【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于粉末冶金领域，涉及一种低成本、轻质、高强度铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
1、铝基复合材料主要以纯铝或铝合金为基体，通过添加颗粒、纤维或晶须等增强相以达到改善合金基体组织、提高性能的目的。较之传统铝合金材料，铝基复合材料拥有更广阔的设计空间，可根据所需性能选择不同的增强相、灵活的成分配比，利用不同的制备方法获得组织更优、性能更好的铝基复合材料，具有比重小、强度高、热膨胀系数低等优良特性，在国民经济的发展中发挥了重要的作用。
2、然而，传统铝基复合材料主要以sic、tic、tib2等高硬度、高熔点硬质陶瓷颗粒为增强相，相较于铝基体，铝基复合材料热加工过程中的变形抗力显著提高，成形难度增大，制造成本增加。玻璃粉是一种没有固定熔点的非晶材料，随温度升高会发生软化，若作为第二相加入铝基体中，在热加工过程中便易与于基体协同变形，大幅降低铝基复合材料的成形难度。同时，玻璃粉价格低廉，其具有密度低、硬度高、抗压强度高等特性，作为铝基复合材料的增强相，可以显著提高复合材料的比强度、比刚度，并有效降低复合材料的密度。
3、专利技术专利cn 118048557 a公开了一种微晶玻璃颗粒增强铝基复合材料及其制备方法、应用。该复合材料中微晶玻璃颗粒的质量占比为5-20%，粒度为800-1250目，与铝粉、合金元素粉末一起经混粉、成型、热压烧结制备成铝基复合材料。该专利技术通过热压烧结技术在一定程度上改善了玻璃增强铝基复合材料中增强相与基体的界面结合状态，提高了复合材料的致密度，但热压烧结难以明显改善铝基复合材
4、因此，亟需开发高性能、尺寸调整范围宽的铝基复合材料低成本高效制造技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种低成本轻质高强铝基复合材料及其制备方法，能够解决现有技术中陶瓷颗粒增强铝基复合材料难加工成形以及坯锭尺寸不满足结构件使用需求的问题，具有低密度、强界面、优异的强塑性匹配。
2、为实现本专利技术的技术目标，本专利技术提供的技术方案如下：
3、一种低成本轻质高强铝基复合材料，其中玻璃粉添加量为5-30 wt%，其余为铝或铝合金成分以及不可避免的杂质。玻璃粉的加入量过低，则对材料性能改善不明显，密度降低不明显；玻璃粉的加入量过高，则会影响材料的成形效果和烧结致密度，降低材料性能。
4、所述铝基复合材料具有低成本、低密度的特点，并具有优异的力学性能：密度为2.5-2.7 g/cm3，抗拉强度为260-550 mpa，屈服强度为200-480 mpa，延伸率为5-14%。
5、进一步地，当铝基原料为铝合金时，所述铝基复合材料的抗拉强度为420-550mpa，屈服强度为360-480 mpa。
6、所述低成本轻质高强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7、（1）复合粉末制备：将铝粉或铝合金粉末与玻璃粉均匀混合；
8、（2）冷等静压成形：将步骤（1）得到的复合粉末装入包套，经冷等静压成形得到生坯；
9、（3）烧结致密化：将步骤（2）得到的生坯放置在烧结炉内进行烧结，烧结气氛为空气，得到复合材料的烧结坯锭；
10、（4）变形加工及热处理：将步骤（3）得到的烧结坯锭根据实际需要，进行热挤压、热轧或环锻等变形加工，变形加工毛坯根据不同使用需求进行热处理。
11、优选的是，步骤（1）所述的铝合金粉末可以通过元素混合法制备，也可以通过雾化法制备。优选的铝合金型号选自7055铝合金、7075铝合金、2324铝合金、2024铝合金中的一种或几种。
12、优选的是，步骤（1）所述的玻璃粉为硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉、磷酸盐玻璃粉、石英玻璃粉中的一种或几种。上述玻璃材质的软化温度较低，能够适应后续变形加工，从而有良好的温度匹配。
13、优选的是，步骤（1）所述玻璃粉的形状为不规则形或球形，平均粒径为0.5-10 µm，其密度为1.8-2.5 g/cm3。与现有技术相比，本专利技术无需使用成本较高的微晶玻璃，且所选玻璃形态多，粒径更细小，对基体的增强效果更明显。
14、优选的是，步骤（1）所述铝粉或铝合金粉末与玻璃粉通过v型混料机、双锥混料机、滚动球磨机、行星球磨机、搅拌球磨机中的一种或几种实现均匀混合，球料比为2:1-20:1，混合时间为4-24小时。
15、优选的是，步骤（2）的包套材质为橡胶或硅胶，生坯形状为棒状、板状、管状或环状，压制压力为120-400 mpa，保压时间为20-150 s。
16、优选的是，步骤（3）的烧结温度为500-640 ℃，保温时间为1-6 h。选择该烧结温度范围能够实现铝的致密化，同时不会造成铝的氧化。烧结温度过高则会导致晶粒过大，液相流出，大大降低烧结致密度。烧结温度过低则会导致颗粒间没有充分结合，欠烧而引起样品不致密，性能下降。
17、优选的是，步骤（4）将得到的烧结坯锭进行t6热处理，进一步地，步骤（4）所述的变形加工温度为250-500 ℃，固溶温度为450-550 ℃，淬火介质为40-70 ℃水，时效温度为100-200 ℃，时效时间8-24 h。
18、本专利技术技术关键点在于：
19、（1）本专利技术在高强铝合金基体中加入5-30 wt%低密度玻璃粉，通过均匀混粉技术保证玻璃粉颗粒在铝基体中均匀分布，采用空气无压烧结联合热挤压、热锻等热变形加工工艺，制备出全致密的粉末冶金铝基复合材料。玻璃粉颗粒与基体实现强界面结合，获得优异的颗粒强化效果，加之基体晶粒细小，实现复合材料强塑性良好匹配。
20、（2）本专利技术通过控制热变形加工、热处理温度，通过选择合适的热变形加工温度来软化玻璃粉颗粒，降低了颗粒增强铝基复合材料的加工成形难度，热处理调控获得优异的沉淀析出强化效果，从而保证了产品的综合性能。
21、本专利技术的有益效果在于：
22、（1）本专利技术采用的玻璃粉的密度和价格均比铝粉低，使制备的铝基复合材料具有“双低”特性——低密度、低成本；高硬度玻璃粉与基体的强界面结合以及铝基体晶粒细小的微观组织结构，使复合材料获得“双高”性能——高强度、高塑性。
23、（2）本专利技术技术相较于搅拌铸造法制备铝基复合材料，可以避免气孔、疏松等缺陷的形成，改善合金成分偏析和增强相分布不均匀的现象；相较于热压烧结法制备铝基复合材料，可以实现大尺寸铝基复合材料制品的高效制造，拓宽产品应用范围。
24、（3）粉末冶金无压烧结联合热变形加工制备玻璃粉增强铝基复合材料具有独特优势，采用空气无压烧结可提高制坯效率，大幅降低制坯成本，工艺适应性强，塑性加工窗口宽，成材率高，可实现大规模工业化生产。
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1.一种低成本轻质高强铝基复合材料，其特征在于，其中玻璃粉添加量为5-30 wt%，其余为铝或铝合金成分以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，其密度为2.5-2.7 g/cm3，抗拉强度为260-550 MPa，屈服强度为200-480 MPa，延伸率为5-14%。
3.根据权利要求1或2所述低成本轻质高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述铝合金型号选自7055铝合金、7075铝合金、2324铝合金、2024铝合金中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的玻璃粉为硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉、磷酸盐玻璃粉、石英玻璃粉中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述玻璃粉的形状为不规则形或球形，平均粒径为0.5-10 µm，其密度为1.8-2.5 g/cm3。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述铝粉或铝合金粉末
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）的包套材质为橡胶或硅胶，生坯形状为棒状、板状、管状或环状，压制压力为120-400 MPa，保压时间为20-150 s。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）的烧结温度为500-640 ℃，保温时间为1-6 h。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的变形加工温度为250-500 ℃，固溶温度为450-550 ℃，淬火介质为40-70 ℃水，时效温度为100-200 ℃，时效时间8-24 h。
...【技术特征摘要】
1.一种低成本轻质高强铝基复合材料，其特征在于，其中玻璃粉添加量为5-30 wt%，其余为铝或铝合金成分以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，其密度为2.5-2.7 g/cm3，抗拉强度为260-550 mpa，屈服强度为200-480 mpa，延伸率为5-14%。
3.根据权利要求1或2所述低成本轻质高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述铝合金型号选自7055铝合金、7075铝合金、2324铝合金、2024铝合金中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的玻璃粉为硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉、磷酸盐玻璃粉、石英玻璃粉中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述玻璃粉的形状为不规则形或球形，平...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈存广，任哲，董小龙，刘新华，杨芳，郭志猛，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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