且簡單的制備方法，使增強(qiáng)體顆粒均勻分布于鋁基體中，同時，增強(qiáng)體與基體之間形成良好的界面結(jié)合，以制備高剛度、高強(qiáng)度復(fù)合材料。
本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由增強(qiáng)體顆粒和鋁合金基體組成，增強(qiáng)體顆粒近似呈球形，彌散均勻分布于鋁合金基體中，并與基體形成良好的界面結(jié)合，增強(qiáng)體顆粒的平均粒度為0.1～1μm，在復(fù)合材料中的體積百分比為10～60％。
所述的增強(qiáng)體顆粒為應(yīng)具有高硬度、高彈性模量、高強(qiáng)度和低密度等特點(diǎn)的B4C(碳化硼)、SiC(碳化硅)、Al2O3(氧化鋁)、AlN(氮化鋁)等中的任意一種。所述的鋁合金基體可以是各種類型的鋁合金，各種類型的鋁合金包括硬鋁(2×××)、鍛鋁(6×××)、超硬鋁(7×××)及耐熱鋁合金和Al-Li合金中的任意一種合金。
本發(fā)明的一種制造顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，該方法包括下述步驟(1)按所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒的體積百分含量10～60％，折算出所需增強(qiáng)體顆粒的重量百分含量為9.3～68.7％，按復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒的重量百分含量計(jì)算出所需增強(qiáng)體顆粒的重量和所需另一種原料鋁基合金粉末的重量，按微量活性元素與增強(qiáng)體重量之比在0.01～0.1范圍內(nèi)，計(jì)算出活性金屬元素的所需量，(2)將所需量的增強(qiáng)體顆粒原料、活性金屬元素和鋼球加入到高能球磨機(jī)的球磨筒中，進(jìn)行高能球磨0.5～2小時，其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm，以達(dá)到破碎增強(qiáng)體顆粒、改善增強(qiáng)體顆粒形貌和顆粒表面化學(xué)狀況的目的，使增強(qiáng)體顆粒由不規(guī)則形狀變?yōu)榻蛐吻冶砻嬲掣接谢钚越饘僭亍?3)隨后加入另一種原料鋁合金粉末進(jìn)行變速高能球磨1～10小時。其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速分為先低速再高速兩個階段，低速球磨轉(zhuǎn)速為100-150rpm，時間為10-40min，高速球磨轉(zhuǎn)速為150-300rpm、時間為50-560min。(4)然后再加入液態(tài)表面活性劑，在15～80℃范圍內(nèi)球磨0.5～2小時，其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm，(5)最后將制得的復(fù)合粉末熱壓成形為坯錠。
在制造復(fù)合材料過程中，必須達(dá)到兩方面的要求(1)獲得性能要求相應(yīng)的增強(qiáng)體形貌、平均粒度及增強(qiáng)體在基體中的均勻分布；(2)基體與增強(qiáng)體之間形成高結(jié)合強(qiáng)度界面。
研究表明，不規(guī)則形狀的增強(qiáng)體顆粒的尖角處附近基體會產(chǎn)生應(yīng)力集中，該位置通常被認(rèn)為是裂紋源；相反，近球形增強(qiáng)體顆粒的尖角數(shù)量急劇減少，因此顆粒附近基體中產(chǎn)生應(yīng)力集中并出現(xiàn)裂紋的區(qū)域顯著下降，有利于材料力學(xué)性能的提高。增強(qiáng)體顆粒原料有兩種一種是顆粒狀增強(qiáng)體，另一種是晶須狀增強(qiáng)體。本發(fā)明的增強(qiáng)體原料以顆粒狀增強(qiáng)體為佳。
在上述步驟(2)中，將所需量的增強(qiáng)體顆粒和活性金屬元素及鋼球加入到高能球磨機(jī)中，進(jìn)行高能球磨0.5～2小時，又以進(jìn)行高能球磨1～2小時為佳。

圖1和圖2分別示出了作為增強(qiáng)體顆粒的B4C顆粒和經(jīng)高能球磨2小時后的B4C顆粒的形狀，前者為不規(guī)則形狀的顆粒，而后者為近球形顆粒。
所用的鋼球以高碳鋼球?yàn)榧?，其鋼球直徑在?～φ8mm之間。作為增強(qiáng)體原料顆粒與另一種原料鋁基合金粉末的平均粒度之比在很大范圍內(nèi)可任意選擇，增強(qiáng)體顆粒的平均粒度可在0.1μm以上，鋁基合金粉末的平均粒度在10μm以上，尤其以增強(qiáng)體顆粒和鋁基合金粉末的平均粒度之比在0.1～100μm/10～210μm范圍內(nèi)任意選擇。
在制造顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時，首先按照所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分含量10～60％，折算出增強(qiáng)體顆粒的重量百分含量為9.3～68.7％，再按照復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒的重量百分比計(jì)算出所需增強(qiáng)體顆粒的重量和所需另一種原料鋁基合金粉末的重量，按微量活性元素與增強(qiáng)體重量之比在0.01～0.1范圍內(nèi)，計(jì)算出活性金屬元素的所需量。分別選擇任意一種平均粒度在0.1～100μm范圍的增強(qiáng)體顆粒和平均粒度在10～210μm范圍的鋁合金粉末以及活性金屬元素稱重，然后把增強(qiáng)體粉末、活性金屬元素和φ5～φ8mm的高碳鋼球一起加入球磨筒中，抽真空，其真空度以0.1～10Pa為佳，抽真空后充入惰性氣體，所用的惰性氣體以氮?dú)?、氬氣其中的一種氣體為好。所充入的氮?dú)?、氬氣其中的一種氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，球磨筒在15～25℃水的冷卻下，進(jìn)行高能球磨0.5～2小時，以達(dá)到破碎增強(qiáng)體顆粒、改善增強(qiáng)體顆粒形貌和顆粒表面化學(xué)狀況的目的，使增強(qiáng)體顆粒由不規(guī)則形狀變?yōu)榻蛐吻冶砻嬲掣接谢钚越饘僭?、平均粒度合適的B4C、SiC、Al2O3、AlN等增強(qiáng)體粉末以滿足后續(xù)的高能球磨復(fù)合工藝。將原料增強(qiáng)體粉末由不規(guī)則形狀高能球磨為近球形后，加入另一種鋁基合金粉末，抽真空至0.1～10Pa后充入惰性氣體，所用的惰性氣體以氮?dú)?、氬氣其中的一種氣體為好。所充入的氮?dú)?、氬氣其中的一種氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，球磨筒在15～25℃水的冷卻下，進(jìn)行變速高能球磨1～10小時，高能球磨轉(zhuǎn)速先后分為低速、高速兩個階段，低速球磨轉(zhuǎn)速為100～150rpm，時間為10～40min，高速球磨轉(zhuǎn)速為150～300rpm，時間為50～560min。變速高能球磨可實(shí)現(xiàn)在無表面活性劑的情況下避免冷焊的發(fā)生，順利完成球磨復(fù)合過程。球磨復(fù)合結(jié)束后，加入10～50ml的液態(tài)表面活性劑，抽真空到真空度為0.1～10Pa，充入惰性氣體氮?dú)狻鍤馄渲械囊环N，所充入的氮?dú)?、氬氣其中的一種氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，球磨筒在無水冷卻的條件下，在15～80℃范圍內(nèi)高能球磨0.5～2小時，使得復(fù)合粉末破碎后粒度范圍為10～120μm，以滿足后續(xù)粉末成形工藝的要求。最后將上述復(fù)合粉末真空熱壓成坯錠。
復(fù)合粉末破碎過程中添加的表面活性劑的體積為10～50ml，所述的表面活性劑為有機(jī)溶劑，例如汽油、航空汽油、甲醇和已醇中的一種有機(jī)溶劑。在上述步驟(4)中的球磨過程中，其球料比(鋼球重量與增強(qiáng)體和鋁合金粉末總重之比)為10～50∶1。在上述步驟(4)的球磨過程中，其轉(zhuǎn)速為100～300rpm。
增強(qiáng)體顆粒的平均粒度是影響復(fù)合材料綜合性能的一個因素，通常大尺寸顆粒(＞3.5μm)有利于提高復(fù)合材料彈性模量和強(qiáng)度，但塑性急劇下降。相反，小尺寸顆粒(＜3.5μm)以及亞微米顆粒在提高彈性模量和強(qiáng)度的同時，仍可使材料的塑性和韌性保持較高水平，同時，改善了復(fù)合材料的二次加工性能和機(jī)加工性能。本發(fā)明復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒的平均粒度可控制在0.1～1μm范圍內(nèi)。圖3示出了增強(qiáng)體顆粒原料和原料鋁基合金粉經(jīng)球磨6小時的增強(qiáng)體顆粒平均粒度為0.5μm的復(fù)合材料。影響增強(qiáng)體顆粒平均粒度的工藝參數(shù)主要包括鋼球與兩種原料粉末的重量比(球料比)、轉(zhuǎn)速及高能球磨時間。較大的球料比20～50∶1，高轉(zhuǎn)速180～300rpm以及較長的球磨時間4～10小時可獲得性能優(yōu)良的復(fù)合粉末。
上述所有的混合物球磨過程中，球料比可選擇在10～50∶1范圍內(nèi)，又以20～50∶1為好，其中，在步驟(2)中，球料比為鋼球重量與增強(qiáng)體顆粒原料重量比，而在步驟(3)、(4)中，球料比為鋼球重量與增強(qiáng)體顆粒、鋁合金粉末的總原料重量比，具體的球料比值視增強(qiáng)體顆粒的平均粒度和球磨復(fù)合時間要求確定，增強(qiáng)體顆粒的平均粒度越小，則球料比越大；球磨復(fù)合時間越短，則球料比越大。在上述步驟(2)、(4)中的高能球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速可選擇在100～300rpm，又以180～300rpm為佳，上述步驟(3)中的高速球磨轉(zhuǎn)速為150-300rpm，以180-300rpm為佳。同樣具體的轉(zhuǎn)速值視增強(qiáng)體顆粒的平均粒度和球磨復(fù)合時間要求確定，增強(qiáng)體顆粒的平均粒度越小，則轉(zhuǎn)速越大；球磨復(fù)合時間越短，則轉(zhuǎn)速越大。此外，轉(zhuǎn)速須足以保證不出現(xiàn)球磨粘料現(xiàn)象。
在上述步驟(3)的混合物球磨過程中，須采用變速高能球磨，其目的是為了阻止鋁基合金粉末的粘料現(xiàn)象。先采用低速高能球磨使鋁基合金粉末加工硬化，然后采用高速高能球磨使鋁基復(fù)合粉末與增強(qiáng)體顆粒復(fù)合。
復(fù)合粉末破碎過程中，須在表面活性劑中進(jìn)行。添加表面活性劑的目的是為了快速破碎復(fù)合粉末，使其平均粒度達(dá)到后續(xù)粉末成形工藝的要求，即復(fù)合粉末粒度在10～120μm范圍內(nèi)。
增強(qiáng)體顆粒均勻分布于基體是復(fù)合材料制備方法所解決的首要問題。采用機(jī)械混合法對增強(qiáng)體顆粒分布均勻性的影響主要取決于材料組分本身的物理性質(zhì)，而材料組分的物理性質(zhì)差別非常不利于增強(qiáng)體顆粒的均勻分布。相反，高能球磨對增強(qiáng)體顆粒分布均勻性的影響取決于球磨工藝參數(shù)，即球料比、轉(zhuǎn)速及球磨時間等，不僅避開了復(fù)合材料組分物理性質(zhì)差別帶來的不利因素，而且其本身很容易實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒均勻分布于基體。此外，高能球磨法可以實(shí)現(xiàn)亞微米級增強(qiáng)體顆粒的均勻分布。圖4a、圖4b比較了機(jī)械混合和高能球磨法對增強(qiáng)體顆粒分布均勻性的影響，后者(圖4b所示)顆粒分布均勻性明顯優(yōu)于前者(圖4a所示)，而且顆粒粒度越小，均勻性越好。合適的球料比、轉(zhuǎn)速與球磨時間是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒進(jìn)入并均勻分布于基體的保證。
基體與增強(qiáng)體之間界面結(jié)合狀況是影響復(fù)合材料性能的重要因素，形成高結(jié)合強(qiáng)度界面是制備復(fù)合材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于機(jī)械混合粉末冶金工藝而言，鋁合金粉末表面氧化層的存在阻礙了基體與增強(qiáng)體之間的結(jié)合。本發(fā)明采用高能球磨法克服了上述工藝的缺陷，為控制和形成良好的界面奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒以彌散形式均勻分布于鋁合金基體中。高能球磨過程中鋁基合金粉末在鋼球的輾壓、沖擊下發(fā)生形變在球表面產(chǎn)生冷焊層，與此同時，脆性的增強(qiáng)體顆粒被破碎被擠入冷焊層，一定厚度的冷焊層由于不斷的加工硬化又從鋼球表面脫落，接著被破碎冷焊。如此反復(fù)進(jìn)行，細(xì)小的增強(qiáng)體顆粒機(jī)械地被鑲嵌在鋁合金粉末中且彌散分布。圖5示出了復(fù)合粉末內(nèi)部的冷焊條紋，證實(shí)了鋁基合金粉末的變形和冷焊現(xiàn)象的產(chǎn)生以及增強(qiáng)體顆粒粒度減小和逐漸均勻分布的過程。
本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法的優(yōu)點(diǎn)就在于1、本發(fā)明的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒均勻分布于基體中，同時增強(qiáng)體與基體之間形成良好的界面結(jié)合，保證了復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高剛度等優(yōu)異的力學(xué)性能。表1示出了幾種高性能復(fù)合材料的性能。此外，通過改變增強(qiáng)體顆粒的粒度和形貌，為制備優(yōu)良綜合性能的復(fù)合材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2、本發(fā)明的復(fù)合材料的制備方法工藝簡單，球磨時間大大縮短，從而縮短了生產(chǎn)周期。球磨復(fù)合過程中不添加表面活性劑，避免了表面活性劑組分對材料性能的影響，而采用變速高能球磨解決了鋁基合金粉末的嚴(yán)重冷焊問題。復(fù)合粉末球磨破碎過程中，添加少量液態(tài)表面活性劑，在一定溫度范圍內(nèi)，表面活性劑汽化加速了復(fù)合粉末的破碎，并形成粒度合適的復(fù)合粉末。
3、本發(fā)明的制備方法很方便地改善了增強(qiáng)體的形貌、平均粒度和表面化學(xué)狀況以及增強(qiáng)體在基體中分布均勻性，避免了原料組分物理性能差別帶來的不利影響，使得增強(qiáng)體顆粒與基體之間形成高結(jié)合強(qiáng)度的界面，控制了增強(qiáng)體顆粒的平均粒度，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)體顆粒在基體中的均勻分布。
表1高性能復(fù)合材料的性能

其中，材料17vol％B4Cp/6061Al(T6)的制造方法見實(shí)施例1。
材料15vol％SiCp/2024Al(擠壓態(tài))，采用SiC增強(qiáng)體顆粒、2024Al鋁合金。SiC顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為17％。其中所述擠壓態(tài)是指復(fù)合材料擠壓后未經(jīng)任何熱處理后狀態(tài)。材料15vol％SiCp/2024Al(T6)，采用SiC增強(qiáng)體顆粒、2024Al鋁合金。SiC顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為15％。材料35vol％AlNp/6061Al，采用AlN增強(qiáng)體顆粒、6061Al鋁合金。AlN顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為35％。上述各材料均采用本發(fā)明的方法制成。
實(shí)施例1本實(shí)施例的B4Cp/6061Al復(fù)合材料，其B4C顆粒近似呈球形，平均粒度為0.92μm，彌散均勻分布于鋁合金基體中，B4C顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為17％。
其制法為按所設(shè)計(jì)的B4Cp/6061Al復(fù)合材料中的B4C顆粒的體積百分?jǐn)?shù)17％折算出B4C顆粒的重量百分?jǐn)?shù)為18.1％，稱取平均粒度為25μm的B4C粉末543克和φ6mm的高碳鋼球50公斤，按照活性金屬元素重量是B4C顆粒的0.03倍，稱取16.9克Mg粉末，把B4C粉末、Mg粉末和鋼球一起加入球磨筒，封好裝料口，抽真空至5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)?，所充入的氮?dú)鈮毫?.02×105Pa，其球磨筒在20℃水的冷卻下進(jìn)行高能球磨，轉(zhuǎn)速為175rpm，高能球磨0.5小時后停止。然后加入平均粒度為105μm的6061Al粉2457克，抽真空至5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)?，所充入的氮?dú)鈮毫?.02×105Pa，其球磨筒在20℃水的冷卻下進(jìn)行高能球磨，轉(zhuǎn)速先為125rpm，球磨時間0.5小時；然后轉(zhuǎn)速增加到192rpm，球磨4小時后加入20ml的甲醇有機(jī)溶劑，抽真空到真空度為5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)猓淙氲牡獨(dú)獾膲毫?.02×105Pa，球磨筒在無水冷卻的條件下，在15～80℃范圍內(nèi)高能球磨0.5小時，轉(zhuǎn)速為125rpm。球磨結(jié)束后出粉。復(fù)合粉末平均粒度為70.6μm，復(fù)合粉末中B4C顆粒均勻分布，平均粒度為0.92μm。最后將上述復(fù)合粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度為560℃，壓力為200MPa，保溫保壓時間為2小時，真空度為2×10-2Pa。該復(fù)合材料的性能見表1。
實(shí)施例2本實(shí)施例的SiCp/6061Al復(fù)合材料，其SiC顆粒近似呈球形，平均粒度為0.57μm，彌散均勻分布于鋁合金基體中，SiC顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為35％。
其制法為按所設(shè)計(jì)的SiCp/6061Al復(fù)合材料中的SiC顆粒的體積百分?jǐn)?shù)35％折算出SiC顆粒的重量百分?jǐn)?shù)為31.2％，稱取平均粒度為3.5μm的SiC粉末1248克和φ6mm的高碳鋼球40公斤，按照活性金屬元素重量是SiC顆粒的0.02倍，稱取25克純Al粉末，把SiC粉末、Al粉末和鋼球一起加入球磨筒，封好裝料口，抽真空至5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)?，所充入的氮?dú)鈮毫?.02×105Pa，其球磨筒在20℃水的冷卻下進(jìn)行高能球磨，轉(zhuǎn)速為150rpm，高能球磨0.5小時后停止。然后加入平均粒度為105μm的6061Al粉2752克，抽真空至5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)?，所充入的氮?dú)鈮毫?.02×105Pa，其球磨筒在20℃水的冷卻下進(jìn)行高能球磨，轉(zhuǎn)速先為125rpm，球磨時間0.5小時；然后轉(zhuǎn)速增加到192rpm，球磨6小時后加入10ml的甲醇有機(jī)溶劑，抽真空到真空度為5×10-1Pa，充入惰性氣體氮?dú)?，所充入的氮?dú)獾膲毫?.02×105Pa，球磨筒在無水冷卻的條件下，在15～80℃范圍內(nèi)高能球磨0.5小時，轉(zhuǎn)速為125rpm。球磨結(jié)束后出粉。復(fù)合粉末平均粒度為45.6μm，復(fù)合粉末中SiC顆粒均勻分布，平均粒度為0.57μm。最后將上述復(fù)合粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度為580℃，壓力為200MPa，保溫保壓時間為3小時，真空度為2×10-2Pa。
權(quán)利要求
1.一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由增強(qiáng)體顆粒和鋁合金組成，其特征是，(1)增強(qiáng)體顆粒近似呈球形，彌散均勻分布于鋁合金基體中，并與基體形成良好的界面結(jié)合，(2)增強(qiáng)體顆粒的平均粒度為0.1～1μm，(3)增強(qiáng)體顆粒的體積百分比為10～60％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征是，所述的增強(qiáng)體顆粒為B4C、SiC、Al2O3、和AlN中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征是，所述的鋁合金為鍛鋁、硬鋁、超硬鋁、耐熱鋁合金以及鋁-鋰合金中的任意一種。
4.一種制造權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，該方法包括下述步驟(1)按所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料中增強(qiáng)體體積百分含量10～60％，折算出所需增強(qiáng)體顆粒的重量百分含量為9.3～68.7％，按復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒的重量百分含量計(jì)算出所需增強(qiáng)體顆粒的重量和所需另一種原料鋁基合金粉末的重量，(2)將所需量的增強(qiáng)體顆粒原料、微量活性金屬元素和鋼球加入到高能球磨機(jī)的球磨筒中，進(jìn)行高能球磨0.5～2小時，其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm，(3)隨后加入另一種原料鋁基合金粉末進(jìn)行高能球磨1～10小時，其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速分為先低速再高速兩個階段，低速球磨轉(zhuǎn)速為100-150rpm，時間為10-40min，高速球磨轉(zhuǎn)速為150-300rpm、時間為50-560min，(4)然后再加入液態(tài)表面活性劑，在15～80℃范圍內(nèi)球磨0.5～2小時，其中，球料重量比為10-50∶1，高能球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm，(5)最后將制得的復(fù)合粉末熱壓成形為坯錠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的增強(qiáng)體原料的顆粒為B4C、SiC、Al2O3及AlN中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的鋁合金為鍛鋁、硬鋁、超硬鋁、耐熱鋁合金以及鋁-鋰合金中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的增強(qiáng)體顆粒與鋁基合金粉末的平均粒度之比在0.1～100μm/10～210μm范圍內(nèi)任意選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的微量活性金屬元素為鎂元素、鋁元素及鈦元素中的任意一種，
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的微量活性金屬元素的添加量與增強(qiáng)體顆粒重量之比在0.01～0.1范圍內(nèi)任意選擇。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(2)中，所述鋼球?yàn)棣?mm～φ8mm的高碳鋼球，所述高能球磨機(jī)的球磨筒在球磨時，先抽真空到真空度為0.1～10Pa，再充入惰性氣體氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N，所充入的氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，且球磨時球磨筒在15～25℃水的冷卻下，進(jìn)行高能球磨。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(3)中，在進(jìn)行球磨時，先抽真空到真空度為0.1～10Pa，再充入惰性氣體氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N，所充入的氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，球磨筒在15～25℃水的冷卻下，進(jìn)行高能球磨。
12.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(4)中，所加入的液態(tài)表面活性劑的加入量為10-50ml，在進(jìn)行球磨時，先抽真空到真空度為0.1～10Pa，再充入惰性氣體氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N，所充入的氮?dú)夂蜌鍤庵械囊环N氣體的壓力為1.01×105Pa～1.1×105Pa，球磨筒在無水冷卻的條件下，進(jìn)行高能球磨。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(4)中，高能球磨后的復(fù)合粉末的粒度范圍為10～120μm。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(4)中，所加入的表面活性劑為汽油、航空汽油、甲醇和已醇中的一種有機(jī)溶劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求4的一種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是，在上述步驟(5)中，復(fù)合粉末熱壓采取真空熱壓的方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制法。本發(fā)明的復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒近似呈球形,平均粒度為0.1～1μm,體積百分比為10～60%,增強(qiáng)體與基體之間形成良好的界面結(jié)合且均勻分布。其制法為將增強(qiáng)體粉末與微量活性金屬元素加入到球磨筒中進(jìn)行高能球磨后,再加入鋁基合金粉末進(jìn)行變速高能球磨,最后,再加入微量液態(tài)表面活性劑在15～80℃范圍內(nèi)球磨,球磨結(jié)束后制得的復(fù)合粉末經(jīng)熱壓成形獲得坯錠,坯錠經(jīng)過擠壓、軋制、模鍛等熱加工后,可應(yīng)用于航空航天、汽車、電子以及體育等領(lǐng)域。本產(chǎn)品性能優(yōu)異、易切削、質(zhì)量穩(wěn)定。其制法簡單,避開了原料組份物理性能差別帶來的不利因素。
文檔編號C22C1/10GK1422970SQ0114042
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月6日
發(fā)明者樊建中, 張奎, 左濤, 劉志國, 徐駿 申請人:北京有色金屬研究總院