一种基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法

本发明公开了一种基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，属于金属基复合材料领域。

背景技术：

1、铍/铝合金复合材料结合了铍的刚性和铝的强韧性，具有低密度、高比强度及高比刚度等优良特性，可广泛应用于航空航天、交通、军工等领域，已逐渐成为一种重要的新型结构材料。

2、目前，铍/铝合金复合材料的制备方法主要有铸造法和粉末冶金法。由于铍和铝存在熔点相差(约629℃)较大，采用铸造法制备铍铝合金时，获得的是先析出铍相及铝-铍共晶相，需要在较宽的凝固温度区间内补缩，先凝固的铍相枝晶会阻挡铝相的流动，极易导致复合材料组织粗大、成分偏析以及缩松、热裂等铸造缺陷。粉末冶金法通过冷等静压、热等静压、真空热压、放电等离子烧结等方式进行，所制备的铍/铝合金复合材料晶粒尺寸较为细小，可有效避免裂纹、疏松、偏析、夹杂等缺陷的产生，粉末冶金铍/铝合金复合材料具有较高力学性能，但存在工艺复杂、对设备要求高等缺点，限制了其在工业上的应用。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，该方法为一种工艺简单且低成本的粉末冶金方法，解决了目前通过粉末冶金法制备铍/铝合金复合材料时存在的工艺复杂、对设备要求高等问题，获得具有良好冶金结合界面的铍/铝合金复合材料；所述方法为将氧化预处理铝合金粉(al/al2o3复合颗粒)及工业铍粉混合、冷压后进行半固态二次降温热压，然后进行原位还原烧结，得到铍/铝合金复合材料。

2、优选的，本发明所述铝合金粉氧化预处理为：铝合金粉在空气中加热到t1温度，t1＝ts-(50～100)℃，ts为铝合金的固相线温度，氧化2～4h，在其表面覆盖一层氧化铝薄膜，获得al/al2o3复合颗粒。

3、优选的，本发明所述半固态二次降温热压为：首先将铍/铝合金冷压坯在保护气氛下加热到铝合金固液两相区的t2温度，t2＝ts+(0.3～0.5)△t，△t为铝合金的固-液相线温度差，保温30min后对其进行t2温度下的一次热压；一次热压结束后，待其随炉降温至t3温度，t3＝t2-0.2(t2-ts)，保温30min后对其进行t3温度下的二次热压，最后随炉冷却至室温，得到铍/铝合金热压坯。

4、优选的，本发明所述原位还原烧结为：将铍/铝合金热压坯在保护气氛下加热到t4温度，t4＝ts-(10～20)℃，并进行6～24h的原位还原烧结，冷却后得到铍/铝合金复合材料。

5、优选的，本发明所述冷压的条件为：冷压压力为400～600mpa，保压时间为10～20min。

6、优选的，本发明用于氧化预处理铝合金粉为(2024、6061、6063、7075等)存在一定固-液两相温度区间的铝合金粉，其粒径范围为1～120μm；工业铍粉的粒径范围为1～120μm。

7、优选的，本发明所述混料中工业铍粉占混合粉末总质量的8～62wt.％，余量为氧化预处理铝合金粉，混料速度为25～40rpm，混料时间为5～10h。

8、发明原理：

9、1、半固态二次降温热压

10、本发明选取具有一定固-液两相区的铝合金进行半固态二次降温热压(一次热压+二次热压)，为使铍/铝合金半固态压坯在热压力作用下实现铝合金颗粒间的结合，本发明的一次热压t2温度为：

11、t2＝ts+(0.3～0.5)△t(1)

12、其中，t2为半固态铍/铝合金压坯的一次热压温度(℃)，ts为铝合金固相线温度(℃)，△t为铝合金固-液相线温度差(℃)。

13、然而，铍/铝合金半固态压坯一次热压时较高的热压温度，使铍颗粒周围部分铝合金熔化，形成发达的液相网络，在凝固过程中可能产生孔洞、析出有害相等缺陷，降低铍/铝合金复合材料的力学性能；本发明在一次热压的基础上，在相对较低的温度下进行二次热压，通过热力作用破碎及细化一次热压产生的部分液相网络，进而改善铍/铝合金热压坯的微观组织结构，提升其力学性能。本发明的二次热压温度t3为：

14、t3＝t2-0.2(t2-ts)(2)

15、其中，t2为半固态铍/铝合金压坯的一次热压温度(℃)，t3为半固态铍/铝合金压坯的二次热压温度(℃)，ts为铝合金固相线温度(℃)。

16、2、原位还原烧结

17、(1)铝合金粉氧化预处理

18、本发明基于式(3)对铝合金粉进行氧化预处理，得到铝合金粉表面包覆一层氧化铝薄膜的al/al2o3复合颗粒。

19、4/3al(s)+o2(g)＝2/3al2o3(s)△g1＝-1216.4+0.1954t(j/mol)(3)

20、当温度<660℃(al的熔点)时，△g1<0，铝合金粉氧化可自发进行。为通过较短的预处理时间制备得到具有一定厚度的氧化铝薄膜，本发明通过实验得出铝合金粉的氧化t1温度为ts-(50～100)℃，氧化时间为2～4h，为后续原位还原烧结获得具有良好冶金结合界面的铍/铝合金复合材料做准备。

21、(2)原位还原烧结

22、本发明铍/铝合金热压坯的原位还原烧结为固相反应，由图1可知，当原位还原烧结温度<660℃(al的熔点)时，式(4)反应的吉布斯自由能△g2<0，即铍元素相较于铝元素具有与氧较大的亲和力，铍/铝合金热压坯通过高温长时的烧结过程，铍可将铝颗粒表面的al2o3薄膜原位还原而形成冶金结合界面。

23、3be(s)+al2o3(s)＝3beo(s)+2al(s)△g2＝-149.5-0.0201t(j/mol)(4)

24、本发明中，为实现原位还原，原位还原烧结t4温度为铝合金固相线ts-(10～20)℃，原位还原烧结时间为6～24h。

25、本发明的有益效果：

26、本发明采用一种基于半固态二次降温热压及原位反应的铍/铝合金复合材料粉末冶金制备方法，获得具有良好冶金结合界面、兼备高刚性及强韧性的铍/铝合金复合材料，有效避免铍/铝合金复合材料的孔洞、裂纹、偏析等缺陷，具有工艺简单、成本低的特点，可实现工业化生产。

技术特征：

1.一种基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：所述方法为将氧化预处理铝合金粉及工业铍粉混合、冷压后进行半固态二次降温热压，然后进行原位还原烧结，得到铍/铝合金复合材料。

2.根据权利要求1所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：铝合金粉氧化预处理为：铝合金粉在空气中加热到t1温度，t1＝ts-(50～100)℃，ts为铝合金的固相线温度，氧化2～4h，在其表面覆盖一层氧化铝薄膜，获得al/al2o3复合颗粒。

3.根据权利要求2所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：半固态二次降温热压为：首先将铍/铝合金冷压坯在保护气氛下加热到铝合金固液两相区的t2温度，t2＝ts+(0.3～0.5)△t，△t为铝合金的固-液相线温度差，保温30min后对其进行t2温度下的一次热压；一次热压结束后，待其随炉降温至t3温度，t3＝t2-0.2(t2-ts)，保温30min后对其进行t3温度下的二次热压，最后随炉冷却至室温，得到铍/铝合金热压坯。

4.根据权利要求3所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：原位还原烧结为：将铍/铝合金热压坯在保护气氛下加热到t4温度，t4＝ts-(10～20)℃，并进行6～24h的原位还原烧结，冷却后得到铍/铝合金复合材料。

5.根据权利要求3所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：冷压的条件为：冷压压力为400～600mpa，保压时间为10～20min。

6.根据权利要求1～5任意一项所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：用于氧化预处理的铝合金粉为存在固-液两相温度区间的铝合金粉，其粒径范围为1～120μm；工业铍粉的粒径范围为1～120μm。

7.根据权利要求6所述基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，其特征在于：混料中工业铍粉占混合粉末总质量的8～62wt.％，余量为氧化预处理铝合金粉，混料速度为25～40rpm，混料时间为5～10h。

技术总结
本发明公开一种基于半固态二次降温热压制备铍/铝复合材料的方法，属于金属基复合材料领域，由以下几个步骤组成：(1)混料：将工业纯铍粉和氧化预处理的铝合金粉进行混料，得到铍/铝合金混合粉末；(2)冷压：将铍/铝合金混合粉末放入冷压模具中进行冷压，得到铍/铝合金冷压坯；(3)半固态二次降温热压：将铍/铝合金冷压坯在保护气氛下进行半固态二次降温热压，得到铍/铝合金热压坯；(4)原位还原烧结：将铍/铝合金热压坯在保护气氛下进行原位还原烧结，得到具有良好冶金结合界面的铍/铝合金复合材料。

技术研发人员：左孝青,游润万,宋文凯,杨一群,周芸,起华荣,王效琪
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12