一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺，先对铝粒清洗，而后裹胶，接着依次放入短纤维和陶瓷粉，重复多次后进行烘干，烘干结束后冷压，最后烧结成型。本发明专利技术简单易行，适用范围广，力学性能指标大幅度提高，能够提供高质量的铝合金复合材料坯料。

Fabrication Technology of Aluminum Matrix Composite Material Composite of Ceramic Powder and Short Fiber

The invention discloses a preparation process of aluminium matrix composite material composed of ceramic powder and staple fiber. First, aluminium particles are cleaned, then glued, and then put into staple fiber and ceramic powder in turn. After repeated drying, it is cold pressed after drying, and finally sintered. The invention has the advantages of simple and easy operation, wide application range, greatly improved mechanical properties, and can provide high quality aluminium alloy composite blanks.

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺
本专利技术涉及金属基复合材料制备
，具体涉及一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺。
技术介绍
铝基复合材料相对于传统基体合金具有高的比强度、比刚度和优良的高温力学性能、低的热膨胀系数、优良的耐磨性，在航空、航天、汽车、电子和交通运输工业具有十分广阔的应用前景。铝基复合材料的研究开始于20世纪50年代，近20年来无论从理论上还是技术上都取得了较大进步，各国在研发上都投入了大量的人力物力，它是金属基复合材料中被研究最多和最主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、B4C/Al、Al2O3/Al等，铝基复合材料已经广泛用于制造歼击机、直升机等大飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身及蒙皮等部件。最早的航空应用实例是20世纪80年代美国洛克希德·马丁公司将25％SiC/6061Al复合材料用以制作承放仪器的支架，其比刚度较7075铝合金提高65％。20世纪90年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得大量应用，普惠公司从PW4084发动机开始，采用DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料制作风扇出口导流叶片，用于PW4000系列发动机的波音777客机上。颗粒增强铝基复合材料耐冲击能力比树脂基复合材料有大幅提高，抗冲蚀能力是树脂基复合材料的7倍，且容易发现各种损伤，并使成本下降1/3以上。近10年来，纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸及真空压渗等复合工艺的出现，使复合材料有可能用于大批量的常规兵器中。纤维增强铝基复合材料因其良好的综合性能，在兵器中的应用已越来越广，各先进国家投入了大量研究工作，试制了发动机中的连杆、活塞、战术发动机壳体、制导舵板、战斗部支撑架、军用作战桥梁的拉力弦、架桥坦克桥体和长杆式穿甲弹弹托等。美国陆军早在20世纪70年代末期就对Al2O3/A206复合材料制造履带板进行了研究，通过采用复合材料制造履带板可使其质量从铸钢的544～680kg下降到272～362kg，减轻近50％。美国海军地面武器中心把SiC/Al复合材料用于船舶结构体和舱板，并将这种材料用于多种水下工程以及鱼雷、水雷的外壳。用碳化硅纤维增强铝合金复合材料制成的跨度为30m的舟桥，质量只有5t，刚度比铝合金的高30％，随着价格和技术问题的不断解决，此类材料在兵器领域中的应用将会更加广阔。我国也已经较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工作，包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积和原位生成等方面的研究，取得了很重要的进展，正在走向规模化应用阶段，特别是近期为适应节能减排的需要，国家提出大力发展轻量化汽车和动力电池汽车，为铝基复合材料的大规模应用提供了广阔的空间。铝基复合材料的目前主要制备工艺如下：颗粒增强铝基复合材料的成型方法有两种，一是粉末冶金法，即将颗粒与铝合金粉混合，按常规粉末冶金法加工，特点是工艺和制品质量易控制和复合材料中颗粒的体积含量高，但是成本较高，制约了大规模发展。二是各种液相复合法，该方法(特别是搅拌法)可以规模生产，成本相对较低，但颗粒体积分数一般不超过25％，工艺过程控制较难，且制品质量稳定性也较粉末冶金法差。此种复合材料的性能比原基体合金有明显提高，例如，以20％的碳化硅颗粒增强6061铝合金，其强度从原合金的310MPa提高到496MPa，模量则从68GPa增至103GPa，此外，耐磨性、尺寸稳定性、耐热性也比原合金有很大改善，该种复合材料已经在超大规模集成电路基板、各种结构型材和耐磨部件(如车辆的刹车片)方面获得满意的使用效果。纤维增强铝基复合材料的制备方法主要有热压扩散结合法、粉末冶金法、真空压力浸渗法、挤压铸造法。热压扩散结合法在加工制造工艺流程是：首先根据设计需要把预处理之后的纤维按照特定方向排列整齐，然后使用基体金属将其夹紧、固定，放入惰性气体或真空环境内加热，直到达到金属的熔点，热压开始，最后采取扩散焊接技术使材料成型及复合。此法的特征主要是金属基体在静态压力的作用下出现塑性变形，然后发生扩散，使纤维和基体固定结合到一起成型，此法的缺陷为制造成本高、无法批量制造、工艺步骤繁多和产品形式会有所局限性等。非连续碳纤维金属基复合材料通常利用粉末冶金法来加工制造，生产原理是粉末冶金理论，根据设计需要，选择合适的条件混合均匀增强材料与金属粉末，对混合料进行压坯、烧结，使其成形，通过此法进行加工制造的优点是：能方便调整增强材料的添加比例，并准确控制基体组成及增强相体积，制造的产品具有比较均匀的内部基体组织，产品尺寸的精度高。然而此法的缺陷是工艺复杂，混粉时间过长，一般需要超过10个小时，制造的产品不具有很好的致密性，基体内部、基体和增强相之间的界面通常会出现孔隙，结合效果也不是很理想。真空铸渗法基本原理是先将增强相制备成预制体，然后在承压铸型内放入预制体，再将其进行加热，抽真空后会有负压产生，在预制体中有液态基体金属溶体的融入而凝固，金属基复合材料就可由此获得。与固相法相比较，液相浸渗很少会因为外力作用对纤维造成损伤。但由于金属基复合材料是由两种性质完全不同的材料复合而成的新材料，所以很难获得良好和稳定的界面。挤压铸造法是指对型腔内的金属液施加很高的压力进行挤压，破坏晶枝的生长，在压力下补缩，从而得到品质很好的铸件的方法，零件出现变形获得高力学性能和组织的细密性。此法在液态挤压时容易造成内部纤维和陶瓷粉料偏聚，使复合材料均匀性差，由于零件形状的大小和设备条件也会限制挤压铸造的应用，只适用于制备简单形状的复合铸件。综上所述，由于铝基复合材料长期以来还存在着制备工艺复杂，对环境和设备要求严格，成本高，复合材料均匀性差等缺点，因此，其制备和应用还不十分普遍。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺，简单易行，适用范围广，力学性能指标大幅度提高，能够提供高质量的铝合金复合材料坯料。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺，包括以下步骤：步骤1)将铝粒或铝合金粒放入酒精中，采用超声振动的方式进行表面清洗和除油，然后将上述的铝粒从酒精中取出放入搅拌器，待酒精自然蒸发后，加入液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在铝粒表面；步骤2)加入短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在铝粒表面；步骤3)再加入液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入上述的短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，最后重复本步骤3-5次，得到混合好的颗粒；步骤4)将混好的颗粒放入真空烘干炉中烘干，防止铝粒表面氧化，烘干温度300℃以上，保温一小时后铝溶胶固化生成氧化铝，将铝粒、铝粒表面的陶瓷粉和铝粒表面的短纤维牢固地粘结在一起，得到烘干后的颗粒；步骤5)将烘干后的颗粒放入铝包套内冷压成金属块并抽真空去除内部气体；步骤6)将冷压后的金属块在热等静压炉中烧结，烧结温度控制在铝粒熔点温度±5℃，保证铝液处于半凝固状态，铝粒熔化能够在高压下冲破外层粘结的短纤维和陶瓷粉并熔成一体，在热等静压炉中烧结后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)将铝粒或铝合金粒放入酒精中，采用超声振动的方式进行表面清洗和除油，然后将上述的铝粒从酒精中取出放入搅拌器，待酒精自然蒸发后，加入液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在铝粒表面；步骤2)加入短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在铝粒表面；步骤3)再加液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入上述的短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，最后重复本步骤3‑5次，得到混合好的颗粒；步骤4)将混好的颗粒放入真空烘干炉中烘干，防止铝粒表面氧化，烘干温度300℃以上，保温一小时后铝溶胶固化生成氧化铝，将铝粒、铝粒表面的陶瓷粉和铝粒表面的短纤维牢固地粘结在一起，得到烘干后的颗粒；步骤5)将烘干后的颗粒放入铝包套内冷压成金属块并抽真空去除内部气体；步骤6)将冷压后的金属块在热等静压炉中烧结，烧结温度控制在铝粒熔点温度±5℃，保证铝液处于半凝固状态，铝粒熔化能够在高压下冲破外层粘结的短纤维和陶瓷粉并熔成一体，在热等静压炉中烧结后即可得到复合铝合金块体。...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷粉与短纤维复合的铝基复合材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)将铝粒或铝合金粒放入酒精中，采用超声振动的方式进行表面清洗和除油，然后将上述的铝粒从酒精中取出放入搅拌器，待酒精自然蒸发后，加入液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在铝粒表面；步骤2)加入短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在铝粒表面；步骤3)再加液态铝溶胶搅拌，将液态铝溶胶均匀涂覆在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入上述的短纤维搅拌，使短纤维均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，再加入陶瓷粉搅拌，使陶瓷粉均匀粘结在表面粘满短纤维和陶瓷粉的铝粒表面，最后重复本步骤3-5次，得到混合好的颗粒；步骤4)将混好的颗粒放入真空烘干炉中烘干，防止铝粒表面氧化，烘干温度300℃以上，保温一小时后铝溶胶固化生成氧化铝，将铝粒、铝粒表面的陶瓷粉和铝粒表面的短纤维牢固地粘结在一起，得到烘干后的颗粒；步骤5)将烘干后的颗粒放入铝包套内冷压成金属块并抽真空去除内部气体；步骤6)将冷压后的金属块在热等静压炉中烧结，烧结温度控制在铝粒熔点温度±5℃，保证铝液处于半凝固状态，铝粒熔化能够在高压下冲破外层粘结的短纤维和陶瓷粉并熔成一体，在热等静压炉中烧结后即可得到复合铝合金块体。2.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝兴，毕文平，李青，李文明，郭静，孙静，梁贺，
申请(专利权)人：张宝兴，毕文平，李青，梁贺，
类型：发明
国别省市：河北,13