熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法技术

熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法，属于粉末冶金领域。采用熔渗工艺制备金属基复合材料，先制备多孔预制坯体，然后再通过压力将熔融的基体渗入到多孔坯体的孔隙中形成复合材料。通过设计具有多通道的蜂窝煤结构压制模具，通道内根据需要填充由粘结剂和增强相组成的不同组分或相同组分的混合物，随后混合物中的粘结剂在压制成形过程中受上模冲的压力作用从模冲与阴模的间隙中挤出，挤出量根据初始混合物中增强相的体积分数和最终坯体中拟需要的增强相体积分数确定。可一次性制备具有同一增强相组分但体积分数不同或体积分数相同但增强相组分不同或增强相组分体积分数均不同的多种预制坯体，提高了预制坯的制备效率以及金属基复合材料的制备效率。

【技术实现步骤摘要】
熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法
本专利技术属于粉末冶金领域，具体涉及一种熔渗用金属基复合材料预制坯的高通量制备方法。
技术介绍
颗粒增强金属基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等颗粒或短纤维增强金属或合金基体的金属基复合材料统称。根据增强体的体积分数不同所采用的制备方法不同，对于高体积分数颗粒增强金属基复合材料通常采用熔渗工艺进行制备。熔渗技术是先制备多孔预制坯体，然后将预制坯体与液态金属接触或者埋在液态金属内，金属液在外界压力或毛细管力的作用下填充到预制坯体的孔隙中，冷却后得到组织致密的复合材料。在制备预制坯体时，通常是先将增强相与粘结剂按设定的比例进行混合，然后压制或采用其他近净成形的技术进行坯体成形，成形坯体中增强体的体积分数即为最终复合材料中增强体的体积分数，然后将坯体进行干燥、烧结得到多孔的预制坯体，最后进行熔渗得到复合材料。颗粒增强金属基复合材料的性能与增强相的组成、体积分数等密切相关，因此在研制一种新的复合材料时，通常需要预先制备大量的样品来研究增强相的组成和体积分数对复合材料性能的影响，最终确定最佳的增强相组成和含量。目前在制备样品时，所广泛采用的方法是根据体积分数的不同或者增强相组分的不同一次仅能制备一个坯体，然后再进行熔渗，该方法耗时耗力，严重制约了研发效率。相较于传统“一次一个”的制备方法，材料的高通量制备技术将顺序迭代改为并行处理，能够在单个装置单个时间内实现大量样品的制备。如何将高通量的制备技术应用于金属基复合材料预制坯的制备工艺过程中，一次性制备出多组不同增强相体积分数、不同增强相组分和尺寸、不同粘结剂体系的坯体是显著缩短熔渗法制备预制坯体及金属基复合材料研发周期的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于将高通量的制备技术应用于金属基复合材料预制坯的制备工艺过程中，以显著缩短熔渗法制备金属基复合材料的研发周期。坯体压制之前在增强相中混合一定含量和粘度的粘结剂，然后在压制过程中根据最终压制坯体的增强体体积分数不同来填充不同质量的混合物；通过设计上模冲和下模冲的高度以及压制坯体的厚度，使得粘结剂在压制过程中从阴模与上模冲以及下模冲的间隙中不同程度的挤出；在初始增强相体积分数相同的情况下，粘结剂挤出的越多意味着压制后的预成形坯中的增强相体积分数越高(粘结剂体积分数+增强相体积分数＝100％)；这样可以通过间接控制粘结剂的挤出量来对预成形坯中的增强相体积分数进行控制，从而达到在多个通道中预置不同质量相同成分或不同质量不同成分或相同质量不同成分的混合物，一次性制备出具有相同增强相组分不同体积分数或具体不同增强相组分不同体积分数或具有不同增强相组分相同体积分数的多种坯体，大幅度提高了预制坯体制备的效率。本专利技术提供了一种熔渗用金属基复合材料预制坯的高通量制备方法，其特征在于具体步骤为：S1、首先根据预制坯样品的直径和高度设计制造具有多通道的蜂窝煤结构压制模具，同时将不同组分的增强相与一定含量的粘结剂进行均匀混合；S2、接着根据增强相组分的不同对通道进行分组，同一组的预制坯样品应具有相同的组分和不同的增强相体积分数，每一组通道内压制成形前填充不同质量分数相同组分的混合物，且每一组压制预制坯体的厚度相同；S3、然后进行压制成形，上模冲在压力作用下与混合物接触，混合物中的粘结剂随着上模冲的下降从模冲与阴模的间隙中挤出，挤出的量由不同通道中初始混合物的质量进行控制，并根据初始混合物的密度及增强相的体积分数、最终压制坯体中增强相的体积分数及坯体的体积进行计算确定。这样可以一次性制备出多种组分、多种体积分数的预制坯体，通道数量越多，则一次性制备的样品数量越多，大大提高了坯体的制备效率和复合材料的研制效率。进一步地，预制坯样品的高度4～10cm，半径不小于其高度，所用模具的阴模为蜂窝煤状，通道的数量根据一次性制备的样品数量进行设定，模具可采用石墨或钢模材质，上、下模冲与阴模的间隙均为0～20μm，所有通道中下模冲高度相同，为3～5mm，阴模高度为15～20mm，上模冲的高度根据增强相的组分不同进行设计，如果是同一组分，只是预成形坯体中增强相的体积分数不同，则上模冲均采用同一高度，同时压制坯体均采用同一厚度，上模冲的具体高度值为阴模的厚度减去样品厚度和预制坯厚度之和。进一步地，粘结剂可采用常规的10～12％聚乙烯醇溶液、10～12％酚醛树脂乙醇溶液等，粘度应小于2Pa·s。进一步地，压制成形之前粘结剂在由增强相和粘结剂组成的原料混合物中的体积分数为(1-增强相松装密度/增强相理论密度)×100％，增强相的尺寸大于25微米。进一步地，在制备具有相同增强相组分但体积分数不同的预制坯时，每个通道对应一个体积分数，每个通道在压制之前填充的原料混合物的质量值＝(压制后增强相在预成形坯的体积分数÷增强相在原料混合物的体积分数)×预成形坯体体积×原料混合物的密度。本专利技术采用熔渗工艺制备金属基复合材料，先制备多孔预制坯体，然后再通过压力将熔融的基体渗入到多孔坯体的孔隙中形成复合材料。通过设计具有多通道的蜂窝煤结构压制模具，通道内根据需要填充由粘结剂和增强相组成的不同组分或相同组分的混合物，随后混合物中的粘结剂在压制成形过程中受上模冲的压力作用从模冲与阴模的间隙中挤出，挤出量根据初始混合物中增强相的体积分数和最终坯体中拟需要的增强相体积分数确定。可一次性制备具有同一增强相组分但体积分数不同或体积分数相同但增强相组分不同或增强相组分体积分数均不同的多种预制坯体，大大提高了预制坯的制备效率以及金属基复合材料的制备效率。附图说明图1为本专利技术的一种熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法模具示意图。具体实施方式实施例1一次性制备出10个SiC颗粒体积分数分别为51％，52％，53％，54％，55％，56％，57％，58％，59％，60％的圆柱形预制坯体，坯体直径10mm，高度5mm、以及10个Al2O3颗粒体积分数分别为51％，52％，53％，54％，55％，56％，57％，58％，59％，60％圆柱形预制坯体，坯体直径12mm，高度5mm。第一步，制造钢质蜂窝煤状结构模具，其中阴模高度为15mm，阴模通道为20个，10个用于压制SiC坯体的尺寸为Φ100+0.01mm，另外10个用于压制Al2O3的尺寸为Φ120+0.01mm；下模冲的数量为20个，高度均为3mm，用于压制SiC坯体的下模冲直径为Φ100-0.10mm，用于压制Al2O3坯体的下模冲直径为Φ120-0.10mm，上模冲的数量也为20个，高度均为12mm，对应压制SiC的上模冲直径为Φ100-0.10mm，压制Al2O3的上模冲直径为Φ120-0.10mm。第二步，将SiC与10％聚乙烯醇溶液(粘结剂)进行混合均匀，采用SiC颗粒的粒径大小为60微米，测得其松装密度为1.44g/cm3，SiC的理论密度为3.21g/cm3，因此初始混合物中粘结剂的体积分数为(1-1.44/3.21)×100％＝55％，SiC增强相的体积分数为45％，混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法，其特征在于具体步骤为：/nS1、首先根据预制坯样品的直径和高度设计制造具有多通道的蜂窝煤结构压制模具，同时将不同组分的增强相与一定含量的粘结剂进行均匀混合；/nS2、接着根据增强相组分的不同对通道进行分组，同一组的预制坯样品应具有相同的组分和不同的增强相体积分数，每一组通道内压制成形前填充不同质量分数相同组分的混合物，且每一组压制预制坯体的厚度相同；/nS3、然后进行压制成形，上模冲在压力作用下与混合物接触，混合物中的粘结剂随着上模冲的下降从模冲与阴模的间隙中挤出，挤出的量由不同通道中初始混合物的质量进行控制，并根据初始混合物的密度及增强相的体积分数、最终压制坯体中增强相的体积分数及坯体的体积进行计算确定；这样可以一次性制备出多种组分、多种体积分数的预制坯体，通道数量越多，则一次性制备的样品数量越多，大大提高了坯体的制备效率和复合材料的研制效率。/n

【技术特征摘要】
1.一种熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法，其特征在于具体步骤为：
S1、首先根据预制坯样品的直径和高度设计制造具有多通道的蜂窝煤结构压制模具，同时将不同组分的增强相与一定含量的粘结剂进行均匀混合；
S2、接着根据增强相组分的不同对通道进行分组，同一组的预制坯样品应具有相同的组分和不同的增强相体积分数，每一组通道内压制成形前填充不同质量分数相同组分的混合物，且每一组压制预制坯体的厚度相同；
S3、然后进行压制成形，上模冲在压力作用下与混合物接触，混合物中的粘结剂随着上模冲的下降从模冲与阴模的间隙中挤出，挤出的量由不同通道中初始混合物的质量进行控制，并根据初始混合物的密度及增强相的体积分数、最终压制坯体中增强相的体积分数及坯体的体积进行计算确定；这样可以一次性制备出多种组分、多种体积分数的预制坯体，通道数量越多，则一次性制备的样品数量越多，大大提高了坯体的制备效率和复合材料的研制效率。


2.根据权利要求1所述的一种熔渗用金属基复合材料增强相预制坯的高通量制备方法，其特征在于预制坯样品的高度4～10cm，半径不小于其高度，所用模具的阴模为蜂窝煤状；通道的数量根据一次性制备的样品数量进行设定，模具可采用石墨或钢模材质；上、下模冲与...

【专利技术属性】
技术研发人员：任淑彬，黄建国，赵洋，张瑞杰，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11