一種B₄C/Al復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】一種B4C/Al復(fù)合材料的制備方法，涉及一種復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的B4C/Al復(fù)合材料的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)范圍窄，復(fù)合材料的力學(xué)性能差的問(wèn)題。方法：一、稱料：稱取B4C粉末和含鋁材料；二、混料：將B4C粉末和含鋁材料放入球磨罐中，得到混合粉末；三、干燥：將混好的粉末取出放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥；四、制備：將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具燒結(jié)，隨爐冷卻，即得到B4C/Al復(fù)合材料。該方法制備的復(fù)合材料的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)能在很大范圍內(nèi)變化，制備時(shí)間能夠大幅縮減，使復(fù)合材料制備效率大幅提高，力學(xué)性能優(yōu)異。本發(fā)明用于鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種B4C/AI復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁基復(fù)合材料的研究開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)50年代。近20年來(lái)，在理論上和技術(shù)上都取得了較大的成就。作為密度最小的常用陶瓷材料，碳化硼有望使復(fù)合材料的比模量和比強(qiáng)度比有大幅提高。目前對(duì)于B4C/A1復(fù)合材料主要的制備工藝主要有粉末冶金法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、噴射沉積法等。這些方法各有優(yōu)勢(shì)，但是通過(guò)上述方法制備的B4C/A1復(fù)合材料有如下不足:I)制備過(guò)程較長(zhǎng)、成本較高、耗能較大；2)傳統(tǒng)方法制備的B4C/A1復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)受到嚴(yán)格限制，一般是制備體積分?jǐn)?shù)較低的復(fù)合材料。上述缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙B4C/AI復(fù)合材料的大規(guī)模制備和應(yīng)用。所以，找到一種的更加快捷、高效制備B4C/AI復(fù)合材料的方法，顯得尤為重要。
[0003]現(xiàn)有工藝方法制備的B4C/A1復(fù)合材料的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)范圍窄，復(fù)合材料的力學(xué)性能差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的B4C/A1復(fù)合材料的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)范圍窄，復(fù)合材料的力學(xué)性能差的問(wèn)題，提供一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0006]一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取10 % -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含鋁材料;所述B4C粉末的粒徑為1-30μπι，所述含鋁材料為鋁粉或鋁合金粉；
[0007]二、混料:將B4C粉末和含鋁材料放入球磨罐中，利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末;球料比為(3-5):1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200-500r/min，球磨時(shí)間為1-5小時(shí)；
[0008]三、干燥:將混好的粉末取出放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒溫，干燥時(shí)間為24-48小時(shí)；
[0009]四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié);燒結(jié)前爐內(nèi)抽真空至2Pa，施加軸向壓力為40-50MPa，以100°C/min升溫至440-600°C并保溫5min，然后隨爐冷卻，即得到B4C/A1復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
[0011 ]本發(fā)明選用SPS方法制備B4C/A1復(fù)合材料，為制備B4C/A1復(fù)合材料找到了嶄新的方法，能制備組織均勻的B4C/A1復(fù)合材料。
[0012]1、本發(fā)明方法制備的B 4 C / AI復(fù)合材料的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)能在很大范圍內(nèi)變化(10%-85%)，可有多種選擇。
[0013]2、本發(fā)明方法的制備時(shí)間能夠大幅縮減，在數(shù)十分鐘內(nèi)即可完成B4C/A1復(fù)合材料的燒結(jié)，使B4C/Al復(fù)合材料制備效率大幅提尚。
[0014]3、本發(fā)明制備出的B4C/A1復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。所制備的B4C/2024A1復(fù)合材料經(jīng)過(guò)T6處理后其最高彎曲強(qiáng)度超過(guò)了 11OOMPa。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為試驗(yàn)一制備的B4C/2024Α1復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲斷口形貌；
[0016]圖2為試驗(yàn)二制備的B4C/2024A1復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲斷口形貌；
[0017]圖3為試驗(yàn)三制備的B4C/1060Α1復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲斷口形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0019]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0020 ] 一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取1 % -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含鋁材料；
[0021 ] 二、混料:將B4C粉末和含鋁材料放入球磨罐中，利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末；
[0022]三、干燥:將混好的粉末取出放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒溫，干燥時(shí)間為24-48小時(shí)；
[0023]四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié);施加軸向壓力為40-50MPa，以100°C/min升溫至440-600°C并保溫5min，然后隨爐冷卻，即得到B4C/A1復(fù)合材料。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一所述B4C粉末的粒徑為1-30μπι。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一所述含鋁材料為招粉或招合金粉;其中招合金為Ixxx系招合金、2χχχ系招合金、3χχχ系招合金、4χχχ系招合金、5χχχ系招合金、6χχχ系招合金或7χχχ系招合金。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取10%的B4C粉末和90%的含招材料。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取85%的B4C粉末和15%的含鋁材料。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取45%的B4C粉末和55%的含鋁材料。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取55%的B4C粉末和45%的含鋁材料。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟二中球磨的球料比為(3-5):1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200-500r/min，球磨時(shí)間為1-5小時(shí)。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟二中球磨的球料比為4:1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300-400r/min，球磨時(shí)間為2-3小時(shí)。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是:步驟四中施加軸向壓力為45MPa。其它與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】十一:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至十之一不同的是:步驟四中以100°C/min升溫至480?500°C。其它與【具體實(shí)施方式】一至十之一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】十二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至十之一不同的是:步驟四中以100°C/min升溫至540°C。其它與【具體實(shí)施方式】一至十之一相同。
[0035]為驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果進(jìn)行以下試驗(yàn):
[0036]試驗(yàn)一:體積分?jǐn)?shù)為10%的B4C/2024A1復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0037]一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取10 %的B4C粉末和90 %的2024A1粉末，B4C粉末的粒徑為
4.5μηι ο
[0038]二、混料:將稱好的料放入球磨罐中利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末;球料比為3:1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為2.5小時(shí)。
[0039]三、干燥:將混好的粉末取出放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒溫，干燥時(shí)間36小時(shí)。
[0040]四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)前爐內(nèi)真空至2Pa，對(duì)粉末施加軸向壓力為40MPa、以100 0C /min升溫至440 °C并保溫5min，制備好的復(fù)合材料隨爐冷卻后取出。
[0041]對(duì)本試驗(yàn)制備的體積分?jǐn)?shù)為10%的B4C/2024A1復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，所制備的B4C/2024A1復(fù)合材料經(jīng)過(guò)T6處理后其彎曲強(qiáng)度達(dá)到了 1060MPa。圖1為其彎曲斷口形貌的SEM照片，從可以看出，復(fù)合材料燒結(jié)致密，B4C顆粒分布均勻，可以看到斷口存在大量撕裂棱，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。
[0042]試驗(yàn)二:體積分?jǐn)?shù)為45%的B4C/2024A1復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0043]一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取85%的B4C粉末和15%的2024A1粉末，B4C粉末的粒徑為4.5μπι0
[0044]二、混料:將稱好的料放入球磨罐中利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末。球料比為4:1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為2.5小時(shí)。
[0045]三、干燥:將混好的粉末取出，將粉末放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒溫，干燥時(shí)間48小時(shí)。
[0046]四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)前爐內(nèi)真空至2Pa，對(duì)粉末施加軸向壓力為45MPa、以100 0C /min升溫至580 °C并保溫5min，制備好的復(fù)合材料隨爐冷卻后取出。
[0047]對(duì)本試驗(yàn)制備的體積分?jǐn)?shù)為45%的B4C/2024A1復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，所制備的B4C/2024A1復(fù)合材料經(jīng)過(guò)T6處理后其彎曲強(qiáng)度達(dá)到了 940MPa。圖2為其彎曲斷口形貌的SEM照片，從可以看出，復(fù)合材料燒結(jié)致密，B4C顆粒分布均勻，可以看到斷口存在大量撕裂棱，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。
[0048]試驗(yàn)三:體積分?jǐn)?shù)為85%的B4C/1060A1復(fù)合材料的制備方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0049]一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取85%的B4C粉末和15%的1060A1粉末，B4C粉末的粒徑為
17.5μπι0
[0050]二、混料:將稱好的料放入球磨罐中利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末。球料比為5:1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為2.5小時(shí)。
[0051]三、干燥:將混好的粉末取出，將粉末放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持30 0C恒溫，干燥時(shí)間24-48小時(shí)。
[0052]四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)前爐內(nèi)真空至2Pa，對(duì)粉末施加軸向壓力為50MPa、以100 0C /min升溫至600 °C并保溫5min，制備好的復(fù)合材料隨爐冷卻后取出。
[0053]對(duì)本試驗(yàn)制備的體積分?jǐn)?shù)為85%的B4C/1060A1復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，所制備的B4C/1060A1復(fù)合材料經(jīng)過(guò)T6處理后其彎曲強(qiáng)度達(dá)到了 380MPa。圖3為其彎曲斷口形貌，從中可以看出，斷裂方式為脆性斷裂。得到了用傳統(tǒng)方法很難制得的高體積分?jǐn)?shù)B4C/1060A1復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行: 一、稱料:按體積分?jǐn)?shù)稱取1% -85 %的B4C粉末和15 % -90 %的含鋁材料； 二、混料:將B4C粉末和含鋁材料放入球磨罐中，利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉，得到混合粉末； 三、干燥:將混好的粉末取出放入托盤(pán)中，置于干燥箱中進(jìn)行充分干燥，干燥箱保持300C恒溫，干燥時(shí)間為24-48小時(shí)； 四、制備:將干燥好的混合粉末從干燥箱中取出，放入石墨模具中，隨后將模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié);施加軸向壓力為40-50MPa，以100 °C /min升溫至440-600 °C并保溫5min，然后隨爐冷卻，即得到B4C/A1復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述B4C粉末的粒徑為1_30μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述含鋁材料為招粉或招合金粉;其中招合金為Ixxx系招合金、2xxx系招合金、3xxx系招合金、4xxx系招合金、5xxx系招合金、6xxx系招合金或7xxx系招合金。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取45 %的B4C粉末和55 %的含鋁材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中按體積分?jǐn)?shù)稱取55 %的B4C粉末和45 %的含鋁材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中球磨的球料比為(3-5):1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200-500r/min，球磨時(shí)間為1-5小時(shí)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中球磨的球料比為4:1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300-400r/min，球磨時(shí)間為2-3小時(shí)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中施加軸向壓力為45MPa。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中以100°C/min升溫至480?500 °C。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種B4C/A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中以100°C/min升溫至540°C。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK105861904SQ201610480043
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】張強(qiáng), 張福陽(yáng), 姜龍濤, 陳國(guó)欽, 修子揚(yáng), 武高輝
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)