[发明专利]采用挤压铸造法制备低体积分数的纯钛颗粒增强铝基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备低体积分数的纯钛颗粒增强铝基复合材料的方法。 

背景技术

目前的新型复合材料设计就是采用硬金属颗粒取代陶瓷颗粒作为增强体来增强软金属复合材料。钛因其较低的密度、高的弹性模量、高的比强度和良好的抗疲劳等优异性能被广泛应用在航空航天、体育产业和建材上。采用少量的钛颗粒可以显著提高铝金属的强度，同时还能保持材料良好的塑性，钛颗粒是铝基复合材料理想增强体的选择。然而关于钛颗粒增强铝基复合材料的制备报道甚少，特别是含有液相的压力铸造方法，一方面因为在压力铸造过程中无法避免钛和液态铝发生反应，生成脆性相Al₃Ti；另一方面采用常规的压力铸造法制备复合材料要求颗粒增强体含量通常超过35％，低含量增强体的复合材料难于压力铸造。 

发明内容

本发明的目的首先是为了解决钛和液态铝发生反应的问题，主要是采用特殊热处理在纯钛颗粒表面形成一层氧化薄膜，保护纯钛颗粒从而避免它和铝液反应，进而解决该问题； 

本发明的方案其次是为了解决低体积分数的纯钛预制体的制备的问题，主要是在低体积分数的纯钛颗粒中引入铝粉，通过湿压法制备出含有低含量钛粉的预制体，以解决该问题。 

本发明的采用挤压铸造法制备低体积分数的纯钛颗粒增强铝基复合材料的方法，它是按照以下步骤进行的： 

一、原材料的配比：称取45～55vol.％的纯铝块、15～45vol.％的纯铝粉和10～30vol.％的纯钛颗粒备用；其中纯铝粉颗粒尺寸为10～40μm，纯钛粉颗粒20～50μm； 

二、纯钛颗粒表面氧化处理：将步骤一称取10～30vol.％的纯钛颗粒放入箱式电阻炉，加热到300～500℃，保温0.5～3h，形成一层致密的氧化薄膜； 

三、湿压法制备工艺：将步骤一称取15～45vol.％的纯铝粉和步骤二氧化处理后10～30vol.％的纯钛颗粒混合，得混料；然后加入与混料相同重量的无水乙醇进行超声分散，得浆料，再将浆料机械混合6～9小时，然后将机械混合后的浆料倒入预制块模具中，将无水乙醇全部渗出后，再加压成形，退模后得到预制块，并将该预制块烘干，备用； 

四、挤压铸造工艺：将步骤一称取的45～55vol.％的纯铝块加热熔化后，备用； 

五、将步骤三中制备好的预制块放入模具中加温到400℃～500℃，保温30min～2h，然后将步骤四熔化后的纯铝块浇入到上述保温后的预制块模具中，并在上方施加5～15MPa的压力使铝液渗透到预制体，再加压到100～150MPa，保压1～4min，即制备出纯钛颗粒增强铝基复合材料。 

本发明包含以下有益效果： 

1、本发明可以避免挤压铸造方法中钛和液态铝发生反应的问题。本发明采用氧化处理在纯钛颗粒表面形成一层氧化薄膜，保护了钛颗粒从而避免它和铝反应。 

2、本发明通过采用在低体积分数的钛颗粒中引入铝粉制备出预制体，解决了低含量钛颗粒增强铝基复合材料的挤压铸造的难题。这是因为不采用造孔剂直接通过增强体颗粒堆积制备预制体时，根据堆积理论，形状规则颗粒松装堆积体中最松排列为正方体排列，孔隙率为47.6vol.％；最紧密的排列为面心立方体排列，孔隙率为25.96vol.％，即压实孔隙率；中间排列方式的孔隙率介于25.96vol.％和47.6vol.％之间。即按此理论，可挤压铸造浸渗到孔隙的铝体积分数介于25.96～47.6vol.％之间，而钛颗粒作为增强体的体积分数介于52.4～74.04vol.％之间。而实际制备的预制体的最大孔隙率要小，不规则形状的钛增强体含量更高，所以对于不用造孔剂制备预制体，采用常规挤压铸造容易制备出高体积分数增强体的复合材料，很难制备出10～30vol.％颗粒增强铝基复合材料。因此，通过钛颗粒中引入一定量的铝粉，可以降低钛颗粒体积分数，制备出含有低体积分数钛颗粒的预制体。 

3、本发明制备的低含量纯钛颗粒(10～30vol.％)增强纯铝基复合材料抗拉强度为150～230MPa，延伸率在22～28％之间。 

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的采用挤压铸造法制备低体积分数的纯钛颗粒增强铝基复合材料的方法，它是按照以下步骤进行的： 

一、原材料的配比：称取45～55vol.％的纯铝块、15～45vol.％的纯铝粉和10～30vol.％的纯钛颗粒备用；其中纯铝粉颗粒尺寸为10～40μm，纯钛粉颗粒20～50μm；