【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铝基复合材料，涉及3d束状ti-tic增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
1、铝基复合材料由于高比强度、比刚度、耐磨损、耐疲劳、低热胀性、低密度、高强度、良好的尺寸稳定性和导热性等优良的力学性能和物理性能，而被普遍应用于航空航天、军事及汽车等领域。
2、目前，每年的铝基复合耐磨件的产量已达1000吨以上，其中的增强相主要为sic、tic、b4c、al2o3等陶瓷颗粒。其中，碳化钛(tic)陶瓷熔点高达3140℃以上，同时具有非常高的硬度，其莫氏硬度大于9，作为陶瓷的一种它化学稳定性好，只溶于硝酸和王水不溶于其他溶剂。由于这些陶瓷相与铝液润湿性较好，和铝的界面结合强度高，可大幅提高复合耐磨件硬度、强度及抗磨损性能。而传统颗粒均匀增强铝基复合材料会随增强相体积分数的增加，强度不断提升的同时韧性却大幅下降。
3、然而，随着高新技术的不断发展，材料的服役环境变得日益苛刻，要求材料同时兼具有高的强度、高的韧性和高的耐磨损性能，即良好的综合性能匹配。
4、随着增强相从均匀分布到可控非均匀分布基本理论的突破，越来越多研究表明，增强相非均匀构型成为有效解决强韧化矛盾的新策略。增强相的非均匀分布可针对材料的特定方向实现特定的增强，也可将增强相富集在特定区域避免应增强相均匀分布而大范围降低材料本征特性。同时多级增强与非均匀构型的相互配合可在某特定方向提升材料的特定指标，而不降低材料的整体性能。设计并制备陶瓷颗粒与基体非均匀复合构型材料，是突破传统颗粒增强钢铁基复合材料耐磨性与强韧性相互制约的有
技术实现思路
1、本专利技术的一个目的是提供3d束状ti-tic增强铝基复合材料，解决了现有铝基复合材料不能同时具备高强度和高韧性的问题。
2、本专利技术的另一个目的是提供3d束状ti-tic增强铝基复合材料的制备方法。
3、本专利技术所采用的第一技术方案是3d束状ti-tic增强铝基复合材料，包括铝基体，铝基体中分布有3d束状ti-tic多级构型增强体，3d束状ti-tic多级构型增强体沿径向中心向外依次为钛丝、致密tic陶瓷层、tic梯度复合层，tic梯度复合层中tic颗粒尺寸沿径向方向向外逐渐变大。
4、其中，3d束状ti-tic多级构型增强体中钛丝体积占比不低于20％，致密tic陶瓷层体积占比10％～20％，其余为tic梯度复合层。
5、tic梯度复合层包括内部纳米级tic颗粒和外部微米级tic颗粒，纳米级tic颗粒粒径≤50nm，外部微米级tic颗粒粒径为2μm～10μm，致密tic陶瓷层中tic颗粒粒径≤20nm，tic颗粒体积分数≥90％。
6、tic梯度复合层中tic颗粒在复合材料中的体积分数沿径向方向向外逐渐减小，由85％～90％下降至15％～20％。
7、本专利技术所采用的第二技术方案是3d束状ti-tic增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
8、步骤1，制备3d束状ti-tic多级构型增强体；
9、步骤2，对铝粉表面进行镀铜处理，将表面镀铜的铝粉与无水乙醇按1～2：2～5比例混合，然后将3d束状ti-tic多级构型增强体分批加入混合溶液当中，搅拌2～3h，直至铝粉均匀覆盖在增强体表面，然后在70～90℃进行真空干燥，得到混合物料；
10、步骤3，将步骤2得到的混合物料装入石墨模具中密封并放入热压烧结炉中，以6～8℃/min的升温至750～800℃保温3h～5h，后以3～5℃/min降温至250～300℃随炉冷却至室温，全程载荷为20～30mpa，获得铝基复合材料坯体；
11、步骤4，对铝基复合材料坯体进行时效热处理，时效处理温度为200～300℃，时效热处理后得到3d束状ti-tic多级构型增强铝基复合材料。
12、步骤1具体包括以下步骤：
13、步骤1.1，准备若干钛丝，钛纯度为99.7-99.9％，对钛丝进行预处理，除去表面杂物及氧化层；
14、步骤1.2，采用esp泡沫制成消失模，将钛丝沿纵向插入消失模内，形成阵列排布，钛丝高出消失模表面10mm-30mm；
15、步骤1.3，在消失模表面涂刷耐火涂料并烘干，然后将消失模装箱，在箱内填充干砂并震实，表面蒙覆塑料薄膜，同时连接负压系统，组成消失模浇铸系统；
16、步骤1.4，选取含碳量大于0.4％的黑色金属冶炼为液态，在1380～1420℃浇注入步骤1.3的消失模内，获得钛丝—黑色金属预制体；
17、步骤1.5：对钛丝—黑色金属预制体在1000～1150℃下保温1h～5h，即获得3d束状ti-tic多级构型钢铁复合体；
18、步骤1.6，将3d束状ti-tic多级构型钢铁复合体浸泡在浓盐酸溶液中，加热溶液，对3d束状ti-tic多级构型钢铁复合体进行深度腐蚀，然后清洗干燥，即获得3d束状ti-tic多级构型增强体。
19、步骤1.1中钛丝的直径为0.5mm-3mm，对钛丝进行预处理，包括先将钛丝放入300ml/l的10％naoh溶液中清洗，除去表面油污，流水冲洗，然后再用300ml/l的盐酸溶液淋洗，除去表面氧化膜，流水冲洗，最后用小于800目的砂纸打磨表面，使表面粗糙化后置于盛有无水乙醇的烧杯中，用超声波振动仪清洗后干燥，装入密封袋备用。
20、步骤1.4中，黑色金属为ht200、ht250、ht300、q235或q345，在1380～1420℃浇注入步骤1.3的消失模内，浇注时间为40s～50s，浇注完成1分钟后在冒口补浇。
21、步骤2中，对铝粉表面进行镀铜处理，包括向铝粉中倒入化学镀铜液，并在50～80℃水浴中加热搅拌，当溶液中产生气体，移出水浴，继续注入化学镀铜液搅拌，直至气泡消失为止，重复上述过程，直至溶液中蓝色完全消失，将粉末滤出并使用h2so4清洗并烘干。
22、步骤2中，将3d束状ti-tic多级构型增强体分批加入混合溶液当中，3d束状ti-tic多级构型增强体的使用量根据3d束状ti-tic多级构型增强体在复合材料内体积百分占比10％～40％计算。
23、本专利技术的有益效果是：
24、(1)本申请铝基体中分布有3d束状ti-tic多级构型增强体，3d束状ti-tic多级构型增强体结合非均匀构型与多级增强两者的优点，沿径向中心向外依次为钛丝、致密tic陶瓷层、tic梯度复合层，纯钛硬度低韧性好，具有良好的延展性和韧性，能有效的避免裂纹的萌生，提高复合材料的整体性能；
25、(2)致密tic陶瓷层能够阻止位错的滑移形成位错的堆积，进而使裂纹发生偏转，提升复合材料的整体强度，并且中心钛丝被高强高硬的tic陶瓷所包围，利于对它的支撑保护；
26、(3)tic梯度复合层中tic颗粒尺寸沿径向方向向外逐渐变大，利于载荷的传递，同时改善了致密tic陶瓷层与基体的结合性能，钛丝、致密tic陶瓷层和tic梯度复合层协同实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体(4)，铝基体(4)中分布有3D束状Ti-TiC多级构型增强体(3)，3D束状Ti-TiC多级构型增强体(3)沿径向中心向外依次为钛丝(5)、致密TiC陶瓷层(6)、TiC梯度复合层(7)，TiC梯度复合层(7)中TiC颗粒尺寸沿径向方向向外逐渐变大。
2.根据权利要求1所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述3D束状Ti-TiC多级构型增强体(3)中钛丝(5)体积占比不低于20％，致密TiC陶瓷层(6)体积占比10％～20％，其余为TiC梯度复合层(7)。
3.根据权利要求2所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述TiC梯度复合层(7)包括内部的纳米级TiC颗粒(1)和外部的微米级TiC颗粒(2)，纳米级TiC颗粒(1)粒径≤50nm，微米级TiC颗粒(2)粒径为2μm～10μm。
4.根据权利要求3所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料，其特征在于，所述TiC梯度复合层(7)中TiC颗粒在复合材料中的体积分数沿径向方向向外逐渐减小，由
5.3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中钛丝的直径为0.5mm-3mm，对钛丝进行预处理，包括先将钛丝放入300ml/L的10％NaOH溶液中清洗，除去表面油污，流水冲洗，然后再用300ml/L的盐酸溶液淋洗，除去表面氧化膜，流水冲洗，最后用小于800目的砂纸打磨表面，使表面粗糙化后置于盛有无水乙醇的烧杯中，用超声波振动仪清洗后干燥，装入密封袋备用。
8.根据权利要求6所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1.4中，黑色金属为HT200、HT250、HT300、Q235或Q345，在1380～1420℃浇注入步骤1.3的消失模内，浇注时间为40s～50s，浇注完成1分钟后在冒口补浇。
9.根据权利要求6所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，对铝粉表面进行镀铜处理，包括向铝粉中倒入化学镀铜液，并在50～80℃水浴中加热搅拌，当溶液中产生气体，移出水浴，继续注入化学镀铜液搅拌，直至气泡消失为止，重复上述过程，直至溶液中蓝色完全消失，将粉末滤出并使用H2SO4清洗并烘干。
10.根据权利要求6所述的3D束状Ti-TiC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，将3D束状Ti-TiC多级构型增强体分批加入混合溶液当中，3D束状Ti-TiC多级构型增强体的使用量根据3D束状Ti-TiC多级构型增强体在复合材料内体积百分占比10％～40％计算。
...【技术特征摘要】
1.3d束状ti-tic增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体(4)，铝基体(4)中分布有3d束状ti-tic多级构型增强体(3)，3d束状ti-tic多级构型增强体(3)沿径向中心向外依次为钛丝(5)、致密tic陶瓷层(6)、tic梯度复合层(7)，tic梯度复合层(7)中tic颗粒尺寸沿径向方向向外逐渐变大。
2.根据权利要求1所述的3d束状ti-tic增强铝基复合材料，其特征在于，所述3d束状ti-tic多级构型增强体(3)中钛丝(5)体积占比不低于20％，致密tic陶瓷层(6)体积占比10％～20％，其余为tic梯度复合层(7)。
3.根据权利要求2所述的3d束状ti-tic增强铝基复合材料，其特征在于，所述tic梯度复合层(7)包括内部的纳米级tic颗粒(1)和外部的微米级tic颗粒(2)，纳米级tic颗粒(1)粒径≤50nm，微米级tic颗粒(2)粒径为2μm～10μm。
4.根据权利要求3所述的3d束状ti-tic增强铝基复合材料，其特征在于，所述tic梯度复合层(7)中tic颗粒在复合材料中的体积分数沿径向方向向外逐渐减小，由85％～90％下降至15％～20％。
5.3d束状ti-tic增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的3d束状ti-tic增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的3d束状ti-...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵娜娜，邓海宁，姚特立，饶艺佳，邹军涛，钟黎声，许云华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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