一种铝基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种铝基复合材料及其制备方法 (Aluminum-based composite material and preparation method thereof ) 是由 池海涛 冯永平 张建雷 黄祯荣 刘金霞 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铝基复合材料及其制备方法,涉及金属基复合材料技术领域,其原料按照体积百分比包括：15-25%碳化硼、3-5%石墨烯或六方氮化硼、70-82%铝合金；其制备方法包括以下步骤：球磨混粉、烧结、均匀化处理及热处理；其制备装置包括依次连接的一级球磨机、二级球磨机、冷压成型机、加热炉、热压成型机,一级球磨机与二级球磨机之间连接有粉料输送机,冷压成型机、加热炉、热压成型机之间采用运输线进行传送,本发明制备的铝基复合材料密度为2.5-2.6g/cm～(3),且复合材料中的碳化硼增强体为自然界第三硬的陶瓷颗粒,耐磨性优异；同时铝基复合材料具备自润滑特性,石墨烯和六方氮化硼均为层状结构,复合材料在工作状态下可以有效的在表面铺展形成自润滑膜。(The invention discloses an aluminum-based composite material and a preparation method thereof, relating to the technical field of metal-based composite materials: 15-25% of boron carbide, 3-5% of graphene or hexagonal boron nitride and 70-82% of aluminum alloy; the preparation method comprises the following steps: ball milling, powder mixing, sintering, homogenizing treatment and heat treatment; the preparation device comprises a first-stage ball mill, a second-stage ball mill, a cold-pressing forming machine, a heating furnace and a hot-pressing forming machine which are connected in sequence, wherein a powder conveyer is connected between the first-stage ball mill and the second-stage ball mill, the cold-pressing forming machine, the heating furnace and the hot-pressing forming machine are conveyed by adopting a conveying line, and the density of the aluminum-based composite material prepared by the invention is 2.5-2.6g/cm 3 The boron carbide reinforcement in the composite material is third hard ceramic particles in the nature, so that the wear resistance is excellent; meanwhile, the aluminum-based composite material has a self-lubricating property, the graphene and the hexagonal boron nitride are both of a layered structure, and the composite material can be effectively spread on the surface to form a self-lubricating film in a working state.)
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制造技术领域，具体为一种铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料是以铝或铝合金为基体，通过增强相与基体协同强化，使材料具备轻质、高强、高刚等优异的综合性能，满足对内部质量有较高要求零件的需求。但由于铝基复合材料内部增强相的存在，熔体的粘度增加，降低了熔体的流动性，采用常规的重力浇注工艺，熔体在浇注过程中流动性、成形性差，熔体在凝固过程中，铸件的补缩通道不通畅，进而易造成铸件内部缩松、致密度低。铝基复合材料可以广泛用于航空、航天、汽车、军工等领域而受到重视，对该类材料的研究研究和应用也越来越多。
制备铝基复合材料的方法多种多样，根据基体材料与增强颗粒复合时的状态，可以将其简单地分为三类。一类是液态的铸造方法，第二类是固态的粉末冶金方法第三类是介于液态和固态之间的喷射共沉积方法。其中采用铸造法制备铝基复合材料时容易产生增强相偏聚、基体与增强相之间发生有害的界面反应、组织粗大、成分不均匀、易吸入气体和杂质等缺点，而且增强相体积分数较低，这些缺点导致材料的力学性能降低。采用粉末冶金法能较好地避免铸造法中的一些缺陷，如体积分数可控，组织细小、成分均匀等，但粉末冶金工艺过程复杂，容易污染，材料尺寸小，生产周期长，生产效率低，这些使其广泛应用受到一定的限制；然而现有的粉末冶金法的混粉过程中容易形成大量的缺陷而影响复合材料质量，，同时现有的工艺操作流程较为复杂，成本高。
因此有必要提出一种铝基复合材料及其制备方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝基复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铝基复合材料，其原料按照体积百分比包括：15-25%碳化硼、3-5%石墨烯或六方氮化硼、70-82%铝合金；
所述碳化硼的平均粒径为3-8μm，所述石墨烯或六方氮化硼的平均尺寸为100nm，所述铝合金为Al-Cu铝合金。
一种铝基复合材料的其制备方法，包括以下步骤：
（1）球磨混粉：采用双级球磨工艺，首先将铝合金粉末与碳化硼粉末进行一级球磨，且一级球磨机的转速设定为250～350r/min，时间为1～2h，再次将一级球磨获得的粉体与石墨烯或六方氮化硼混合后进行二级球磨，且二级球磨机转速设定为100～150r/min，时间为3～4h；
（2）烧结：将经步骤（1）得到的粉末置于模具中冷压，然后将模具放入加热炉中加热、保温后，利用压力机进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，得到铸锭；
（3）均匀化处理：将经步骤（2）得到的铸锭加热到515～535℃，并保温12～18h，保温结束后随炉冷却，冷却速率控制为5～10℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷至室温，得到的复合材料；
（4）热处理：再将经步骤（3）得到的复合材料528～548℃保温1～2h，水淬火后进行时效处理，时效温度为190～210℃，时效时间为6～8h。
作为对上述方案的进一步改进，所述步骤（2）中粉末置于模具中冷压至压力为20～30MPa，然后将模具放入加热炉中加热至温度为560-600℃，保温时间为1～2h。
一种铝基复合材料的制备装置，包括依次连接的一级球磨机、二级球磨机、冷压成型机、加热炉、热压成型机，所述一级球磨机与所述二级球磨机之间连接有粉料输送机，所述冷压成型机、加热炉、热压成型机之间采用运输线进行传送；
所述一级球磨机、二级球磨机均包括支座、筒体、进料器、出料器和第一驱动电机，所述支座上端固定有一对轴承架，一对所述轴承架之间转动安装有所述筒体，所述筒体的外壁固定有大齿圈，所述大齿圈的外壁啮合连接有小齿轮；所述第一驱动电机的输出端通过联轴器与减速机相连接，所述减速机的输出端通过转动轴与所述小齿轮相固定；所述筒体的内壁通过隔仓板分成粗料室和细料室，所述粗料室和所述细料室的内部均放置有研磨钢珠，所述细料室的内壁安装有卸料箅板，所述筒体的左端安装有所述进料器，所述筒体的右端安装有所述出料器；
所述冷压成型机和所述热压成型机均包括工作台、电控箱、成型模具、导柱及电动气缸，所述工作台的上端面四个角落均固定安装有所述导柱，四个所述导柱的下半段外壁共同固定安装有所述成型模具，四个所述导柱的上半段外壁共同滑动安装有滑座，所述滑座的下端面固定有模头，所述滑座的上端面与所述电动气缸的伸缩端相固定，所述工作台的前侧安装有所述电控箱；
所述加热炉包括炉台、直线隧道式炉膛、燃烧系统、排烟系统及翻面机构，所述炉台的上端固定有所述直线隧道式炉膛，所述直线隧道式炉膛的顶端安装有所述排烟系统，所述直线隧道式炉膛的内部设有所述翻面机构，所述翻面机构包括若干组转轴及翻架，所述翻架固定于所述转轴的外壁，所述转轴的中部外壁均固定有从动齿轮，若干个所述从动齿轮的底端共同啮合连接有齿条，所述齿条的两端均固定有滑棒，两个所述滑棒分别滑动安装于一对滑套内壁，位于右侧的滑棒的外壁固定有复位弹簧，且其右端固定有竖板，所述竖板的右端面抵接有凸轮，所述凸轮与第二驱动电机的输出轴相连接。
作为对上述方案的进一步改进，所述粉料输送机包括输送管、输送电机及螺旋绞龙叶片，所述输送电机安装于所述输送管的左侧外壁，所述螺旋绞龙叶片设置于所述输送管的内壁，所述输送电机的输出端与所述螺旋绞龙叶片相固定。
作为对上述方案的进一步改进，所述输送管的上侧壁开设有进料口且与所述一级球磨机的出料口相连接。
作为对上述方案的进一步改进，所述热压成型机还包括电加热装置，所述电加热装置包括电热板、加热器及感温棒。
作为对上述方案的进一步改进，所述加热炉内部设置有一对所述运输线，且所述翻面机构设置于一对所述运输线之间。
作为对上述方案的进一步改进，所述运输线包括主动轮、从动轮及金属网带，所述主动轮与所述从动轮的外壁共同套设有所述金属网带，所述主动轮由传送电机驱动。
作为对上述方案的进一步改进，所述翻架呈L形，且其内部横架及竖架相互垂直设置。
本发明的有益效果是：
1、本发明制备的铝基复合材料密度仅为2.5-2.6g/cm3，低于铝合金，且复合材料中的碳化硼增强体为自然界第三硬的陶瓷颗粒，耐磨性优异；同时铝基复合材料具备自润滑特性，石墨烯和六方氮化硼均为层状结构，复合材料在工作状态下可以有效的在表面铺展形成自润滑膜，此外增强体为石墨烯时，复合材料可以可以用于真空环境，增强体为六方氮化硼时，复合材料可以可以用于大气环境。
2、本发明为了保证粉末的完成性采用了双级球磨的工艺，防止在混粉过程中形成大量的缺陷而影响复合材料质量；同时本发明的设备及工艺操作流程简单，成本低，具有较高的经济性。
3、本发明中加热炉包括炉台、直线隧道式炉膛、燃烧系统、排烟系统及翻面机构，翻面机构包括若干组转轴及翻架，转轴的中部外壁均固定有从动齿轮，若干个从动齿轮的底端共同啮合连接有齿条，齿条的两端均固定有滑棒，两个滑棒分别滑动安装于一对滑套内壁，位于右侧的滑棒的外壁固定有复位弹簧，可启动第二驱动电机，第二驱动电机的输出端固定有凸轮，凸轮与竖板相抵接，进而在凸轮的转动以及复位弹簧的回缩性能下，能带动齿条左右往返移动，由于齿条与从动齿轮之间为啮合连接，进一步能带动转轴及翻架做顺时针、逆时针往返运动，当运输线上的铝基复合材料压制块进入到翻架的开口内部时，翻架顺时针转动90°即可将压制块翻转90°，从而使得压制块烧结更加均匀，所制备出的铝基复合材料性能更为均匀一致，不会出现忽好忽差的现象，也避免成品复合材料内部产生热应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明铝基复合材料的制备流程工艺图；
图2为本发明铝基复合材料制备装置的第一视角立体结构示意图；
图3为本发明复合材料制备装置的第二视角立体结构示意图；
图4为本发明中一级球磨机的立体结构示意图；
图5为本发明中一级球磨机的局部剖视结构示意图；
图6为本发明中冷压成型机的立体结构示意图；
图7为本发明中加热炉的立体结构示意图；
图8为本发明中加热炉内部翻面机构、运输线的安装示意图；
图9为本发明图8中A处局部放大示意图；
图10为本发明中热压成型机的立体结构示意图；
图11为本发明中粉料输送机的局部剖视结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-一级球磨机，101-支座，102-筒体，103-进料器，104-出料器，105-第一驱动电机，106-轴承架，107-大齿圈，108-小齿轮，109-减速机，110-隔仓板，111-粗料室，112-细料室，113-研磨钢珠，114-卸料箅板，2-二级球磨机，3-冷压成型机，301-工作台，302-电控箱，303-成型模具，304-导柱，305-电动气缸，306-滑座，4-加热炉，401-炉台，402-直线隧道式炉膛，403-燃烧系统，404-排烟系统，405-翻面机构，4051-转轴，4052-翻架，4053-从动齿轮，4054-齿条，4055-滑棒，4056-滑套，4057-复位弹簧，4058-竖板，4059-凸轮，4050-第二驱动电机，5-热压成型机，501-电加热装置，6-粉料输送机，601-输送管，602-输送电机，603-螺旋绞龙叶片，7-运输线，701-主动轮，702-从动轮，703-金属网带，704-传送电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种铝基复合材料，其原料按照体积百分比包括：15%碳化硼、3%石墨烯、82%铝合金；其中碳化硼的平均粒径为3μm，石墨烯的平均尺寸为100nm，铝合金为Al-Cu铝合金。
如图1所示，一种铝基复合材料的其制备方法，包括以下步骤：
（1）球磨混粉：采用双级球磨工艺，首先将铝合金粉末与碳化硼粉末进行一级球磨，且一级球磨机的转速设定为250r/min，时间为1h，再次将一级球磨获得的粉体与石墨烯或六方氮化硼混合后进行二级球磨，且二级球磨机转速设定为100r/min，时间为3h；
（2）烧结：将经步骤（1）得到的粉末置于模具中冷压，然后将模具放入加热炉中加热、保温后，利用压力机进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，得到铸锭，其中粉末置于模具中冷压至压力为20MPa，然后将模具放入加热炉中加热至温度为560℃，保温时间为1h；
（3）均匀化处理：将经步骤（2）得到的铸锭加热到515℃，并保温12h，保温结束后随炉冷却，冷却速率控制为5℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷至室温，得到的复合材料；
（4）热处理：再将经步骤（3）得到的复合材料528℃保温1h，水淬火后进行时效处理，时效温度为190℃，时效时间为6h。
实施例2
一种铝基复合材料，其原料按照体积百分比包括：20%碳化硼、4%石墨烯或六方氮化硼、76%铝合金；其中碳化硼的平均粒径为5μm，石墨烯平均尺寸为100nm，铝合金为Al-Cu铝合金。
如图1所示，一种铝基复合材料的其制备方法，包括以下步骤：
（1）球磨混粉：采用双级球磨工艺，首先将铝合金粉末与碳化硼粉末进行一级球磨，且一级球磨机的转速设定为300r/min，时间为1.5h，再次将一级球磨获得的粉体与石墨烯或六方氮化硼混合后进行二级球磨，且二级球磨机转速设定为130r/min，时间为3.5h；
（2）烧结：将经步骤（1）得到的粉末置于模具中冷压，然后将模具放入加热炉中加热、保温后，利用压力机进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，得到铸锭，其中粉末置于模具中冷压至压力为25MPa，然后将模具放入加热炉中加热至温度为580℃，保温时间为1.5h；
（3）均匀化处理：将经步骤（2）得到的铸锭加热到520℃，并保温16h，保温结束后随炉冷却，冷却速率控制为7℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷至室温，得到的复合材料；
（4）热处理：再将经步骤（3）得到的复合材料538℃保温1.5h，水淬火后进行时效处理，时效温度为200℃，时效时间为7h。
实施例3
一种铝基复合材料，其原料按照体积百分比包括：25%碳化硼、5%六方氮化硼、70%铝合金；其中碳化硼的平均粒径为8μm，石六方氮化硼的平均尺寸为100nm，铝合金为Al-Cu铝合金。
如图1所示，一种铝基复合材料的其制备方法，包括以下步骤：
（1）球磨混粉：采用双级球磨工艺，首先将铝合金粉末与碳化硼粉末进行一级球磨，且一级球磨机的转速设定为350r/min，时间为2h，再次将一级球磨获得的粉体与石墨烯或六方氮化硼混合后进行二级球磨，且二级球磨机转速设定为150r/min，时间为4h；
（2）烧结：将经步骤（1）得到的粉末置于模具中冷压，然后将模具放入加热炉中加热、保温后，利用压力机进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，得到铸锭，其中粉末置于模具中冷压至压力为30MPa，然后将模具放入加热炉中加热至温度为600℃，保温时间为2h；
（3）均匀化处理：将经步骤（2）得到的铸锭加热到535℃，并保温18h，保温结束后随炉冷却，冷却速率控制为10℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷至室温，得到的复合材料；
（4）热处理：再将经步骤（3）得到的复合材料548℃保温2h，水淬火后进行时效处理，时效温度为210℃，时效时间为8h。
实施例4
在实施例1或2或3的基础上，一种铝基复合材料的制备装置，如图2和图3所示，包括依次连接的一级球磨机1、二级球磨机2、冷压成型机3、加热炉4、热压成型机5，一级球磨机1与二级球磨机2之间连接有粉料输送机6，冷压成型机3、加热炉4、热压成型机5之间采用运输线7进行传送；
如图2、图4和图5所示，一级球磨机1、二级球磨机2均包括支座101、筒体102、进料器103、出料器104和第一驱动电机105，支座101上端固定有一对轴承架106，一对轴承架106之间转动安装有筒体102，筒体102的外壁固定有大齿圈107，大齿圈107的外壁啮合连接有小齿轮108；第一驱动电机105的输出端通过联轴器与减速机109相连接，减速机109的输出端通过转动轴与小齿轮108相固定；筒体102的内壁通过隔仓板110分成粗料室111和细料室112，粗料室111和细料室112的内部均放置有研磨钢珠113，细料室112的内壁安装有卸料箅板114，筒体102的左端安装有进料器103，筒体102的右端安装有出料器104；
如图2和图6所示，冷压成型机3和热压成型机5均包括工作台301、电控箱302、成型模具303、导柱304及电动气缸305，工作台301的上端面四个角落均固定安装有导柱304，四个导柱304的下半段外壁共同固定安装有成型模具303，四个导柱304的上半段外壁共同滑动安装有滑座306，滑座306的下端面固定有模头，滑座306的上端面与电动气缸305的伸缩端相固定，工作台301的前侧安装有电控箱302；
如图2、图7、图8和图9所示，加热炉4包括炉台401、直线隧道式炉膛402、燃烧系统403、排烟系统404及翻面机构405，炉台401的上端固定有直线隧道式炉膛402，直线隧道式炉膛402的顶端安装有排烟系统404，直线隧道式炉膛402的内部设有翻面机构405，翻面机构405包括若干组转轴4051及翻架4052，翻架4052呈L形，且其内部横架及竖架相互垂直设置，翻架4052固定于转轴4051的外壁，转轴4051的中部外壁均固定有从动齿轮4053，若干个从动齿轮4053的底端共同啮合连接有齿条4054，齿条4054的两端均固定有滑棒4055，两个滑棒4055分别滑动安装于一对滑套4056内壁，位于右侧的滑棒4055的外壁固定有复位弹簧4057，且其右端固定有竖板4058，竖板4058的右端面抵接有凸轮4059，凸轮4059与第二驱动电机4050的输出轴相连接；加热炉4内部设置有一对运输线7，且翻面机构405设置于一对运输线7之间。
如图2和图10所示，热压成型机5还包括电加热装置501，电加热装置501包括电热板、加热器及感温棒。
如图2和图8所示，粉料输送机6包括输送管601、输送电机602及螺旋绞龙叶片603，输送电机602安装于输送管601的左侧外壁，螺旋绞龙叶片603设置于输送管601的内壁，输送电机602的输出端与螺旋绞龙叶片603相固定；输送管601的上侧壁开设有进料口且与一级球磨机1的出料口相连接。
如图2和图11所示，运输线7包括主动轮701、从动轮702及金属网带703，主动轮701与从动轮702的外壁共同套设有金属网带703，主动轮701由传送电机704驱动。
实施例4的工作原理为：首先将物料由进料器103进入到一级球磨机1、二级球磨机2的筒体102内部，一级球磨机1、二级球磨机2的第一驱动电机105同时启动后，在减速机109的降速作用下能带动小齿轮108低速转动，由于小齿轮108与大齿圈107之间为啮合连接，进一步能带动大齿圈107及筒体102开始转动，筒体102的内壁通过隔仓板110分成粗料室111和细料室112，粗料室111和细料室112的内部均放置有研磨钢珠113，研磨钢珠113在与筒体102内壁惯性、离心力和摩擦力作用，使它附在内壁被筒体一定的高度时候，由于其本身的重力作用而被抛落，下落的研磨钢珠113像抛射体一样将筒体内的物料给击碎，物料在粗料室111达到粗磨后，经单层隔仓板110进入细料室112，该仓内同样设置有研磨钢珠113，将物料进一步研磨，粉状物料通过卸料箅板114排出，完成粉磨作业；接着粉末状物料经过运输线7输送到冷压成型机3的成型模具303内部，再通过电控箱302来控制电动气缸305的伸缩杆向下伸长，进而能带动滑座306沿四个导柱304的外壁向下移动，滑座306的下端面固定有模头，当模头进入到成型模具303时即可将粉状物料挤压成块状；然后将块状物料脱模后，再次经运输线7输送到加热炉4中进行加热、保温后，在加热、保温的过程中可启动第二驱动电机4050，第二驱动电机4050的输出端固定有凸轮4059，凸轮4059与竖板4058相抵接，进而在凸轮4059的转动以及复位弹簧4057的回缩性能下，能带动齿条4054左右往返移动，由于齿条4054与从动齿轮4053之间为啮合连接，进一步能带动转轴4051及翻架4052做顺时针、逆时针往返运动，当运输线7上的铝基复合材料压制块进入到翻架4052的开口内部时，翻架4052顺时针转动90°即可将压制块翻转90°，从而使得压制块烧结更加均匀，所制备出的铝基复合材料性能更为均匀一致，不会出现忽好忽差的现象，也避免成品复合材料内部产生热应力，最后利用热压成型机5进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，即可得到最后的铝基复合材料。
综合实施例1-4，本发明制备的铝基复合材料密度仅为2.5-2.6g/cm3，低于铝合金，且复合材料中的碳化硼增强体为自然界第三硬的陶瓷颗粒，耐磨性优异；同时铝基复合材料具备自润滑特性，石墨烯和六方氮化硼均为层状结构，复合材料在工作状态下可以有效的在表面铺展形成自润滑膜，此外增强体为石墨烯时，复合材料可以可以用于真空环境，增强体为六方氮化硼时，复合材料可以可以用于大气环境；为了保证粉末的完成性采用了双级球磨的工艺，防止在混粉过程中形成大量的缺陷而影响复合材料质量；同时本发明的的设备及工艺操作流程简单，成本低，具有较高的经济性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。