一种基于粉末级配的调和组织结构B4C/Al复合材料的制备方法

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料制备领域，具体涉及一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法。

背景技术：

1、b4c/al复合材料密度低、强度高、耐磨、抗冲击，且中子吸收截面大，是飞机蒙皮、直升机螺旋桨、汽车车壳、火车车身、乏燃料储存容器等结构件的理想材料，对国防军事、交通运输等领域的安全具有重要意义。但是传统均匀结构的b4c/al复合材料存在经典的强-塑性倒置问题，即拉伸强度大幅提升的同时，延伸率性急剧下降，使材料发生脆性断裂，导致材料在服役过程中突然失效。此外，b4c颗粒附近尤其是尖角处应力集中严重，促进了疲劳裂纹的萌生，大大降低了材料的疲劳寿命。因此，b4c/al复合材料在实际应用过程中的安全服役受到挑战。随着b4c/al复合材料受到越来越多关注，对其强-塑性协调和疲劳强度提出了更高的要求。

2、调和组织结构属于异质结构的一种，是指在金属材料中硬质细晶粒“壳”包裹软质粗晶粒“核”的组织结构。相比于纳米晶/超细晶金属，调和组织结构金属在保持高拉伸强度的同时塑性显著提升，且疲劳性能有明显改善。与调和组织结构金属类似，通过调控b4c颗粒的分布，实现硬质b4c/al“壳”包裹软质al“核”的组织结构，可以得到调组织结构b4c/al复合材料，克服传统均匀结构b4c/al复合材料强-塑性倒置和疲劳寿命低的问题。但目前调组织结构b4c/al复合材料制备工艺复杂，制备周期长，价格昂贵。同时，调和组织结构b4c/al复合材料的“核”需要具有合适的尺寸，以发挥调和组织结构的作用。然而，对调和组织结构b4c/al复合材料微观结构的精确调控具有较高难度，导致目前制备的调和组织结构b4c/al复合材料的性能难以达到预期。因此，需要一种新的制备方法，在简化调和组织结构b4c/al复合材料制备工艺的同时实现其微观结构的精确调控。

技术实现思路

1、本发明是要解决传统均匀结构b4c/al复合材料塑性差，疲劳寿命短，实际应用受限，以及调和组织结构b4c/al复合材料制备方法复杂，微观结构难以精确调控的问题。而提供一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法。

2、一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：

3、一、粉末级配混合：将粗球形al粉末、细球形al粉末和细b4c粉末进行球磨，使用硬脂酸作为过程控制剂，保护气氛为氩气；将球磨后的粉末通过热处理除去硬脂酸，得到b4c/al混合粉末；

4、二、b4c/al预制体制备：将b4c/al混合粉末装入钢模具中，然后施加一定的压力，保压一定时间后得到预制体；

5、三、b4c/al复合材料热压烧结：将预制体在高温下保温一定时间，然后施加高压并保压一定时间，自然冷却至室温，脱模后得到调和组织结构b4c/al复合材料。

6、本发明的有益效果：

7、本发明提供的基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料，通过细b4c粉末以及细球形al粉末和粗球形al粉末级配，获得细b4c/al混合粉末包裹粗球形al粉末的b4c非均匀分布粉末。通过热压烧结，细b4c/al混合粉末烧结成为硬质b4c/al复合材料，粗球形al粉末烧结成为软质al基体材料，且硬质b4c/al“壳”相互连通将软质al“核”包裹，形成调和组织结构。在拉伸变形过程中，硬质“壳”抑制了软质“核”的塑性变形，软质“核”承担了主要塑性应变，使复合材料具有高强度和高塑性。此外，硬质“壳”和软质“核”相互作用，改变了基体的应力分布，缓解了硬质“壳”中b4c附近的应力集中，同时软质“核”阻碍了裂纹扩展，大大提高了复合材料的疲劳寿命。

8、本发明提供的调和组织结构b4c/al复合材料是通过粉末级配实现的，原材料廉价易得，制备流程少，周期短，且易于大规模制备，可以满足工业化生产需求。通过改变粗球形al粉的粒径，可以调控软质“核”的尺寸；通过改变粗球形al粉的体积分数，可以调控软质“核”的体积分数；通过改变细球形al粉和粗球形al粉的合金元素，可以调控调和组织结构b4c/al复合材料的基体合金。本发明提供的基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，可以实现调和组织结构微观结构参数的精确调控，从而制备出不同力学性能的调和组织结构b4c/al复合材料，满足多种环境的应用需求。

技术特征：

1.一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述粗球形al粉末粒径为20～100μm，所述粗球形al粉末的体积分数为20～60％。

3.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述细球形al粉末粒径为1～5μm。

4.根据权利要求2所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述粗球形al粉为1xxx、2xxx、5xxx、6xxx或7xxx中的一种。

5.根据权利要求3所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述细球形al粉为1xxx、2xxx、5xxx、6xxx或7xxx中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述热处理是在氩气气氛、温度为400℃下保温0.5h。

7.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述细b4c粉末粒径为1～5μm，所述细b4c粉末的体积分数为5～20％。

8.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述球磨工艺为：球料比大于3:1，球磨转速小于300rpm，球磨时间大于3h，硬脂酸添加量为0.5～1wt.％。

9.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述压力为150～200mpa，所述保压时间为5～10min。

10.根据权利要求1所述的一种基于粉末级配的调和组织结构b4c/al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三所述高温为600～630℃，保温时间为2～5h，所述高压为300～500mpa，保压时间为10～15min。

技术总结
一种基于粉末级配的调和组织结构B4C/Al复合材料的制备方法。本发明涉及颗粒增强金属基复合材料制备领域，具体涉及一种基于粉末级配的调和组织结构B4C/Al复合材料的制备方法。本发明目的是为了解决传统均匀结构B<subgt;4</subgt;C/Al复合材料塑性差，疲劳寿命短，实际应用受限，以及调和组织结构B<subgt;4</subgt;C/Al复合材料制备方法复杂，微观结构难以精确调控的问题。方法：采用粗球形Al粉末和细球形Al粉末以及细B<subgt;4</subgt;C粉末进行级配，随后进行热压烧结，能够获得硬质B<subgt;4</subgt;C/Al“壳”包裹软质Al“核”的调和组织结构B<subgt;4</subgt;C/Al复合材料。该方法制备的B<subgt;4</subgt;C/Al复合材料具有低密度，高强韧和抗疲劳的优点。

技术研发人员：武帅芬,晁振龙,韩秉卓,姜龙涛,沈顾伟,刘明祺,葛佳辉,罗湉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30