CN109082568A - 一种原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的制备方法，包括下列步骤：(1)配制混合粉末，按照氧化铜粉：铝粉或铝合金粉末质量比为小于10％称取混合粉末。(2)对混合粉末进行球磨处理，将混合粉末装入球墨罐中，在氩气保护下对混合粉末进行球磨处理，球磨参数：球料比5:1～15:1，转速200r/min，球磨时间1～4小时。(3)烧结成型。
Description
技术领域
本发明涉及到一种利用粉末冶金工艺原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。
背景技术
铝基复合材料由于具有比强度高、导电导热性能好等优点，广泛用于航空航天及民用领域。传统铝基复合材料中多采用陶瓷颗粒、陶瓷晶须、尖晶石颗粒等作为增强相，引入增强相的方法则主要采用外加法。然而在以上复合材料体系设计及制备技术中存在几个方面的缺点。首先通过外加法引入增强相会导致增强相分布不均匀、增强相引入的相对含量较低、与基体结合性较差。此外，向铝基体中引入过多的陶瓷相，由于其与基体的热膨胀系数不匹配，在服役过程中容易导致复合材料开裂。采用原位法引入增强相则可以有效克服以上缺点，有利于综合力学性能较好的铝基复合材料。
以铝作还原剂，金属氧化物作为氧化剂，通过铝热反应可以在铝基体中通过原位反应一步获得金属间化合物及氧化铝。金属间化合物不仅具有较高的强度，同时与铝基体界面结合强度较高，而生成的氧化铝也可以作为铝基复合材料中的增强体。但由于引发铝热反应的能垒较高，因此以往科研工作者经常采用铸造的方式实现铝热反应。但是铸造过程中，由于铝热反应比较剧烈，常会发生热爆，导致实验过程具有较高的危险，需要开发一种新的反应方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过原位合成方式制备CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的方法，该方法可以降低危险性，且能够有效克服铸造法中增强相晶界偏析、分布不均匀的缺点。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案加以实施：
一种原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)配制混合粉末
按照氧化铜粉：铝粉或铝合金粉末质量比为小于10％称取混合粉末。
(2)对混合粉末进行球磨处理
将混合粉末装入球墨罐中，在氩气保护下对混合粉末进行球磨处理，球磨参数：球料比5:1～15:1，转速 200r/min，球磨时间1～4小时。
(3)烧结成型。
反应机理：虽然氧化铜粉末自身具有很高的熔点，但当其与铝粉组成混合粉末体系时，铝粉可充当还原剂，氧化铜粉末可充当氧化剂。并且通过球磨的方式在保证两种粉末混合均匀的同时还向系统中输入较高的能量，因而能够促进该混合粉末体系能够在铝熔点以下进行反应。反应方程式：CuO+Al→CuAl2+Al2O3
附图说明
图1为原始铝粉形貌
图2为原始氧化铜粉形貌
图3为球磨混粉后形貌
图4为冷压块体DSC-TG曲线
图5为烧结后复合材料在扫描电镜及透射电镜下的组织形貌，a)颗粒界面处氧化铝；b)TEM晶界；c) TEM下纳米CuAl2；d)TEM下纳米Al2O3颗粒
图6为热压态复合材料与相同工艺制备的纯铝的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
本发明的技术路线如下：
(1)配制混合粉末
按照氧化铜粉：铝粉(或铝合金粉末)质量比为小于10％称取混合粉末。
(2)对混合粉末进行球磨处理
将混合粉末装入球墨罐中，在氩气保护下对混合粉末进行球磨处理，球磨参数：球料比5:1～15:1，转速200r/min，球磨时间1～4小时。
(3)烧结成型
球磨后的粉末放入真空热压炉的模具中进行热压烧结成型，烧结压力为50MPa，烧结温度为620℃。热等静压烧结、放电等离子烧结等压力烧结工艺均可用于粉末烧结成型。制备的复合材料可以通过后续的热加工工艺进一步提高材料性能。
下面结合实例进一步说明本发明，这些实例只用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例1
称取19.8g铝粉(如图1所示)，0.2g氧化铜粉(如图2所示)，0.2g硬脂酸(用作过程控制剂，防止球磨过程中发生冷焊)，置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200r/min球磨2小时，球料比15:1。在真空手套箱中取出球磨后的混合粉末(如图3所示)。为精确测量热压烧结所需要的温蒂，首先将球磨混合后的粉末冷压为块体，对冷压后的块体进行DSC-TG测试。而后采用直径为45mm 的模具进行真空热压烧结，烧结温度620℃，烧结压力50MPa。得到直径为45mm厚度约4mm的纳米 CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料样品(如图5所示)。
将铝基复合材料通过线切割加工为可用于进行拉伸的式样，采用万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速率为 0.5mm/min，该复合材料拉伸工程应力应变曲线如图6所示
实施例2
称取19.8g铝粉，0.4g氧化铜粉，0.2g硬脂酸(用作过程控制剂，防止球磨过程中发生冷焊)，置于 250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200r/min球磨2小时，球料比15:1。在真空手套箱中取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具进行真空热压烧结，烧结温度620℃，烧结压力 50MPa。得到直径为45mm厚度约4mm的纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料样品。
将铝基复合材料通过线切割加工为可用于进行拉伸的式样，采用万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速率为 0.5mm/min，获得该复合材料拉伸工程应力应变曲线。
实施例3
称取19.8g铝粉，0.6g氧化铜粉，0.2g硬脂酸(用作过程控制剂，防止球磨过程中发生冷焊)，置于 250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200r/min球磨2小时，球料比15:1。在真空手套箱中取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具进行真空热压烧结，烧结温度620℃，烧结压力 50MPa。得到直径为45mm厚度约4mm的纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料样品。
将铝基复合材料通过线切割加工为可用于进行拉伸的式样，采用万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速率为 0.5mm/min，获得该复合材料拉伸工程应力应变曲线。
实施例4
称取19.8g铝粉，0.8g氧化铜粉，0.2g硬脂酸(用作过程控制剂，防止球磨过程中发生冷焊)，置于 250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200r/min球磨2小时，球料比15:1。在真空手套箱中取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具进行真空热压烧结，烧结温度620℃，烧结压力 50MPa。得到直径为45mm厚度约4mm的纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料样品。
将铝基复合材料通过线切割加工为可用于进行拉伸的式样，采用万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速率为 0.5mm/min，获得该复合材料拉伸工程应力应变曲线。
实施例5
称取19.8g铝粉，1g氧化铜粉，0.2g硬脂酸(用作过程控制剂，防止球磨过程中发生冷焊)，置于250 毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200r/min球磨2小时，球料比15:1。在真空手套箱中取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具进行真空热压烧结，烧结温度620℃，烧结压力50MPa。得到直径为45mm厚度约4mm的纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料样品。
将铝基复合材料通过线切割加工为可用于进行拉伸的式样，采用万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速率为 0.5mm/min，获得该复合材料拉伸工程应力应变曲线。
本发明采用球磨混粉的方式，将铝粉和氧化铜粉末混合均匀，通过粉末冶金的方法在铝熔点以下实现铝热反应，原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料。粉末冶金的方法不仅降低了实验危险性，同时也可用于大批量生产，具有极高的工业应用前景。
Claims (1)
1.一种原位合成纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)配制混合粉末
按照氧化铜粉：铝粉或铝合金粉末质量比为小于10％称取混合粉末。
(2)对混合粉末进行球磨处理
将混合粉末装入球墨罐中，在氩气保护下对混合粉末进行球磨处理，球磨参数：球料比5:1～15:1，转速200r/min，球磨时间1～4小时。
(3)烧结成型。
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