本發(fā)明屬于鋁基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高和耐磨性好等優(yōu)異性能，在航空航天、汽車(chē)和電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通常情況下，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體為陶瓷顆粒。雖然陶瓷增強(qiáng)體可以有效地提高基體的強(qiáng)度，但是陶瓷顆粒與基體鋁金屬間的熱膨脹系數(shù)差異大、潤(rùn)濕性差、可能發(fā)生界面反應(yīng)等因素，致使陶瓷顆粒與鋁金屬基體的界面結(jié)合強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致材料在界面結(jié)合處產(chǎn)生裂紋，惡化材料的塑性，影響復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性，從而限制了鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用。因此，發(fā)展合適的新型增強(qiáng)相材料與制備方法是獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的關(guān)鍵。

金屬玻璃顆粒具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量等優(yōu)異的性能，同時(shí)金屬玻璃以金屬元素為主要組元，具有與鋁金屬相近的熱膨脹系數(shù)，可以與鋁金屬基體獲得良好的界面結(jié)合。為了改善顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)合問(wèn)題，人們發(fā)展了多種金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。目前，已開(kāi)發(fā)出的金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料包括鐵基金屬玻璃顆粒、鋯基金屬玻璃顆粒、鋁基金屬玻璃顆粒和鎂基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。但是鐵基金屬玻璃顆粒和鋯基金屬玻璃顆粒密度較大，減弱了鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度高和比剛度高的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)；鋁基金屬玻璃顆粒和鎂基金屬玻璃顆粒不僅強(qiáng)度較低，而且晶化溫度較低，通常低于300℃，導(dǎo)致制備溫度必須低于300℃，從而限制了材料的制備工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由體積分?jǐn)?shù)為5％～20％的鈦基金屬玻璃顆粒與80％～95％的鋁合金制備而成。

所述的鈦基金屬玻璃顆粒優(yōu)選ti–ni–cu系非晶態(tài)合金，粒度為≤50μm。

優(yōu)選地，所述鈦基金屬玻璃顆粒成分為ti50cu20ni20al10，其在行星式球磨機(jī)上機(jī)械合金化制備得到，機(jī)械合金化條件為：球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間為10～50h。

所述的鋁合金優(yōu)選7xxx系鋁合金中的一種。

上述鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為5％～20％的鈦基金屬玻璃顆粒和80％～95％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉1～50h得到混合物料；

(2)將步驟(1)的混合物料在室溫下放進(jìn)冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料；

(3)將步驟(2)得到的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，然后放到熱擠壓設(shè)備中，預(yù)熱坯料至350～450℃，預(yù)熱模具至300～450℃，然后在擠壓壓力為75～150mpa，擠壓時(shí)間為30s～5min，擠壓比為8～15的條件下熱擠壓成型，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本發(fā)明制備方法的原理為：利用金屬玻璃顆粒在過(guò)冷液相區(qū)間內(nèi)具有超塑性以及黏度顯著下降的特點(diǎn)，有助于金屬玻璃顆粒與鋁金屬的冶金結(jié)合和材料的致密化。本發(fā)明中鋁基復(fù)合材料的熱擠壓溫度控制在鈦基金屬玻璃顆粒的過(guò)冷液相區(qū)間，獲得高致密度的金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本發(fā)明的制備方法及所得復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

(1)本發(fā)明采用鈦基金屬玻璃顆粒為增強(qiáng)相材料，具有高強(qiáng)度、高比強(qiáng)度、高硬度和高彈性模量的優(yōu)點(diǎn)；鈦基金屬玻璃顆粒的晶化溫度高，可以避免在制備過(guò)程中發(fā)生晶化變性；鈦基金屬玻璃顆粒具有與基體鋁金屬相近的熱膨脹系數(shù)，可以獲得比傳統(tǒng)陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料更加牢固的界面結(jié)合；

(2)本發(fā)明的熱擠壓溫度控制在鈦基金屬玻璃顆粒的過(guò)冷液相區(qū)間，可以獲得高致密度的復(fù)合材料；

(3)本發(fā)明采用熱擠壓工藝，具有工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投入低，快速實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料致密化等諸多優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡圖；

圖2為實(shí)施例2制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡圖；

圖3為實(shí)施例3制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡圖；

圖4為實(shí)施例1～3制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；

圖5為實(shí)施例4～5制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為5％的鈦基金屬玻璃顆粒和95％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉24h得到混合物料。本實(shí)施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機(jī)械合金化工藝制備，機(jī)械合金化在行星式球磨機(jī)上室溫下進(jìn)行，球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進(jìn)快速油壓機(jī)的冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料。

(3)將制備的復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，再放進(jìn)電阻爐中預(yù)熱至400℃，然后放到熱擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓成型。模具預(yù)熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時(shí)間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長(zhǎng)度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料的sem顯微照片如圖1所示，從圖中可以看出：鋁基復(fù)合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒均勻分布在7075al基體中，沒(méi)有出現(xiàn)增強(qiáng)體團(tuán)聚現(xiàn)象，界面結(jié)合沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，結(jié)果顯示所得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為460mpa和25％。

實(shí)施例2

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為11％的鈦基金屬玻璃顆粒和89％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉24h得到混合物料。本實(shí)施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機(jī)械合金化工藝制備，機(jī)械合金化在行星式球磨機(jī)上室溫下進(jìn)行，球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進(jìn)快速油壓機(jī)的冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料。

(3)將制備的復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，再放進(jìn)電阻爐中預(yù)熱至400℃，然后放到熱擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓成型。模具預(yù)熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時(shí)間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長(zhǎng)度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料的sem顯微照片如圖2所示，從圖中可以看出：鋁基復(fù)合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒較為均勻分布在7075al基體中，沒(méi)有出現(xiàn)增強(qiáng)體團(tuán)聚現(xiàn)象，界面結(jié)合沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，結(jié)果顯示所得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為530mpa和20％。

實(shí)施例3

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為20％的鈦基金屬玻璃顆粒和80％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉24h得到混合物料。本實(shí)施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機(jī)械合金化工藝制備，機(jī)械合金化在行星式球磨機(jī)上室溫下進(jìn)行，球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進(jìn)快速油壓機(jī)的冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料。

(3)將制備的復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，再放進(jìn)電阻爐中預(yù)熱至400℃，然后放到熱擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓成型。模具預(yù)熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時(shí)間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長(zhǎng)度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料的sem顯微照片如圖3所示，從圖中可以看出：鋁基復(fù)合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒均勻分布在7075al基體中，沒(méi)有出現(xiàn)增強(qiáng)體團(tuán)聚現(xiàn)象，界面結(jié)合沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，結(jié)果顯示所得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為720mpa和8.5％。

實(shí)施例4

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為8％的鈦基金屬玻璃顆粒和92％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉24h得到混合物料。本實(shí)施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機(jī)械合金化工藝制備，機(jī)械合金化在行星式球磨機(jī)上室溫下進(jìn)行，球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間分別為30h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(≤38μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進(jìn)快速油壓機(jī)的冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料。

(3)將制備的復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，再放進(jìn)電阻爐中預(yù)熱至400℃，然后放到熱擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓成型。模具預(yù)熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時(shí)間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長(zhǎng)度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，結(jié)果顯示所得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為843mpa和6.75％。

實(shí)施例5

(1)混粉：將體積分?jǐn)?shù)為8％的鈦基金屬玻璃顆粒和92％的鋁合金粉末裝進(jìn)球磨罐中，在球磨機(jī)上混粉24h得到混合物料。本實(shí)施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機(jī)械合金化工藝制備，機(jī)械合金化在行星式球磨機(jī)上室溫下進(jìn)行，球料比為10:1，球磨轉(zhuǎn)速為245rpm，球磨時(shí)間分別為50h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(≤38μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進(jìn)快速油壓機(jī)的冷壓模具中進(jìn)行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料坯料。

(3)將制備的復(fù)合材料坯料放進(jìn)鋁包套內(nèi)，再放進(jìn)電阻爐中預(yù)熱至400℃，然后放到熱擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓成型。模具預(yù)熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時(shí)間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長(zhǎng)度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，結(jié)果顯示所得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為1011mpa和2.76％。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。