Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属基复合材料的制备技术，具体是粉末触变成形技术制备T1Al3Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]Al3Ti金属间化合物因其硬度高、高温力学性能和抗氧化性优异，特别是膨胀系数低、密度小，与Al合金复合不会在界面处产生大的残余应力，且更能体现质轻的特点，是铝基复合材料理想的增强体。目前制备Al3Ti粒子(Al3Tip)增强Al基自生复合材料(Al3TipAl)最常用的方法为粉末冶金法，其过程是将Al合金粉末与Ti或T12粉末混合、压块、真空干燥后，在低于Al合金固相线温度无压或加压反应烧结。但因该方法反应温度低(600°C或以下)，耗时长(5h以上)，不仅能耗大，而且合金元素烧损严重，生产效率低，尤为重要的是所得材料因Kirkendall效应产生的孔隙致使组织致密性差，且成形件的尺寸和形状受限较大。尽管采用微波、等离子体等烧结技术可明显改善致密性，但仍存在相当比例的孔隙，或者采用后续的再加工，如乳制、搅拌摩擦加工等能获得组织致密的材料，但增加了成本，且对大尺寸，尤其是复杂形状零件的难以加工。更为重要的是Al3Ti脆性大，与其它微米级金属间化合物或陶瓷粒子增强的Al基复合材料相似，在提高Al合金强度的同时，韧性急剧下降，这是除制造技术外，限制粒子(金属间化合物、陶瓷)增强金属基复合材料应用的第二个主要因素。原因是在外力作用下，当增强体/基体界面处的应力达到一定程度时，Al3Tip粒子(Al 3Tip)很容易破碎，从而瞬时产生粒子尺寸大小的裂纹，经失稳、扩展后使材料过早断裂。断裂理论认为在一定应力下，只有当裂纹的尺寸达到一定长度时才会失稳、扩展。因此，减小粒子尺寸可有效遏制裂纹的扩展，保持材料的韧性。但要获得小尺寸，比如纳米尺寸的Al3Tip势必先得到Ti纳米粉末，而生产Ti纳米粉除技术上的困难外，还使制造成本急剧增加。现有研究发现，在反应烧结的过程中，Al3Ti是逐层向Ti粉内生成，可形成芯部为T1、外壳为Al3Ti化合物的芯-壳结构的粒子。可以推断:当Al3Ti外壳的厚度达到一定程度时，这种芯-壳结构的粒子对材料的增强作用将与全部为Al3Ti的粒子接近或相当，但在外力作用下，因破碎形成的裂纹仅限于Al3Ti壳内，其尺寸大大减小；另外，裂纹的两端分别与软的Al基体和Ti芯相连，使裂纹尖端钝化，从而延缓、阻碍了裂纹的扩展。即TiiAl3Ti芯-壳结构粒子(T1Al3Tip)增强的Al基复合材料(Ti@Al3Tip/Al)具有比Al3Tip/Al基复合材料更好的力学性能，尤其是更好的韧性。
[0003]而于1970’ s发展起来的触变成形技术，不仅能大幅度减少、甚至消除缩松、气孔等孔隙，而且还能成形近净型的大尺寸、复杂形状的薄壁件，而近净型对于难加工的颗粒增强金属基复合材料尤为重要。另外粉末冶金法所用原材料通常用雾化法获得，不仅自身尺寸小，而且组织也十分细小，将粉末压块部分重熔可得到初生相颗粒细小、圆整的半固态组织，是触变成形所需的理想组织。如果将粉末冶金技术和触变成形技术相结合，便可得到一种集制备和成形结构型T1Al3Ti芯-壳结构粒子(T1Al3Tip)增强的Al基复合材料于一体的新技术一一粉末触变成形:先以粉末冶金法的混粉和压实步骤得到Al合金粉末和Ti粉末混合均匀的压块，然后在真空炉中加热到Al合金的半固态温度进行部分重熔，当加热一定的时间，不仅固态Ti粉与液相中的Al元素反应形成增强体Al3Ti粒子(Al3Tip),完成了Al3Tip壳层的反应生成，而且也获得了初生相颗粒细小、圆整、组织致密、少孔隙的触变成形用非枝晶半固态锭料，待Ti粉表面形成的T1Al3Ti芯-壳结构粒子且大部分没有破裂后进行触变成形。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种(Ti@A13Ti) p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法。
[0005]本发明是(Ti@A13Ti) p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其步骤为:将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层尽可能厚的致密Al3Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出T1Al3Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。
[0006]本发明的有益之处为:工艺过程相对简单，所得材料成本低，且组织致密，容易获得形状复杂的大尺寸零件。其综合了粉末冶金和触变成形技术的优点，是一种集制备和成形T1Al3Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料于一体的新技术。
【附图说明】
[0007]图1、图2是590°C加热60min后触变成形材料的光学照片，图3、图4是595°C加热50min后触变成形材料的光学照片，图5、图6是605°C加热45min后触变成形材料的光学照片，图7、图8是615°C加热40min后触变成形材料的光学照片，图9是590°C加热60min后触变成形的X射线衍射图谱。
【具体实施方式】
[0008]本发明是(Ti@A13Ti) p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其步骤为:将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层尽可能后的致密Al3Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出T1Al3Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。
[0009]根据以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，纯钛粉与招合金粉混合球磨时间为0.5h-lh,球料比为5:1，转速100r/min。
[0010]根据以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，压块制备的压力范围为144MPa-224MPa。
[0011]根据以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，对于A356铝合金，其适合的半固态温度范围在590°C _615°C之间，对应的固相率在40%-60%之间。
[0012]根据以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，加热时间决定于反应速度，以形成尽可能后的致密壳层为准，反应时间范围为40min-60min。
[0013]根据以上所述的(Ti@A13Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，模具预热温度为 200 °C -350 °