本發明屬于鋁基復合材料技術領域，具體涉及一種鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術：

顆粒增強鋁基復合材料具有比強度高、比剛度高和耐磨性好等優異性能，在航空航天、汽車和電子等領域具有廣闊的應用前景。通常情況下，顆粒增強鋁基復合材料中的增強體為陶瓷顆粒。雖然陶瓷增強體可以有效地提高基體的強度，但是陶瓷顆粒與基體鋁金屬間的熱膨脹系數差異大、潤濕性差、可能發生界面反應等因素，致使陶瓷顆粒與鋁金屬基體的界面結合強度偏低，導致材料在界面結合處產生裂紋，惡化材料的塑性，影響復合材料的性能穩定性，從而限制了鋁基復合材料的應用。因此，發展合適的新型增強相材料與制備方法是獲得具有優異綜合力學性能的顆粒增強鋁基復合材料的關鍵。

金屬玻璃顆粒具有高強度、高硬度、高彈性模量等優異的性能，同時金屬玻璃以金屬元素為主要組元，具有與鋁金屬相近的熱膨脹系數，可以與鋁金屬基體獲得良好的界面結合。為了改善顆粒增強鋁基復合材料的界面結合問題，人們發展了多種金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。目前，已開發出的金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料包括鐵基金屬玻璃顆粒、鋯基金屬玻璃顆粒、鋁基金屬玻璃顆粒和鎂基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。但是鐵基金屬玻璃顆粒和鋯基金屬玻璃顆粒密度較大，減弱了鋁基復合材料比強度高和比剛度高的兩個主要優點；鋁基金屬玻璃顆粒和鎂基金屬玻璃顆粒不僅強度較低，而且晶化溫度較低，通常低于300℃，導致制備溫度必須低于300℃，從而限制了材料的制備工藝。

技術實現要素：

為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本發明的另一目的在于提供上述鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的制備方法。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料，由體積分數為5％～20％的鈦基金屬玻璃顆粒與80％～95％的鋁合金制備而成。

所述的鈦基金屬玻璃顆粒優選ti–ni–cu系非晶態合金，粒度為≤50μm。

優選地，所述鈦基金屬玻璃顆粒成分為ti50cu20ni20al10，其在行星式球磨機上機械合金化制備得到，機械合金化條件為：球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間為10～50h。

所述的鋁合金優選7xxx系鋁合金中的一種。

上述鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)混粉：將體積分數為5％～20％的鈦基金屬玻璃顆粒和80％～95％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉1～50h得到混合物料；

(2)將步驟(1)的混合物料在室溫下放進冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料；

(3)將步驟(2)得到的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料放進鋁包套內，然后放到熱擠壓設備中，預熱坯料至350～450℃，預熱模具至300～450℃，然后在擠壓壓力為75～150mpa，擠壓時間為30s～5min，擠壓比為8～15的條件下熱擠壓成型，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本發明制備方法的原理為：利用金屬玻璃顆粒在過冷液相區間內具有超塑性以及黏度顯著下降的特點，有助于金屬玻璃顆粒與鋁金屬的冶金結合和材料的致密化。本發明中鋁基復合材料的熱擠壓溫度控制在鈦基金屬玻璃顆粒的過冷液相區間，獲得高致密度的金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本發明的制備方法及所得復合材料具有如下優點及有益效果：

(1)本發明采用鈦基金屬玻璃顆粒為增強相材料，具有高強度、高比強度、高硬度和高彈性模量的優點；鈦基金屬玻璃顆粒的晶化溫度高，可以避免在制備過程中發生晶化變性；鈦基金屬玻璃顆粒具有與基體鋁金屬相近的熱膨脹系數，可以獲得比傳統陶瓷顆粒增強鋁基復合材料更加牢固的界面結合；

(2)本發明的熱擠壓溫度控制在鈦基金屬玻璃顆粒的過冷液相區間，可以獲得高致密度的復合材料；

(3)本發明采用熱擠壓工藝，具有工藝簡單，設備投入低，快速實現鋁基復合材料致密化等諸多優點。

附圖說明

圖1為實施例1制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的掃描電鏡圖；

圖2為實施例2制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的掃描電鏡圖；

圖3為實施例3制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的掃描電鏡圖；

圖4為實施例1～3制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的室溫壓縮應力應變曲線圖；

圖5為實施例4～5制備的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料的室溫壓縮應力應變曲線圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1

(1)混粉：將體積分數為5％的鈦基金屬玻璃顆粒和95％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉24h得到混合物料。本實施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機械合金化工藝制備，機械合金化在行星式球磨機上室溫下進行，球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進快速油壓機的冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料。

(3)將制備的復合材料坯料放進鋁包套內，再放進電阻爐中預熱至400℃，然后放到熱擠壓設備中進行擠壓成型。模具預熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本實施例所得復合材料的sem顯微照片如圖1所示，從圖中可以看出：鋁基復合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒均勻分布在7075al基體中，沒有出現增強體團聚現象，界面結合沒有發現孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復合材料的室溫壓縮應力應變曲線如圖4所示，結果顯示所得復合材料的屈服強度和斷裂應變分別為460mpa和25％。

實施例2

(1)混粉：將體積分數為11％的鈦基金屬玻璃顆粒和89％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉24h得到混合物料。本實施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機械合金化工藝制備，機械合金化在行星式球磨機上室溫下進行，球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進快速油壓機的冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料。

(3)將制備的復合材料坯料放進鋁包套內，再放進電阻爐中預熱至400℃，然后放到熱擠壓設備中進行擠壓成型。模具預熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本實施例所得復合材料的sem顯微照片如圖2所示，從圖中可以看出：鋁基復合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒較為均勻分布在7075al基體中，沒有出現增強體團聚現象，界面結合沒有發現孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復合材料的室溫壓縮應力應變曲線如圖4所示，結果顯示所得復合材料的屈服強度和斷裂應變分別為530mpa和20％。

實施例3

(1)混粉：將體積分數為20％的鈦基金屬玻璃顆粒和80％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉24h得到混合物料。本實施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機械合金化工藝制備，機械合金化在行星式球磨機上室溫下進行，球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間為10h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(38～50μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進快速油壓機的冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料。

(3)將制備的復合材料坯料放進鋁包套內，再放進電阻爐中預熱至400℃，然后放到熱擠壓設備中進行擠壓成型。模具預熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本實施例所得復合材料的sem顯微照片如圖3所示，從圖中可以看出：鋁基復合材料致密度高，孔隙少，鈦基金屬玻璃顆粒均勻分布在7075al基體中，沒有出現增強體團聚現象，界面結合沒有發現孔洞、脆性化合物等缺陷。所得復合材料的室溫壓縮應力應變曲線如圖4所示，結果顯示所得復合材料的屈服強度和斷裂應變分別為720mpa和8.5％。

實施例4

(1)混粉：將體積分數為8％的鈦基金屬玻璃顆粒和92％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉24h得到混合物料。本實施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機械合金化工藝制備，機械合金化在行星式球磨機上室溫下進行，球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間分別為30h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(≤38μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進快速油壓機的冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料。

(3)將制備的復合材料坯料放進鋁包套內，再放進電阻爐中預熱至400℃，然后放到熱擠壓設備中進行擠壓成型。模具預熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本實施例所得復合材料的室溫壓縮應力應變曲線如圖5所示，結果顯示所得復合材料的屈服強度和斷裂應變分別為843mpa和6.75％。

實施例5

(1)混粉：將體積分數為8％的鈦基金屬玻璃顆粒和92％的鋁合金粉末裝進球磨罐中，在球磨機上混粉24h得到混合物料。本實施例中鈦基金屬玻璃顆粒采用機械合金化工藝制備，機械合金化在行星式球磨機上室溫下進行，球料比為10:1，球磨轉速為245rpm，球磨時間分別為50h。鈦基金屬玻璃顆粒的成分選用ti50cu20ni20al10(≤38μm)，鋁合金選用7xxx系合金中的7075al。

(2)將制備的混合物料在室溫下放進快速油壓機的冷壓模具中進行冷壓，壓力為5～20mpa，得到鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料坯料。

(3)將制備的復合材料坯料放進鋁包套內，再放進電阻爐中預熱至400℃，然后放到熱擠壓設備中進行擠壓成型。模具預熱至400℃，擠壓壓力約為100mpa，擠壓時間約為1min，擠壓比為12。熱擠壓完成后，切除尾料，獲得長度約為200mm，直徑約為4mm的鈦基金屬玻璃顆粒增強鋁基復合材料。

本實施例所得復合材料的室溫壓縮應力應變曲線如圖5所示，結果顯示所得復合材料的屈服強度和斷裂應變分別為1011mpa和2.76％。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。