TWI678419B - 鋁基複合材料及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種鋁基複合材料及其製造方法，其製造方法的步驟包括：提供一鋁合金粉末，包括多個鋁合金粉粒，鋁合金粉粒之粒徑為微米級尺寸；提供一陶瓷粉末，包括多個陶瓷粉粒，陶瓷粉粒之粒徑為奈米級尺寸；進行一水解混合步驟，將鋁合金粉末及陶瓷粉末投入水中進行水解混合，使陶瓷粉粒以水為介質沾附於鋁合金粉粒之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料；以及進行一乾燥步驟，使糊狀鋁基複合材料的水分蒸發，得到表面附著有陶瓷粉粒的粉末狀鋁基複合材料；其中，鋁合金粉粒與陶瓷粉粒之重量比係為鋁合金粉粒95~97wt%，陶瓷粉粒3~5wt%。
Description
本發明係關於一種金屬基複合材料及其製造方法，特別是關於一種結合陶瓷材料的鋁基複合材料及其製造方法。
金屬基複合材料(metal matrix composite,MMC)結合兩種不同材料的特性，藉由互補彼此的缺陷來改善傳統單一材料的缺點。其性質是由基底材料與強化相材料之特性來決定，基底材料主要以重量輕的金屬或合金為主，添加的強化相材料則是以陶瓷材料為主。
目前，金屬基複合材料的其中一種應用係用來做為積層製造的材料，然而傳統製作複合材料製造之金屬基複合材料有強化相材料體積分率不高，強化相粒子分布不均勻以及內部具有孔隙之缺點。
本發明所欲解決的主要問題，係在於金屬基複合材料有其強化相材料(陶瓷材料)體積分率不高，強化相粒子(陶瓷粉粒)分布不均勻以及內部具有孔隙之缺點。本發明即研發一種方法過程簡單、所需成本較低的水解混合方法，經由本發
明製造方法製備的鋁基複合材料，可透過陶瓷粉粒摻入鋁合金粉粒之間隙提高其應用在積層製造後的拉伸強度及延展性。
為達成上述的目的，本發明公開了一種鋁基複合材料的製造方法，包括：提供一鋁合金粉末，包括多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之粒徑為微米級尺寸；提供一陶瓷粉末，包括多個陶瓷粉粒，該些陶瓷粉粒之粒徑為奈米級尺寸；進行一水解混合步驟，將該鋁合金粉末及該陶瓷粉末投入水中進行水解混合，使該些陶瓷粉粒以水為介質沾附於該些鋁合金粉粒之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料；以及進行一乾燥步驟，使該糊狀鋁基複合材料的水分蒸發，得到表面附著有陶瓷粉粒的粉末狀鋁基複合材料。
在一實施例中，更包括在該水解混合步驟之後進行一過篩步驟，係利用一篩網進行過篩，該篩網之網孔孔徑為微米級，將粒徑大於該網孔孔徑的鋁基複合材料篩出。
在上述實施例中，所述篩網之網孔孔徑為54μm，網孔數目為270mesh。
在一實施例中，所述鋁合金粉粒之粒徑介於25~100μm，所述陶瓷粉粒之粒徑介於50~100nm。
在一實施例中，所述鋁合金粉末與陶瓷粉末之重量比係為鋁合金粉末95~97wt%，陶瓷粉末3~5wt%。
在一實施例中，所述鋁合金粉末之材質係為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末之材質係為碳化鈦(TiC)。
在一實施例中，所述鋁合金粉末之材質係為鋁矽
鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末之材質係為碳化矽(SiC)。
在一實施例中，所述乾燥步驟係採用熱處理方式。
經由本發明所述的鋁基複合材料的製造方法，本發明提出一種鋁基複合材料，包括：多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之材質為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)；以及多個碳化鈦(TiC)粉粒，附著於該些鋁合金粉粒之表面；其中，該些鋁合金粉粒與碳化鈦粉粒之重量比係為鋁合金粉粒95~97wt%，碳化鈦粉粒3~5wt%。
經由本發明所述的鋁基複合材料的製造方法，本發明提出一種鋁基複合材料，包括：多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之材質為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)；以及多個碳化矽(SiC)粉粒，附著於該些鋁合金粉粒之表面；其中，該些鋁合金粉粒與碳化矽粉粒之重量比係為鋁合金粉粒95~97wt%，碳化矽粉粒3~5wt%。
經由本發明所述鋁基複合材料的製造方法及其所製備的鋁基複合材料，具有方法過程簡單及所需成本較低之特色。經由本發明製造方法製備的鋁基複合材料，經實證結果可透過奈米級陶瓷粉粒摻入微米級鋁合金粉粒，抑制鋁合金的結晶生長，達到晶粒細化的效果，進而提高該複合材料應用在積層製造後的拉伸強度及延展性。
1‧‧‧鋁基複合材料
1’‧‧‧糊狀鋁基複合材料
2‧‧‧篩網
21‧‧‧網孔
D‧‧‧孔徑
3‧‧‧雷射單元
A‧‧‧鋁合金粉末
A’‧‧‧鋁合金粉粒
B‧‧‧陶瓷粉末
B’‧‧‧陶瓷粉粒
H‧‧‧熱處理
W‧‧‧水
S1‧‧‧鋁基複合材料的製造方法
S11~14‧‧‧步驟
S2‧‧‧鋁基複合材料的製造方法
S21~25‧‧‧步驟
圖1A為本發明所述一實施例之製造方法流程圖；圖1B為本發明所述另一實施例之製造方法流程圖；
圖2A至圖2B為本發明所述水解混合步驟示意圖；圖2C為本發明所述過篩步驟示意圖；圖3A為本發明所述鋁基複合材料乾燥步驟示意圖；圖3B為本發明所述鋁基複合材料之結構示意圖；圖4A為本發明所述鋁基複合材料應用於積層製造雷射熔融示意圖；圖4B為本發明所述鋁基複合材料應用於積層製造之晶體結構示意圖；圖4C為複合材料之微硬度與能量密度關係表示圖；圖4D為複合材料與一般材料之拉伸強度與伸長率之測試數據圖。
本發明之鋁基複合材料的製造方法以水解混合的方式將鋁合金粉末與陶瓷粉末一起投入水中，其中的陶瓷粉粒以水為介質沾附於鋁合金粉粒之表面，並經由乾燥步驟將糊狀鋁基複合材料中的水分蒸發，製備出粉末狀的鋁基複合材料，其製程簡單、成本低廉，且製備出的鋁基複合材料有更佳的拉伸強度與伸長率表現。
為達成上述目的，本發明提供一種鋁基複合材料的製造方法S1，請參閱圖1A，其步驟包括：
步驟S11：提供一鋁合金粉末，包括多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之粒徑為微米級尺寸。
步驟S12：提供一陶瓷粉末，包括多個陶瓷粉粒，該些陶瓷粉粒之粒徑為奈米級尺寸。
步驟S13：進行一水解混合步驟，將該鋁合金粉末及該陶瓷粉末投入水中進行水解混合，使該些陶瓷粉粒以水為介質沾附於該些鋁合金粉粒之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料。
步驟S14：進行一乾燥步驟，使該糊狀鋁基複合材料的水分蒸發，得到表面附著有陶瓷粉粒的粉末狀鋁基複合材料。
在另一實施例中，本發明更提供一種鋁基複合材料的製造方法S2，請參閱圖1B，其步驟包括：
步驟S21：提供一鋁合金粉末，包括多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之粒徑為微米級尺寸。
步驟S22：提供一陶瓷粉末，包括多個陶瓷粉粒，該些陶瓷粉粒之粒徑為奈米級尺寸。
步驟S23：進行一水解混合步驟，將該鋁合金粉末及該陶瓷粉末投入水中進行水解混合，使該些陶瓷粉粒以水為介質沾附於該些鋁合金粉粒之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料。
步驟S24：進行一過篩步驟，係利用一篩網進行過篩，該篩網之網孔孔徑為微米級，將粒徑大於該網孔孔徑的鋁基複合材料篩出。
步驟S25：進行一乾燥步驟，使該糊狀鋁基複合材料的水分蒸發，得到表面附著有陶瓷粉粒的粉末狀鋁基複合材料。
續請參閱圖2A至圖2C，圖2A至圖2C為本發明所
述製造方法之步驟示意圖，如圖2A所示，提供一鋁合金粉末A,包括多個鋁合金粉粒A’，該些鋁合金粉粒A’之粒徑為微米級尺寸，並提供一陶瓷粉末B，包括多個陶瓷粉粒B’，該些陶瓷粉粒B’之粒徑為奈米級尺寸。
再如圖2B所示進行一水解混合步驟，將該鋁合金粉末A及該陶瓷粉末B投入水W中進行水解混合，使該些陶瓷粉粒B’以水為介質沾附於該些鋁合金粉粒A’之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料1’。
在一實施例中，所述鋁合金粉粒A’之粒徑介於25~100μm，所述陶瓷粉粒B’之粒徑介於50~100nm。
在一實施例中，所述鋁合金粉末A與陶瓷粉末B之重量比係為鋁合金粉末95~97wt%，陶瓷粉末3~5wt%。
在一實施例中，所述鋁合金粉末A之材質係為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末B之材質係為碳化鈦(TiC)。
在一實施例中，所述鋁合金粉末A之材質係為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末B之材質係為碳化矽(SiC)。
在圖1B的另一實施例中，更包括在該水解混合步驟之後進行一過篩步驟，如圖2C所示，係利用一篩網2進行過篩，該篩網2之網孔21孔徑D為微米級，將糊狀鋁基複合材料1’中粒徑大於該網孔21孔徑D的鋁基複合材料篩出。
在上述實施例中，所述篩網2之網孔21孔徑D為54μm，網孔21數目為270mesh。
續請參閱圖3A及圖3B，篩出後的糊狀鋁基複合材料1’係由表面沾附有陶瓷粉粒B’和水W的鋁合金粉粒A’組成，
因此篩出的糊狀鋁基複合材料1’如圖3A所示，經一乾燥步驟形成粉末狀的鋁基複合材料1，在一實施例中，所述乾燥步驟係採用熱處理H方式；最後則可得到如圖3B所示，表面附著有陶瓷粉粒B’的鋁合金粉粒A’形成的鋁基複合材料1。
續請參閱圖4A，經過本發明所述的製造方法所製備的鋁基複合材料1另可結合一雷射單元3應用於一種積層製造上，經實際驗證，根據表面結合有本發明實施例中採用的碳化鈦(TiC)或碳化矽(SiC)材質的陶瓷粉粒的鋁基複合材料1，應用於積層製造時，奈米級(如本發明實施例中採用的粒徑介於50~100nrn)的陶瓷粉粒B’(如碳化鈦或碳化矽)如圖4B所示，可摻入粒徑介於25~100μm之鋁合金粉粒A’的間隙中，抑制鋁合金元素的結晶生長，使鋁合金粉粒B’在雷射熔融後可達到晶粒細化的效果。
請參閱圖4C及圖4D，圖4C為複合材料之微硬度與能量密度關係表示圖，圖4D為複合材料與一般材料之拉伸強度與伸長率之測試數據圖。
如圖4C所示，經由本發明所述製造方法製造的鋁基複合材料在微硬度與能量密度關係表示圖中，在能量密度值(Energy Density)240J/mm3以下，該材料的微硬度值(Microhardness)與能量密度值呈線性正比相關，亦即，在能量密度值(Energy Density)240J/mm3以下的鋁基複合材料，能量密度值越高，則微硬度值越高(越硬)。
在圖4D的複合材料與一般材料之拉伸強度與伸長率之測試數據圖中顯示，以一般材料試片(Unreinforced
AlSi10Mg Part)與兩種不同能量密度值(160J/mm3及240J/mm3)的本發明所述鋁基複合材料試片(TiC/AlSi10Mg Nanocomposite Part)經過同樣雷射單元的掃描熔融後，從圖4D的數據表示圖中可看出，表面結合有碳化鈦的TiC/AlSi10Mg Nanocomposite Part在能量密度值160J/mm3的試片，其拉伸強度(Tensile Strength)雖有提高，但伸長率(Elogation)卻略顯下降，但能量密度值240J/mm3的試片結果，不僅在拉伸強度(Tensile Strength)有更佳的表現，且伸長率(Elogation)卻沒有下降，並且還有提升的趨勢，因此藉由實證結果的能量密度值回推陶瓷粉末與鋁合金粉末的比例可得，在本發明所述的製造方法中，以本發明提供的重量比進行水解混合形成的鋁基複合材料，不僅可以提高拉伸強度，並且還可同時提高伸長率。
亦即，本發明所製造的鋁基複合材料應用於積層製造後，該材料在拉伸斷裂的強度值更大，且伸長率也有增加，不僅可以承受更大的拉伸強度值，並且在斷裂前的延展性也更佳。
綜上所述，本發明所公開之鋁基複合材料及其製造方法在製備過程中具有方法過程簡單、所需成本較低，且製備出的鋁基複合材料，由於可透過奈米級陶瓷粉粒摻入微米級鋁合金粉粒，抑制鋁合金的結晶生長，達到晶粒細化的效果，因此有更佳的拉伸強度與伸長率表現。
上述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修
飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
Claims (10)
- 一種鋁基複合材料的製造方法，包括：提供一鋁合金粉末，包括多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之粒徑為微米級尺寸；提供一陶瓷粉末，包括多個陶瓷粉粒，該些陶瓷粉粒之粒徑為奈米級尺寸；進行一水解混合步驟，將該鋁合金粉末及該陶瓷粉末投入水中進行水解混合，使該些陶瓷粉粒以水為介質沾附於該些鋁合金粉粒之表面，以形成一表面沾附有水分和陶瓷粉粒的糊狀鋁基複合材料；以及進行一乾燥步驟，使該糊狀鋁基複合材料的水分蒸發，得到表面附著有陶瓷粉粒的粉末狀鋁基複合材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，更包括：在該水解混合步驟之後進行一過篩步驟，係利用一篩網進行過篩，該篩網之網孔孔徑為微米級，將粒徑大於該網孔孔徑的鋁基複合材料篩出。
- 如申請專利範圍第2項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該篩網之網孔孔徑為54μm，網孔數目為270mesh。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該些鋁合金粉粒之粒徑介於25~100μm，該些陶瓷粉粒之粒徑介於50~100nm。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該鋁合金粉末與陶瓷粉末之重量比係為鋁合金粉末95~97wt%，陶瓷粉末3~5wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該鋁合金粉末之材質係為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末之材質係為碳化鈦(TiC)。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該鋁合金粉末之材質係為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)，該陶瓷粉末之材質係為碳化矽(SiC)。
- 如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法，其中，該乾燥步驟係採用熱處理方式。
- 一種如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法所製造之鋁基複合材料，包括：多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之材質為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)；以及多個碳化鈦(TiC)粉粒，附著於該些鋁合金粉粒之表面；其中，該些鋁合金粉粒與碳化鈦粉粒之重量比係為鋁合金粉粒95~97wt%，碳化鈦粉粒3~5wt%。
- 一種如申請專利範圍第1項所述的鋁基複合材料的製造方法所製造之鋁基複合材料，包括：多個鋁合金粉粒，該些鋁合金粉粒之材質為鋁矽鎂合金(AlSi10Mg)；以及多個碳化矽(SiC)粉粒，附著於該些鋁合金粉粒之表面；其中，該些鋁合金粉粒與碳化矽粉粒之重量比係為鋁合金粉粒95~97wt%，碳化矽粉粒3~5wt%。
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