一种SiC颗粒增强铝钛基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料及其制备领域，尤其是涉及一种短流程的工业化SiC颗粒增强铝钛基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着新技术革命浪潮的推进，传统的铝及铝合金已经越来越难以满足高技术的要求。铝钛基复合材料是指在铝或铝合金中引入钛合金和增强体的一种复合材料。它兼具基体的延展性、韧性与增强体的高强度、高模量，从而获得比铝或铝合金更高的比强度、比刚度和抗高温性能，并且有优异的可设计性，因此近年日益受到国内外研究者的重视。
颗粒增强铝钛基复合材料中增强体的种类、尺寸和分布以及增强体与基体的界面结合性能都影响最终复合材料的性能。SiC硬度高、强度高、比重小、价格低，具有良好的高温性能和导热性能，因此采用SiC作为增强颗粒，不仅性能优异，而且成本很低，适合工业化推广，同时在铝中加入少量钛可以得到Al3Ti作为陶瓷颗粒，具有高强度，高模量的特性，也具有较好的颗粒增强作用。
目前常见的SiC增强铝钛基复合材料普遍采用熔炼方式，将SiC加入至铝熔体中，或者采用粉末冶金工艺使碳化硅均匀分散在铝钛基体中，通过检索现有技术文献，如申请号为CN201910390742.2的发明专利中具体是将具有SiC-Al3Ti复合粉末预制块的850～900℃高温熔体和合金中加入了纯镁、铝铜、铝锶中间合金制备的580～620℃低温熔体，然后将低温熔体加入到高温熔体中获得铝钛基复合材料，虽然该工艺能够得到复合材料但工艺过程中难以保证SiC和Al3Ti颗粒的均匀分布，且过程复杂，成本较高，不利于工业化生产。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种SiC颗粒增强铝钛基复合材料及其制备方法，以解决现有技术中复合材料中颗粒分布不均匀，制备工艺过程复杂，成本高，不利于工业化生产的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种SiC颗粒增强铝钛基复合材料，由基体合金及增强相组成；所述基体合金包括以下体积百分比含量的组分：TC4 5-10％、5系铝合金40-60％、Al 30-50％；增强相为体积百分比为1-10％的粒度为5um的SiC颗粒。
上述SiC颗粒增强铝钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将TC4钛屑放入氢化炉中，先加热后保温，随后通入高纯氢气进行氢化处理。
(2)将步骤(1)得到的氢化处理后物料在气氛保护下进行球磨处理。
(3)将步骤(2)球磨处理后得到的粉末放入再次放入氢化炉中抽真空加热脱氢后保温，获得5-30um的TC4粉；
(4)将步骤(3)得到的TC4粉、粒度为5um铝粉、粒度为10um 5系铝合金粉和粒度为5um的SiC粉混合并在气氛保护下球磨5-10h，之后筛分得到粒度在0～20um之间的复合粉末；
(5)将步骤(4)得到的复合粉末在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中后冷等静压成型、真空烧结、保温，最终得到SiC颗粒强化铝钛基复合材料。
进一步的，所述步骤(1)中的加热温度为500～800℃，保温时间为30～120min，高纯氢气的压力为0.03～0.2MPa，氢化处理的时间为5～12h。
进一步的，所述步骤(2)的保护气体为氩气，球磨处理后粉末粒度为5～30μm。
进一步的，所述步骤(3)的加热温度为600～800℃，保温时间为5～12h。
进一步的，所述步骤(4)中TC4粉的添加比例为5-10vol％、铝粉的添加比例为30-50vol％、5系铝合金粉的添加比例为40-60vol％和SiC粉的添加比例为1-10vol％。
进一步的，所述步骤(4)中的球磨方式为高能球磨。
进一步的，所述步骤(4)中的保护气体为氩气，筛分目数为500目。
进一步的，所述步骤(5)中的冷等静压压力为150-300MPa，烧结温度610-680℃，保温时间为1-5h。
相对于现有技术，本发明所述的SiC颗粒增强铝钛基复合材料及其制备方法具有以下优势：
(1)本发明所述的制备方法采用TC4钛屑经氢化-脱氢过程直接制备TC4钛合金粉，粉末粒度小，成分均匀，成本低；
(2)本发明所述的制备方法利用高能球磨工艺制备了微细TC4粉、铝粉、5系铝合金粉和SiC复合粉末，粉末烧结性能优异；
(3)本发明所述的制备方法通过冷等静压和真空无压烧结工艺的结合，实现了粉末成型和致密化，缩短了制备工艺流程，降低了生产成本，并且能够制备大尺寸的铝钛基复合锭。在提高了SiC增强铝钛基复合材料性能的同时降低了成本，适合工业化推广。
附图说明
图1为具体实施例1中SiC颗粒增强铝钛基复合材料的扫描电镜图片；
图2为具体实施例2中SiC颗粒增强铝钛基复合材料的扫描电镜图片；
图3为具体实施例3中SiC颗粒增强铝钛基复合材料的扫描电镜图片。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1：制备1vol％TiC颗粒增强铝钛基复合材料
1.将100kg TC4钛屑放入氢化炉抽真空至0.1Pa以下，升温至500℃保温120min，随后通入高纯氢气至0.03MPa进行氢化处理12h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度在5m；
3.将步骤2粉末再次装入旋转氢化炉，升温至600℃脱氢处理12h，得到5um TC4粉；
4.将TC4粉10vol％、5um铝粉30col％、10um 5系铝合金粉59vol％和粒度为5um的SiC粉1vol％加入高能球磨机中，在氩气保护下进行球磨10小时，之后进行500目筛分处理，所得粉末粒度12um；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱中装入不同规格的橡胶包套中150MPa下冷等静压成型，后在610℃进行真空烧结，保温5h，获得1vol％SiC颗粒强化铝钛基复合材料。
测试得到本实施例制得的复合材料的抗拉强度580MPa。
实施例2：制备5vol％SiC颗粒增强铝钛基复合材料
1.将100kgTC4钛屑放入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至600℃，保温100min，通入高纯氢气至0.1MPa进行氢化处理10h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度12μm；
3.将步骤2粉末再次放入卧式旋转氢化炉，升温至700℃脱氢处理10h，得到12umTC4粉；
4.将TC4粉7vol％、5um铝粉42vol％、10um 5系铝合金粉46vol％和粒度为5um的SiC粉5vol％加入高能球磨机中，在氩气保护下进行球磨8小时，之后进行500目筛分处理，所得粉末粒度15um；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中200MPa下冷等静压成型，在650℃进行真空烧结，保温2.5h，获得5vol％SiC颗粒强化铝钛基复合材料。
测试得到本实施例制得的复合材料的抗拉强度620MPa。
实施例3：制备10vol％TiC颗粒增强铝钛基复合材料
1.将100kg TC4钛屑放入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa以下，升温至800℃保温30min，随后通入高纯氢气至0.2MPa进行氢化处理5h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度在30μm；
3.将步骤2粉末再次装入旋转氢化炉，升温至800℃脱氢处理5h，得到30um TC4粉；
4.将TC4粉5vol％、5um铝粉30vol％、10um 5系铝合金粉55vol％和粒度为5um的SiC粉10vol％加入高能球磨机中，在氩气保护下进行球磨5小时，之后进行500目筛分处理，所得粉末粒度在18um；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱中装入不同规格的橡胶包套中300MPa下冷等静压成型，后在680℃进行真空烧结，保温1h，获得10vol％SiC颗粒强化铝钛基复合材料。
测试得到本实施例制得的复合材料的抗拉强度660MPa。
现有工艺主要采用熔炼法，将增强相加入熔融铝中，经过高温熔融，冷却得到金属锭，或者利用粉末冶金方法，在铝粉中混入增强相粉末，然后压制烧结，这样得到的复合材料抗拉强度较低，一般为300-500MPa，经过本发明利用SiC颗粒和钛粉增强得到的复合材料抗拉强度均超过500MPa，明显优于现有工艺。
将实施例1-3得到的SiC颗粒强化铝钛基复合材料进行电镜扫描，得到的扫描电镜图如图1-3所示，由图1-3可以看出，SiC颗粒均匀分散在铝钛基体中，无界面反应。本发明使用简化的工艺流程，制备出了具有优良颗粒分散性以及极少气孔存在的铝钛基复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
