[发明专利]一种高致密化核壳结构颗粒增强Al基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高致密化核壳结构颗粒增强Al基复合材料及其制备方法，属于新型粉末冶金材料领域，其特征在于采用Ti粉和Al粉为原料，通过球磨将两种粉末混合后，采用模压成型工艺压制生坯，将压制后的生坯首先在低于550℃温度下预烧结。将烧结后的块体材料封装入45#钢包套进行热轧，将轧制后含有所制备材料的包套在590℃～630℃热处理1～4h，去除包套，得到所制备的复合材料。本发明复合材料结构新颖，不仅其强度显著优于采用相同工艺制备的纯Al，而且具有与纯Al相当的延展性，突破了结构材料强度和延展性不可兼得这一瓶颈，具有非常光明的工业应用价值。

技术领域

本发明属于新型粉末冶金材料领域，特别是涉及一种高致密化核壳结构颗粒增强Al基复合材料及其制备方法。

背景技术

在过去的二十年中，颗粒增强铝基复合材料由于其高强度，优异的耐磨性，以及良好的导电导热性能而被广泛应用于航空航天和基础设施领域。通常，在铝基体中添加陶瓷颗粒可以增加强度，但会降低其延展性和韧性。延展性和韧性的降低通常是由基体和增强材料之间的界面粘合弱，以及陶瓷颗粒的本征脆性引起的。以前的研究表明，界面在决定复合材料的整体性能方面起着至关重要的作用。良好粘合的界面有利于实现载荷从基体到增强材料的有效传递，并能够减少界面处应力集中，从而提高复合材料的延展性和强度。最近的研究表明，原位形成的金属间化合物颗粒(如Al₃Ti等)增强的Al基复合材料具有高强度，高模量以及良好的界面结合。然而，此类复合材料在承载过程中，一旦裂纹在脆性金属间化合物颗粒内成核，裂纹就可以在金属间化合物内或沿金属间化合物颗粒与Al基体之间的界面不受阻碍地扩展，这会显著降低复合材料的服役可靠性。

为了发挥Al₃Ti在提高复合材料强度的优势同时不至于损害复合材料的延展性，通过原位反应形成Ti-Al₃Ti核壳结构颗粒是一种新的解决方案，其可以使得在Al₃Ti壳层中萌生的裂纹扩展到两侧的纯金属时可以被有效钝化，延缓材料的断裂过程。但在复合材料实际制备过程中，由于Al和Ti反应过程中会释放大量的热量以及产生体积膨胀，复合材料的充分致密化一直是该类复合材料的难点和重点。目前还缺乏相应的工艺制备出充分致密化的Ti-Al₃Ti核壳结构颗粒增强Al基复合材料，使复合材料具有高强高韧的力学性能。

发明内容

为了克服现有技术中颗粒增强Al基复合材料存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种高致密化核壳结构颗粒增强Al基复合材料及其制备方法，通过粉末成型预烧结、包套热轧和热处理原位形成核壳结构颗粒增强Al基复合材料，制备方法简单可控，该复合材料表现出兼具优异的强度及拉伸延展性的力学性能。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高致密化核壳结构颗粒增强Al基复合材料的制备方法，包括下述步骤：配取Al粉、Ti粉，球磨获得混匀料，模压成型、预烧结，获得块体材料，将块体材料封装入钢包套中热轧，所得轧制件经热处理后即得核壳结构颗粒增强Al基复合材料。

本发明的制备方法，通过粉末成型初步预烧结、包套热轧和热处理原位形成核壳结构颗粒增强Al基复合材料。首先通过低温预烧结实现材料的初步固结，再通过包套热轧，可以实现材料的充分致密化；然后再通过较高温度的热处理，诱导核壳颗粒的形成，由于包套热轧和热处理过程中包套对块体材料的限制作用，不仅能够有效实现块体材料的高致密化，还可以有效的克服Al和Ti反应过程中可能产生的体积膨胀，从而制备出高度致密化的核壳结构颗粒增强Al基复合材料，具体为核心为Ti，壳层为Al₃Ti的Ti-Al₃Ti核壳结构颗粒增强Al基复合材料。

优选的方案，所述配取的Al粉与Ti粉的体积百分含量为：Al粉80～90vol％，Ti粉10～20vol％。

优选的方案，所述Al粉与Ti粉均为球形粉体，其中Al粉的粒径为2～10μm，Ti粉的粒径为10～40μm。