一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 (Titanium-nickel alloy particle reinforced aluminum matrix composite material and preparation method thereof ) 是由 庄栋栋 张书豪 王谦 汪存龙 吴继礼 王丹 沈华宾 刘海霞 雷玉成 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法,属于金属基复合材料加工领域；在本发明中,通过采用钛镍合金作为增强相,改进挤压制备工艺,得到具有高强度和韧性的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料；所述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料中钛镍合金颗粒为增强相,铝合金为基体,钛镍合金颗粒分布均匀,钛镍合金颗粒与铝基体间界面结合良好；所述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料的晶粒尺寸为30～70μm,抗拉强度为171～195 MPa,延伸率为9.8%～14.4%。(The invention provides a titanium-nickel alloy particle reinforced aluminum matrix composite material and a preparation method thereof, belonging to the field of metal matrix composite material processing; in the invention, the titanium-nickel alloy particle reinforced aluminum matrix composite material with high strength and toughness is obtained by adopting the titanium-nickel alloy as a reinforcing phase and improving the extrusion preparation process; in the titanium-nickel alloy particle reinforced aluminum matrix composite material, titanium-nickel alloy particles are used as a reinforcing phase, aluminum alloy is used as a matrix, the titanium-nickel alloy particles are uniformly distributed, and the interface between the titanium-nickel alloy particles and the aluminum matrix is well combined; the grain size of the titanium-nickel alloy particle reinforced aluminum matrix composite material is 30-70 mu m, the tensile strength is 171-195 MPa, and the elongation is 9.8% -14.4%.)
技术领域
本发明属于金属基复合材料加工领域，涉及一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高、弹性模量大等优点，是广泛用于航空和轨道交通领域的轻量化材料。使用铝基复合材料作为飞机的机身不仅可以减轻机身重量，还可以提高飞机整体性能。近年来，铝合金材料的制备工艺及理论研究发展非常迅速，但在实际应用过程中铝合金仍然存在自身韧性差、硬度低，耐磨、耐冲击差、热稳定性差等问题。由于铝合金不能通过直接热处理的方式来提高材料性能，这限制了它的应用与发展。
目前，国内外研究人员通过向铝基复合材料中加入陶瓷颗粒来提高其硬度和耐磨性，但是其仍然存在塑性和韧性差的缺陷。与传统合金相比，钛镍合金是一种具有形状记忆效应、超弹性、高疲劳强度、耐蚀性和生物相容性等优异性能的金属间化合物。如果用钛镍合金代替陶瓷颗粒增强铝合金，它将有望大大改善复合材料的塑性和韧性，并且钛镍合金与铝合金基材之间的界面主要源自金属之间的自然界面特性，具有良好的润湿性。
采用热挤压方法制备铝基复合材料，具有成本低廉和设备简单等优点，但传统挤压工艺较难实现大挤压比的成形加工，且制备材料存在粉末间结合强度较差的问题，在实际应用中受到一定的限制。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。在本发明中，通过采用钛镍合金作为增强相，改进挤压制备工艺，得到具有高强度和韧性的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料；所述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料中钛镍合金颗粒分布均匀，钛镍合金颗粒与铝基体间界面结合良好。
本发明中首先提供了一种钛镍合金颗粒增强铝基复合材料，所述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料中钛镍合金颗粒为增强相，铝合金为基体，钛镍合金颗粒分布均匀，钛镍合金颗粒与铝基体间界面结合良好；所述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料的晶粒尺寸为30~70μm，抗拉强度为171~195 MPa，延伸率为9.8%~14.4%。
进一步的，所述铝合金为5系、6系或7系铝合金中的任一种。
进一步的，所述铝合金为6系铝合金，具体成分为Cu: 0.15~0.4%, Mn: 0.15%,Mg: 0.8~1.2%, Zn: 0.25%, Cr: 0.04~0.35%, Ti: 0.15%, Si: 0.4~0.8%, Fe≤0.7%,Al: 余量。
本发明中还提供了上述钛镍合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，具体步骤包括：
（1）将Ti和Ni金属粉末进行机械混合和真空雾化，得到钛镍合金粉末；
（2）将制得的钛镍合金粉末与铝合金粉末进行真空球磨处理，获得均匀的铝基复合粉末；
（3）将得到的铝基复合粉末和预压模具分别加热并保温，然后将铝基复合粉末倒入预压模具中，利用压机进行预压变形处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的坯料；
（4）将得到的坯料和挤压模具分别加热并保温，然后将坯料置入挤压模具中，根据挤压比的不同选择挤压速度，按照预设的速度进行控速挤压处理，制备出钛镍颗粒增强铝基复合材料。
进一步的，步骤（1）中，钛镍合金粉末中，Ti金属粉末摩尔百分比为42~44%，Ni金属粉末摩尔百分比为56-58%。
进一步的，步骤（2）中，钛镍合金粉末与铝合金粉末质量比为1:2~40。
进一步的，步骤（3）中，铝基复合粉末和预压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为300~400℃，保温时间为20~40min。
进一步的，步骤（3）中，保压时间为10~30min。
进一步的，步骤（4）中，坯料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为300~500℃，保温时间为30~60min，挤压比为1:2~16。
进一步的，步骤（4）中，当挤压比为1：4~1：2时，挤压速度为1~3mm/s；当挤压比为1：8~1：4时，挤压速度为0.5~1mm/s；当挤压比为1：16~1：8时，挤压速度为0.3~0.5mm/s。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明制备得到的钛镍合金颗粒强化铝基复合材料中钛镍颗粒分布均匀且未发生团聚，钛镍颗粒与铝基体间的界面结合良好。相对于未添加钛镍强化相的铝合金材料抗拉强度为148Mpa和延伸率为4.3%，本发明制备的钛镍合金颗粒强化同种铝基复合材料在同等实验条件下的抗拉强度为171~195 MPa和延伸率为9.8%~14.4%，强度和韧性均得到较大幅度提高，可以广泛用于航空和轨道交通领域的轻量化材料中。
本发明采用具有形状记忆效应、超弹性、高疲劳强度、耐蚀性和生物相容性等优异性能的钛镍合金来制备钛镍合金颗粒强化铝基复合材料，制备得到的钛镍合金颗粒强化铝基复合材料能够兼具强度和韧性，且具有金属之间的自然结合界面，克服了添加陶瓷颗粒制备的铝基复合材料存在的塑性和韧性差、陶瓷与铝基金属间的界面结合较差的缺陷。
本发明中，采用预压成形-热挤压控速终成形的制备工艺来制备钛镍合金颗粒强化铝基复合材料，预压成形在最大压力时保压10~30min能够将粉末更好的压制；终挤压变形按照预设的速度进行挤压处理，大挤压比选用较慢的恒定挤压速度，有助于实现高质量的成形加工，获得理想的组织结构。
附图说明
图1为本发明实施例1的钛镍颗粒增强铝基复合材料微观组织形貌图。
图2为本发明实施例2的钛镍颗粒增强铝基复合材料微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例设计的钛镍合金和6系铝合金为本领域广泛应用的公知材料。钛镍合金成分的摩尔配比如下，Ti：47~55%，Ni：45%~53。6系铝合金成分的质量分数如下，Cu: 0.15~0.4%，Mn: 0.15%，Mg: 0.8~1.2%，Zn: 0.25%，Cr: 0.04~0.35%，Ti: 0.15%，Si: 0.4~0.8%，Fe≤0.7%，Al: 余量。
实施例1：
（1）按照摩尔比称取51%的Ti和49%的Ni金属粉末，将称取的各金属粉末进行机械混合和真空雾化，获得钛镍合金粉末；
（2）将步骤（1）中获得的钛镍合金粉末与6系铝合金粉末按照1:30的质量比进行真空球磨处理，得到均匀的铝基复合粉末；
（3）将步骤（2）中得到的铝基复合粉末和预压模具均分别加热到300℃并保温30min，然后将粉末倒入预压模具中，利用压机进行预压变形并保压，最后利用顶出装置顶出坯料。
（4）将步骤（3）中得到的坯料和挤压模具均分别加热到400℃并保温40min。然后将坯料置入挤压比为1:4的挤压模具中，采用压机以1mm/s的速度进行挤压，得到钛镍合金颗粒增强铝基复合材料。
对制备得到的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料进行微观组织表征及满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试。如图1，增强相钛镍颗粒分布均匀且与铝基体间的界面结合良好，晶粒尺寸为30~70μm，抗拉强度为177MPa，延伸率为14.4%。
实施例2：
与实施例1基本相同，但有以下改变：钛镍合金粉末与6系铝合金粉末按照1:7的质量比进行真空球磨混合。
对制备得到的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料进行微观组织表征及力学性能测试。如图2，增强相钛镍颗粒分布均匀且与铝基体间的界面结合良好，晶粒尺寸为30~70μm，抗拉强度为181MPa，延伸率为11.5 %。
实施例3：
与实施例1基本相同，但有以下改变：钛镍合金粉末与6系铝合金粉末按照1:2的质量比进行真空球磨混合。
对制备得到的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料进行力学性能测试，抗拉强度为195MPa，延伸率为9.8 %。
实施例4：
与实施例1基本相同，但有以下改变：钛镍合金粉末与6系铝合金粉末按照1:40的质量比进行真空球磨混合。
对制备得到的钛镍合金颗粒增强铝基复合材料进行力学性能测试，抗拉强度为171MPa，延伸率为14.1 %。
对比例1：
本对比例中制备方法与实施例1基本相同，但粉末全部为6系铝合金，未添加钛镍合金粉末，制备得到铝合金材料。对制备得到的铝合金材料进行力学性能测试，抗拉强度为148MPa，延伸率为4.3%，抗拉强度和延伸率均明显低于同等实验条件下钛镍颗粒强化的该成分铝合金材料。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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