Al2O3颗粒和Al2Cu共同强化铝基复合材料及制备方法

al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料及制备方法
技术领域
1.本发明涉及铝基复合材料技术领域。具体地说是al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料及制备方法。


背景技术：

2.颗粒增强铝基复合材料因其具有高比强度和比刚度、良好的耐磨性和低热胀系数而具有较高的应用前景。铝和金属氧化物粉末进行置换反应能够生成颗粒增强相，且已有研究表明，氧化铝颗粒的尺寸随着温度、保温时间和增强体含量的增加而增加，复合材料的微观结构也受工艺参数的影响。现有技术中，在制备含增强相的铝基复合材料时，为了防止铝和金属氧化物粉末在进行置换反应时铝被氧化而影响复合材料的综合性能，通常需要通入惰性气体进行保护，这就会造成铝基复合材料的制备工艺复杂从而导致成本较高。因此，有必要设计一种在反应过程中无需惰性气体保护的铝基复合材料的制备工艺。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料及制备方法，以解决在制备铝基复合材料过程中因需要惰性气体保护而导致的工艺复杂的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）、将铝粉和粒径为10～20μm的氧化铜粉混合均匀，得到混合原料粉；步骤（2）、将混合原料粉压制成尺寸为φ20mm
×
10mm的圆盘状压块；步骤（3）、将圆盘状压块置于烧结炉中并于空气气氛下采用到温入炉的加热方式进行保温处理；步骤（4）、保温处理结束后，随炉冷却至室温，即制备得到al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料。
5.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（1）中，铝粉过300目筛；若铝粉的颗粒过大则不容易发生反应，颗粒过小则反应过程中al颗粒容易被氧化。
6.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（1）中，混合原料粉中，氧化铜粉的质量分数为5～20wt.%。
7.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（1）中，混合原料粉中，氧化铜粉的质量分数为20wt.%。
8.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（3）中，在800～1000℃时，将圆盘状压块置于烧结炉中保温处理，保温处理时间为10～60min。
9.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（3）中，在1000℃时，将圆盘状压块置于烧结炉中保温处理，保温处理时间为10min。
10.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（2）中，压制成型
的条件为：压力240～300mpa，保压时间为2～5min。压力过小会导致压坯致密度不够，反应过程中al容易被氧化，压力过大对模具要求高；保压时间过短不利于压块中应力的释放。
11.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，步骤（2）中，压制成型的条件为：压力280mpa，保压时间为3min。
12.al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料，采用上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法制备得到；al2o3颗粒为无定型状、棒状或近球状；al2cu为网络状或块状。
13.上述al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料，al2o3颗粒为近球状al2o3颗粒，al2cu为块状。
14.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：1、本发明采用到温入炉的方式将铝粉和氧化铜粉混合后压制成的圆盘状压块置于空气气氛下进行置换反应，再通过控制氧化铜粉和铝粉的粒径、圆盘状压块的压制条件及尺寸等，能够确保铝粉和氧化铜粉快速反应，在没有惰性气体保护的情况下，使反应后的铝颗粒熔融连通，即使长时间保温也不会被氧化，从而解决了在制备铝基复合材料过程中因需要惰性气体保护而导致的工艺复杂的技术问题。
15.2、由于cuo含量少或粒度大，保温时间长会形成cualo2相，若cuo含量足够多，或者颗粒足够细小，则反应过程中，al颗粒表面不直接与o接触，迅速使al-al颗粒之间烧结，因而在高温时二者之间的反应不受空气的影响；本发明通过控制氧化铜的添加量以及氧化铜的粒径，使得在空气气氛下反应制备铝基合金时，使al-al颗粒之间迅速烧结，避免了铝的氧化。
16.3、采用本发明al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法能够使得铝基复合材料中的氧化铝颗粒呈近球形，al2cu增强相呈块状，两种增强相共同强化铝基复合材料，使得铝基复合材料具有较高的硬度和较好的综合性能。
附图说明
17.图1本发明实施例中al-5wt.%cuo压块的组织微观图；图2本发明实施例中al-10wt.%cuo压块的组织微观图；图3本发明实施例中al-15wt.%cuo压块的组织微观图；图4本发明实施例中al-20wt.%cuo压块的组织微观图；图5本发明实施例中al-5wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温10min）；图6本发明实施例中al-5wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温1h）；图7本发明实施例中al-10wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温10min）；图8本发明实施例中al-10wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温1h）；图9本发明实施例中al-15wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温10min）；图10本发明实施例中al-15wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温1h）；图11本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温10min）；图12本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温1h）；图13本发明实施例中al-5wt.%cuo复合材料的组织微观图（900℃，保温10min）；图14本发明实施例中al-5wt.%cuo复合材料的组织微观图（1000℃，保温10min）；
图15本发明实施例中al-10wt.%cuo复合材料的组织微观图（900℃，保温10min）；图16本发明实施例中al-10wt.%cuo复合材料的组织微观图（1000℃，保温10min）；图17本发明实施例中al-15wt.%cuo复合材料的组织微观图（900℃，保温10min）；图18本发明实施例中al-15wt.%cuo复合材料的组织微观图（1000℃，保温10min）；图19本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（900℃，保温10min）；图20本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（1000℃，保温10min）；图21本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温10min，压块尺寸为φ20mm
×
10mm）；图22本发明实施例中al-20wt.%cuo复合材料的组织微观图（800℃，保温1h，压块尺寸为φ10mm
×
10mm）。
具体实施方式
18.1. al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备将al粉和cuo粉分别按照al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo的质量比进行混合，所用氧化铜粉末的粒径为10～20μm；铝粉过300目筛；将各组混合均匀的混合粉末分别平均分成四份；将分好的各混合粉末压制成φ20mm
×
10mm的压块（圆柱形），压制成型的条件为：压力280mpa，保压时间为3min；采用到温入炉（即现将炉温升至目标温度，再将压块放入炉中）的加热方式进行加热并保温。将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo组压块各两份分别放在800℃烧结炉中保温10min和1h；将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo组剩余各两份压块分别放在900℃和1000℃烧结炉中保温10min后随炉冷却；整个过程均在空气条件下进行。
19.2.组织观察2.1 压块组织通过bse（背散射电子探测器）对压块的组织进行观察，al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo压块的组织分别见图1至图4。图中亮的块状组织是cuo颗粒，灰色相为al基体，黑色的是压块中的孔隙。通过观察可知，al颗粒的尺寸较为均匀，cuo颗粒尺寸差别较大。当cuo含量为5wt.%时（图1），部分al颗粒和大的cuo颗粒接触，部分al颗粒之间直接接触，细小的cuo颗粒主要填充在大颗粒之间的孔隙中，部分分布于al颗粒之间的接触面上，cuo颗粒弥散分布，组织中存在着较多的孔隙未被填充。当cuo含量的增加时，cuo颗粒会发生团聚，且随着cuo含量的增加，团聚程度增加，同时细小的cuo颗粒数量增加，对al颗粒之间的孔隙的填充越来越充分，压块中的孔隙明显减少，致密度提高。
20.2.2 铝基复合材料组织2.2.1 保温时间对铝基复合材料组织的影响将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo压块直接放入800℃炉中，分别保温10min后炉冷，得到的复合材料的bse分别如图5、图7、图9和图11所示；将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo压块直接放入800℃炉中，分别保温1h后炉冷得到的复合材料的bse如图6、图8、图10和图12所示。
21.al-5wt.%cuo压块分别保温10min和1h的组织(图5和图6)与压块组织(图1)相似，亮的颗粒分布在al颗粒之间，黑色的组织是颗粒之间的孔隙，保温时间对复合材料的组织
影响不大。
22.al-10wt.%cuo压块分别保温10min和1h的组织(图7和图8)与压块组织(图2)相似，随着保温时间的增加，复合材料的孔隙明显减少，当cuo质量百分含量小于10wt.%时，cuo与al发生了反应，形成无定型al2o3。cuo颗粒失去o后形成cuo2与cuo的混合颗粒，以及cuo、cuo2与cu的混合颗粒。
23.图9和图10分别是al-15wt.%cuo压块保温10min和1h的组织图，保温10min时，部分颗粒边缘出现黑色的物相，颗粒分布与压块(图3)相似，保温1h时，组织中黑色无定型al2o3数量增加。
24.图11和图12分别是al-20wt.%cuo压块保温10min和1h的组织图，复合材料的xrd衍射花样由al、al2o3和al2cu的衍射峰组成。组织中还可观察到少量al-cu块状组织，当保温时间为1h时，al-cu块状组织消失，说明保温能够使扩散充分进行。al2cu和al-al2cu共晶体呈网络状分布在al基体中，当保温时间为1h时，组织中几乎观察不到块状的al2cu。组织中还可观察到大量的无定型al2o3，部分无定型al2o3与原始al颗粒形貌尺寸相近，部分无定型al2o3尺寸很大，部分无定型al2o3尺寸较小，位于原始al颗粒之间且填充满孔隙，这是由于al和cuo在互扩散过程中，cu原子扩散速率快，al与o原子在cuo的位置形成无定型al2o3。
25.通过上述分析可知，当反应温度为800℃，随着cuo百分含量和保温时间的增加，al和cuo之间反应程度、al基体的烧结程度和复合材料的致密度增加，这是由于cuo含量增加，反应放出的热量增多，使反应体系温度升高，促进了al、o和cu原子的扩散。
26.cuo百分含量对复合材料组织的影响：随着cuo百分含量的增加，复合材料的致密度提高，反应程度增加，800℃时，cuo质量百分含量达到20wt.%时，al-20wt.%cuo能够完全反应，成功制备出网络状al2cu共晶体，al2o3颗粒和无定型al2o3共同颗粒共同强化铝基复合材料。块状al2cu相有利于增强复合材料的韧性好，网络状al2cu共晶体则有利于提高复合材料的耐磨性；近球形氧化铝颗粒相较于其它状态的氧化铝颗粒具有更好的强化效果。
27.2.2.2 反应温度对复合材料组织的影响将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo压块直接放入900℃炉中，保温10min后炉冷，得到的复合材料组织如图13、图15、图17和图19所示。将al-5wt.%cuo、al-10wt.%cuo、al-15wt.%cuo和al-20wt.%cuo压块直接放入1000℃炉中，保温10min后炉冷，得到的复合材料组织如图14、图16、图18和图20所示。
28.al-5wt.%cuo和al-10wt.%cuo压块在900℃反应得到的复合材料的组织如图13和图15所示，二者的xrd衍射花样均由al、cu2o、cu和al2cu组成，组织图中亮的块状组织是cu2o和cu混合颗粒，颜色较浅的细小组织是al2cu相，分布在原始al颗粒的边界处及混合颗粒周围，组织中还可观察到黑色的尺寸较小的无定型al2o3位于原始al颗粒的边界处，al2cu位于原始al颗粒内部紧邻al颗粒表面位置。
29.al-15wt.%cuo压块在900℃反应得到的复合材料的组织如图17所示，与图13和图15相比，无定型al2o3数量增多，xrd由al、cu2o、cu、al2cu和al2o3组成。可见，随着cuo百分含量的增加，反应程度增加，al2cu位于原始al颗粒内部紧邻al颗粒表面位置。
30.al-20wt.%cuo压块在900℃反应得到的复合材料的组织如图19所示，根据xrd结果可知由al、al2cu和al2o3组成，可观察到al2cu主要呈块状，分布在原始al颗粒之间，al2o3颗粒(右上角sem图)分布在原始al颗粒之间。
31.al-5wt.%cuo和al-10wt.%cuo压块在1000℃反应得到的复合材料的组织如图14和图16所示，al2cu相由颗粒状变为小的块状和共晶体，al2o3颗粒分布在原始al颗粒之间(右上角光镜图)。
32.al-15wt.%cuo压块在1000℃反应得到的复合材料的组织如图18所示，al2cu相呈共晶体分布在组织中，al2o3颗粒（黑色）分布在原始al颗粒之间。
33.al-20wt.%cuo压块在1000℃反应得到的复合材料的组织如图20所示，al2cu相主要呈块状，al2o3颗粒呈近球形，分布在原始al颗粒之间(右上角图)。
34.cuo百分含量对复合材料组织的影响：反应温度为900℃时，随着cuo百分含量的增加反应程度增加，cuo质量百分含量达到20wt.%时，al和cuo能够完全反应。al-20wt.%cuo完全反应制备出棒状al2o3颗粒和块状al2cu共同强化铝基复合材料。
35.反应温度为1000℃时al和cuo能够完全反应。随着cuo百分含量的增加，al2cu相由细小的不规则形状转变为网络状共晶体再转变为块状，al-20wt.%cuo完全反应成功制备出近球形al2o3颗粒和块状al2cu共同强化铝基复合材料。
36.本实施例将压块的尺寸设定为φ20mm
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10mm是因为：800℃时，压块尺寸直径为20mm，保温10min时，制备的复合材料的孔隙率小，al2cu相形成网络状共晶体（见图21）；当压块尺寸直径为10mm，保温1h时，制备的复合材料中孔隙率较大（见图22）。比较图21和图22明显看到图21的烧结效果好。
37.另外，本实施例选择于烧结炉中采用到温入炉的加热方式而不是于管式炉中采用随炉升温的方式是因为：升温速率越快，al-cuo完全反应后的组织越细小均匀，al2o3颗粒分散性提高，粒度减小。相对于烧结炉而言，管式炉升温速率较小，且在高温下不能打开炉门放置样品；而烧结炉可以在高温下打开炉子放入样品，从而实现到温入炉的加热方式对压块进行反应，同时，到温入炉可以使样品的升温速率达到最快。
38.在随炉升温的加热方式下，如果没有惰性气体的保护，升温过程中，在al和cuo未发生反应之前，会被空气中的氧所氧化；而到温入炉由于直接将压块在反应温度之上进行加热，也就是说al和cuo之间的反应速率极快，因而无需惰性气体保护，且反应后al颗粒熔融连通，即使长时间保温也不会氧化，因为空气中的o是通过压块中al颗粒之间的孔隙进入的。
39.惰性气体保护会造成工艺制备复杂且成本高，采用本实施例的反应方式能够避免惰性气体的使用，并且在实际试验中发现，相对于在有惰性气体保护的管式炉中以随炉升温的方式制备铝基复合材料，采用本实施例这种在烧结炉中于空气气氛下到炉升温的方式制备的铝基复合材料具有更好的硬度，其力学性能具有明显差别，具体地，在相同条件下，前者制备的铝基复合材料硬度最高达到90hrb，后者则最高能达到98 hrb。
40.由于cuo含量少或粒度大，保温时间长会形成cualo2相，若cuo含量足够多，或者颗粒足够细小，则反应过程中，al颗粒表面不直接与o接触，迅速使al-al颗粒之间烧结，因而在高温时二者之间的反应不受空气的影响本实施例通过控制氧化铜的添加量以及氧化铜的粒径，使得在空气气氛下反应制备铝基合金时，使al-al颗粒之间迅速烧结，避免了铝的氧化。

技术特征：
1.al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）、将铝粉和粒径为10～20μm的氧化铜粉混合均匀，得到混合原料粉；步骤（2）、将混合原料粉压制成尺寸为φ20mm
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10mm的圆盘状压块；步骤（3）、将圆盘状压块置于烧结炉中并于空气气氛下采用到温入炉的加热方式进行保温处理；步骤（4）、保温处理结束后，随炉冷却至室温，即制备得到al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，铝粉过300目筛。3.根据权利要求1所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，混合原料粉中，氧化铜粉的质量分数为5～20wt.%。4.根据权利要求3所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，混合原料粉中，氧化铜粉的质量分数为20wt.%。5.根据权利要求1所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，在800～1000℃时，将圆盘状压块置于烧结炉中保温处理，保温处理时间为10～60min。6.根据权利要求5所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，在1000℃时，将圆盘状压块置于烧结炉中保温处理，保温处理时间为10min。7.根据权利要求1所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，压制成型的条件为：压力240～300mpa，保压时间为2～5min。8.根据权利要求7所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，压制成型的条件为：压力280mpa，保压时间为3min。9.al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料，其特征在于，采用如权利要求1所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料的制备方法制备得到；al2o3颗粒为无定型状、棒状或近球状；al2cu为网络状或块状。10.根据权利要求9所述的al2o3颗粒和al2cu共同强化铝基复合材料，其特征在于，al2o3颗粒为近球状al2o3颗粒，al2cu为块状。

技术总结
本发明公开Al2O3颗粒和Al2Cu共同强化铝基复合材料及制备方法，其制备方法包括如下步骤：步骤（1）、将铝粉和粒径为10～20μm的氧化铜粉混合均匀，得到混合原料粉；步骤（2）、将混合原料粉压制成尺寸为Φ20mm


技术研发人员：赵鸽 曹佳苗 史志铭 张瑞英 梁亚红
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/12