制备层状铝基复合材料的方法技术

一种流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法。一种层状复合材料的制备方法。本发明专利技术为解决现有层状铝基复合材料制备过程中厚度控制方法复杂、厚度控制不准确、工艺复杂成本高、界面结合性能弱以及复合材料制备过程中预制体易坍塌的问题。一、称料；二、SiC浆料制备；三、SiC粉末生片流延成型；四、SiC粉末生片之间放置铝金属箔，冷压处理，得到层状预制体；五、去脂处理及模具预热；六、液态铝浸渗；本发明专利技术制备的层状复合材料，厚度控制方法简单，厚度准确、工艺简单，原材料成本低；因此复合材料工艺成本低；能保证了复合材料层状结构的完整性，界面结合优异；本发明专利技术适用于层状铝基复合材料的制备。

A method for the preparation of layered aluminum matrix composites by the method of casting, foils and pressure impregnation

A method for the preparation of layered aluminum matrix composites by the method of casting, foils and pressure impregnation. A preparation method of a layered composite material. The invention aims at solving the problems of complex thickness control method, inaccurate thickness control, complex process cost, weak interface binding property and easy collapse of composite materials during the preparation process of existing laminated aluminum matrix composites. One, two, said the material; SiC slurry preparation; three, SiC powder sheet casting; four, SiC powder sheet placed between the aluminum foil, cold pressing process, obtained layered preform; five, degreasing treatment and mold preheating; six, liquid aluminum infiltration; the preparation method of the layered composite the material, the thickness of the control method is simple, accurate, the thickness has the advantages of simple process, low cost of raw materials; the composite technology with low cost; to ensure the integrity of the layered structure of composite materials, with excellent interface; the invention is suitable for layered aluminum matrix composites preparation.

【技术实现步骤摘要】
流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法
本专利技术涉及一种层状复合材料的制备方法。
技术介绍
非均匀复合材料由于具有更高的耐损伤容限能力和良好强韧匹配，有望突破现有金属基复合材料的性能极限，因此近年来得到了广泛研究，其中以仿贝壳结构的层状金属基复合材料研究得最为深入。目前制备层状结构金属基复合材料的方法主要有粉末铺层法和轧制法等。粉末铺层法首先按照设定的配比，将陶瓷粉末与金属粉末混合，然后再按照成分配比进行铺设以及烧结。铝粉的价格是铝合金块体价格的10倍以上，因此复合材料原材料成本高；同时由于粉末直径通常在10μm，因此采用铝合金与陶瓷颗粒的复合粉末进行铺层时，难以铺设出厚度小于100μm的复合材料层，复合材料层状结构调节范围窄；另外粉末铺层法主要是在铝合金熔点以下进行复合材料的烧结制备，因此陶瓷颗粒与铝基体之间未形成有效的原子键合，结合机制主要为机械结合，界面结合性能较弱，所以采用粉末铺层法存在原材料成本高、层厚调控范围窄、界面结合性能弱等问题。轧制法是将复合材料层与金属材料层叠加后，再采用轧制变形的方式将厚层变为薄层。由于复合材料层强度较高、塑性较差，因此这种方法中复合材料层原始厚度通常为1mm以上，通过多次累积轧制，可以获得最小厚度约为20μm的复合材料层。因此轧制法可以在较宽范围内调节复合材料层状结构的厚度；同时通过大变形处理，可以有效地提高复合材料中陶瓷相与铝金属基体的界面结合能力，界面结合强度高。但是由于复合材料层变形能力较差，单次变形下压量通常低于50％，因此为获得较薄的复合材料层，需要加热到400℃～500℃经过5～10次累积轧制变形处理，因此复合材料工艺复杂、工艺成本极高；同时在轧制过程中边缘部分易开裂，因此最终获得的质量较好的层状复合材料板的重量约为原始重量的40％～60％，复合材料工艺过程中损耗较大。流延成型法中层状预制体在金属基复合材料成型前易在外界压力在浸渗过程中坍塌，从而破坏层状结构特征；因此，目前制备层状复合材料的制备工艺中存在厚度控制方法复杂、厚度控制不准确、工艺复杂成本高、层状复合材料界面结合性能弱以及复合材料制备过程中预制体易坍塌的问题，不利于工业生产。
技术实现思路
本专利技术为解决现有层状铝基复合材料制备过程中厚度控制方法复杂、厚度控制不准确、层状复合材料界面结合性能弱以及复合材料制备过程中预制体易坍塌的问题，提出了一种流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法。本专利技术流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法具体按以下步骤进行：一、称料：按质量份数分别称取5～35份的SiC粉末、20～50份的溶剂、0.01～0.5份的分散剂、5～20份的增塑剂、4.5～69.9份的粘结剂和65～95份的铝金属作为原料；所述SiC粉末的纯度大于97％，平均粒径为0.3～50μm；所述SiC粉末为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合；所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5～1):1的混合物；无水乙醇纯度>97％，正丁醇纯度≥99.5％；所述分散剂为鱼油；具体为液态鲱鱼鱼油，纯度>99％；所述增塑剂为磷酸三丁酯，纯度≥99％；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末，粒度为20～200目；所述铝金属为纯铝或铝合金块体；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Be合金、Al-Li合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或几种的混合物；所述Al-Si合金中Si的质量分数为0.5％～25％；所述Al-Cu合金中Cu的质量分数为0.5％～53％；所述Al-Mg合金中Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Be合金中Be的质量分数为0.5％～20％；Al-Li合金中Li的质量分数为0.5％～35％；Al-Si-Cu-Mg合金Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；二、SiC浆料制备：将步骤一称取的SiC粉末、溶剂和分散剂混合得到混合浆料，对混合浆料进行超声分散，然后将超声波分散后的混合浆料置于球磨机中，向球磨机中加入直径为5mm～30mm的氧化铝球并进行首次球磨，然后向球磨机内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂并进行二次球磨，得到SiC浆料；所述进行超声分散时的超声波功率为200～400W，超声分散时间为1～10min；所述进行首次球磨时球磨转速为10～500r/min，球磨时间为2～48h；进行二次球磨时球磨转速为10～500r/min，球磨时间为24～96h；其中，超声分散的目的是使SiC粉末在浆料中均匀分散；三、SiC粉末生片流延成型：将步骤二得到的SiC浆料置于低压环境中静置1～5min，然后进行流延成型得到生坯；将生坯在室温下空气干燥3～24h，得到厚度为0.1～2.5mm的层状SiC粉末生片；所述流延成型过程中基带采用聚丙烯材质，刮刀高度设置0.2～3mm，基带的行进速度为0.1～10mm/s；所述低压环境的气压低于标准大气压，具体为1×10-1～1×105Pa；其中，将生坯在室温下空气干燥3～24h的目的是使生坯中的熔剂挥发去除；将SiC浆料置于低压环境中静置1～5min目的是进行除气处理，以去除球磨过程中引入浆料的气泡；四、层叠预制体制备：将步骤三所得的SiC粉末生片叠放，在相邻的SiC粉末生片之间放置1～5层铝金属箔得到层叠块体，将层叠块体装入模具中进行冷压处理，得到层状预制体；所述铝金属箔的材质与步骤一种铝金属的材质相同；单层铝金属箔的厚度为20μm～50μm；所述冷压处理的工艺为：以0.1～3mm/min的加压速度加压至0.02～0.4MPa并保压10～60min；其中，在改变相邻的SiC粉末生片之间放置的铝金属箔的层数实现(SiCp/Al)-Al层状复合材料中铝金属层的厚度精确调节；五、去脂处理及模具预热：将步骤四所得的层状预制体与模具一起放入加热炉内，在保护气氛下，将层状预制体加热到470℃～Tm并保温2～10h，得到预热的层状预制体；同时在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；所述保护气氛为氮气、氩气或氦气；所述Tm为铝金属箔的熔点；其中将层状预制体加热到470℃～Tm并保温2～10h的目的是使SiC粉末生片中的有机物如鱼油、粘结剂和增塑剂等分解挥发；六、液态铝浸渗：将步骤五得到的装有预热的层状预制体的模具置于压力机台面上，将步骤五得到的熔融的铝金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法，其特征在于：该方法具体按以下步骤进行：一、称料：按质量份数分别称取5～35份的SiC粉末、20～50份的溶剂、0.01～0.5份的分散剂、5～20份的增塑剂、4.5～69.9份的粘结剂和65～95份的铝金属作为原料；所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5～1):1的混合物；所述分散剂为鱼油；所述增塑剂为磷酸三丁酯；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末；二、SiC浆料制备：将步骤一称取的SiC粉末、溶剂和分散剂混合得到混合浆料，对混合浆料进行超声分散，然后将超声波分散后的混合浆料置于球磨机中，向球磨机中加入直径为5mm～30mm的氧化铝球并进行首次球磨，然后向球磨机内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂并进行二次球磨，得到SiC浆料；三、SiC粉末生片流延成型：将步骤二得到的SiC浆料置于低压环境中静置1～5min，然后进行流延成型得到生坯；将生坯在室温下空气干燥3～24h，得到厚度为0.1～2.5mm的层状SiC粉末生片；四、层叠预制体制备：将步骤三所得的SiC粉末生片叠放，在相邻的SiC粉末生片之间放置1～5层铝金属箔得到层叠块体，将层叠块体装入模具中进行冷压处理，得到层状预制体；所述铝金属箔的材质与步骤一种铝金属的材质相同；所述单层铝金属箔的厚度为20μm～50μm；五、去脂处理及模具预热：将步骤四所得的层状预制体与模具一起放入加热炉内，在保护气氛下，将层状预制体加热到470℃～Tm并保温2～10h，得到预热的层状预制体；同时在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；所述Tm为铝金属箔的熔点；六、液态铝浸渗：将步骤五得到的装有预热的层状预制体的模具置于压力机台面上，将步骤五得到的熔融的铝金属浇筑在预热的层状预制体的上表面，然后进行压力浸渗处理，当熔融的铝金属完全浸渗到预热的层状预制体中后，以20～40℃/min的速度冷却，最后脱模，得到(SiCp/Al)‑Al层状复合材料铸锭，即完成。...

【技术特征摘要】
1.一种流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法，其特征在于：该方法具体按以下步骤进行：一、称料：按质量份数分别称取5～35份的SiC粉末、20～50份的溶剂、0.01～0.5份的分散剂、5～20份的增塑剂、4.5～69.9份的粘结剂和65～95份的铝金属作为原料；所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5～1):1的混合物；所述分散剂为鱼油；所述增塑剂为磷酸三丁酯；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末；二、SiC浆料制备：将步骤一称取的SiC粉末、溶剂和分散剂混合得到混合浆料，对混合浆料进行超声分散，然后将超声波分散后的混合浆料置于球磨机中，向球磨机中加入直径为5mm～30mm的氧化铝球并进行首次球磨，然后向球磨机内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂并进行二次球磨，得到SiC浆料；三、SiC粉末生片流延成型：将步骤二得到的SiC浆料置于低压环境中静置1～5min，然后进行流延成型得到生坯；将生坯在室温下空气干燥3～24h，得到厚度为0.1～2.5mm的层状SiC粉末生片；四、层叠预制体制备：将步骤三所得的SiC粉末生片叠放，在相邻的SiC粉末生片之间放置1～5层铝金属箔得到层叠块体，将层叠块体装入模具中进行冷压处理，得到层状预制体；所述铝金属箔的材质与步骤一种铝金属的材质相同；所述单层铝金属箔的厚度为20μm～50μm；五、去脂处理及模具预热：将步骤四所得的层状预制体与模具一起放入加热炉内，在保护气氛下，将层状预制体加热到470℃～Tm并保温2～10h，得到预热的层状预制体；同时在保护气氛下，将步骤一称取的铝金属加热至熔点以上250～350℃，得到熔融的铝金属；所述Tm为铝金属箔的熔点；六、液态铝浸渗：将步骤五得到的装有预热的层状预制体的模具置于压力机台面上，将步骤五得到的熔融的铝金属浇筑在预热的层状预制体的上表面，然后进行压力浸渗处理，当熔融的铝金属完全浸渗到预热的层状预制体中后，以20～40℃/min的速度冷却，最后脱模，得到(SiCp/Al)-Al层状复合材料铸锭，即完成。2.根据权利要求1所述的流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述SiC粉末为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合；SiC粉末的平均粒径为0.3～50μm。3.根据权利要求1或2所述的流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述铝金属为纯铝或铝合金块体。4.根据权利要求3所述的流延成型法、叠箔法和压力浸渗法结合制备层状铝基复合材料的方法，其特征在于：所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文澍，赵旗旗，武高辉，乔菁，姜龙涛，陈国钦，张强，康鹏超，修子扬，芶华松，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23