一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，所述制備方法包括將鋁合金熔體冷卻到液相線溫度，加入SiCp與Cu組成的核殼粒子，對合金液同時施加縱向磁場和橫向磁場進行磁力攪拌；再控制合金液溫度為鋁合金固相線溫度以上30±10℃進行澆鑄，獲得顆粒增強鋁基復合材料。所獲得的顆粒增強鋁基復合材料的抗拉強度和延伸率較常規(guī)鑄造方法獲得的鋁基復合材料均提高至少40%以上，延伸率的提升率最高達到134%。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于材料加工
，特別涉及一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法。
技術(shù)介紹
在鋁合金強化手段中，顆粒強化是極其重要的強化手段。而在眾多強化材料中，SiCp因其成本低、資源豐富、性能優(yōu)良而更具有應(yīng)用價值。目前，SiCp顆粒增強鋁基復合材料常用的制備方法主要有粉末冶金法、噴射沉積法、半固態(tài)加工法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸滲法、擠壓鑄造法等。其中，攪拌鑄造法相比于其他制備法，具有工藝簡單、設(shè)備簡易、成本低、能夠進行批量工業(yè)化生產(chǎn)等特點而受到了廣泛關(guān)注。攪拌鑄造法制備SiCp顆粒增強鋁基復合材料，必須要解決好兩個瓶頸問題，一是SiCp顆粒在鋁合金熔體內(nèi)是否均勻分布？二是SiCp顆粒與基體金屬是否良好潤濕？這兩個問題能否解決或者解決的好壞程度，關(guān)系到SiCp顆粒增強鋁基復合材料能否獲得廣泛應(yīng)用，意義重大。1968年，印度國家科學實驗室的S.Ray等人[1]通過用攪拌釜攪拌的方法將Al2O3顆粒加入到鋁液中制備出Al2O3顆粒増強鋁基復合材料，標志著機械攪拌鑄造過程的誕生。Harnby N等人[2]研究了不同形式的攬拌器對強化顆粒的分布影響。張恩霞[3]采用壓力鑄造的方法制備出了結(jié)構(gòu)較為復雜的ZL102復合材料壓鑄件?？涤懒值热薣4]將熔化后的鎂合金調(diào)整到610℃后，將SiCp顆粒壓入鎂合金熔體內(nèi)，通過攪拌、靜置后澆鑄制得性能良好的復合材料。袁廣江等人[5]將鋁錠加熱熔化、除氣后將SiCp粉末注入鋁液上部，真空中攪拌后澆鑄制得性能優(yōu)良的復合材料。在20世紀70年代，美國馬薩諸塞州科學技術(shù)實驗室[6]，將合金溫度控制在液相線和固相線之間，使合金保持在半固態(tài)狀態(tài)，然后將顆粒加入合金中，標志著半固態(tài)攪拌法制備復合材料技術(shù)的誕生。白莉、李沛沛等人[7]采用機械攪拌半固態(tài)法研究了SiCp顆粒增強鉛基復合材料微觀組織結(jié)構(gòu)及力學性能，但是明確指出SiCp顆粒分散均勻性較差。胡啟耀等人[8]采用機械攪拌半固態(tài)漿料法制備了SiCp /A356復合材料，指出其半固態(tài)固相率對SiC顆粒的加入與分布有重要影響；曾國勛等人[9]對液相攪拌鑄造法制備的SiCp/Al復合材料的界面和力學性能進行了分析研究，結(jié)果表明，SiCp/Al的界面結(jié)合是性能良好的冶金結(jié)合，SiCp能提高鋁基體的拉伸強度，同時顯著提高鋁基體的室溫硬度與高溫硬度。胡海萍等人[10]應(yīng)用氬氣保護、液固二相攪拌鑄造法制備了SiCp增強的Al基復合材料，得到的復合材料中未發(fā)現(xiàn)結(jié)團和宏觀氣孔，材料的彈性模量、屈服強度較基體材料有很大提高。王蕾等人[11]研究討論了用液固二相攪拌鑄造法制造SiCp/Al復合材料的工藝，結(jié)果表明，用多層螺旋傾斜葉片攪拌棒對熔體以適當?shù)乃俣葦嚢瑁稍黾覵iCp的復合量。雖然液態(tài)機械攪拌法和半固態(tài)機械攪拌法制備SiC顆粒增強鋁基復合材料取得了很大成就，但是由于機械攪拌不可避免會對熔體產(chǎn)生二次污染，同時，有些研究也指出[14]，用液固二相攪拌法制成的復合材料，力學性能并沒有明顯提高，有的還有些下降。這是由于在液固二相熔體中氣體和夾雜物不易排除，正是由于這些缺陷的存在，機械攪拌法應(yīng)用受到了很大的限制。為解決機械攪拌帶來的諸多弊端，人們又進行了利用外場改善合金組織方面的研究。Sun Yi等人[12]通過在純鎂中加入C/N復合顆粒，外加超聲波作用制備了鎂基復合材料，復合材料的力學性能得到了大幅提高，其中相對于純鎂的屈服強度提高了193%。Hongseok等人[13]在外加超聲波作用下，向A1-7Si- 0.3Mg合金中同時加入Cu和納米Al2O3顆粒，復合材料的屈服強度提高了163％，抗拉強度和伸長率也得到很大提高。但是，外加超聲波作用時，變幅桿的端部必須伸入到熔體內(nèi)部，這樣既會使變幅桿端部附著熔體，不利于多次實驗使用，造成實驗成本升高，又會由于端部的高溫腐蝕與空化腐蝕而使熔體成分受到污染。王承志等人[14]在攪拌電流450A、攪拌頻率6Hz、攪拌時間30min的條件下，采用頂部加入法，電磁攪拌法制備出了SiCp增強的Al基復合漿料。但是，由于其單純的攪拌作用且強化粒子本身沒有導電性，外加電磁場雖然增加了強化粒子溶入基體的能力，對其不均勻性分布并沒有帶來顯著地改變?？傊?，國內(nèi)外的大量研究結(jié)果表明，采用攪拌法制備SiCp顆粒增強鋁基復合材料的研究工作盡管取得了很大的進展，也取得了很多令人矚目的成就。但是前述提到的影響SiCp顆粒增強鋁基復合材料獲得廣泛應(yīng)用的兩個瓶頸問題并沒有得到很好的的解決。其原因主要有：1）當使用10微米左右粒徑的SiCp顆粒作為增強材料時，由于顆粒尺寸細小，比表面能較高，顆粒有團聚傾向，在高溫鋁液中不易分開。同時，SiCp顆粒與鋁基體具有不潤濕性，且鋁液表面張力較大，直接將SiCp顆粒加入高溫鋁液中后，大部分顆粒會漂浮在鋁液表面，無法進入鋁基體中。而且，SiCp顆粒密度要高于鋁熔體，會逐漸沉降在容器底部，無法達到均勻分散的目的。雖然機械攪拌乃至半固態(tài)下的機械攪拌會使此問題的嚴重程度有所緩解，但是由于攪拌釜會對熔體帶來二次污染，會增加熔體吸氣、夾雜等其它嚴重影響熔體質(zhì)量的問題，所以，機械攪拌法不足以徹底解決顆粒分布不均勻帶來的一系列熔體缺陷的問題。而單純地電磁攪拌雖然增加了熔體的定向流動趨勢，但對于沒有導電性的SiCp顆粒在磁場下的均勻性分布影響有限；2）潤濕性是制備金屬基復合材料的另一關(guān)鍵問題。SiCp顆粒與鋁基體的潤濕角大于900，潤濕性很差，即使在機械攪拌作用下也很難完全的溶入鋁基體中，當顆粒尺寸降低時，實現(xiàn)完全潤濕會更加困難。參考文獻：[1] Ray S, et a1. Synthesis of cast metal matrix particulate composites[J]. Journal of Materials Science, 1993, 28(20): 5397-5413.[2] Edwards M F, Nienow A W. Mixing in the process industries butterworths[J]. 1975，12（6）：623-628[3] 張恩霞。SiCp/ZL102復合材料成型性能與復雜壓鑄件制備[D]．南京：南京理工大學，2003[4] 康永林，王朝輝。半固態(tài)工藝制備納米SiC顆粒增強AM60鎂合金的研究［J］。特種鑄造及有色合金，2007，27（8）：583-585。[5] 袁廣江，章文峰，王殿斌等。SiC增強鋁基復合材料制備及機加性能研究[J]。復合材料學報，2000，l7(2)：38-41。[6] Prasad P P, Ray S, Gaindhar J L. Microstruture and mechanical-properties of rheocast Al-10 wt-percent cu alloy[J]. Zeitschrift fur metalknude, 1982, 73(7): 420-425.[7] 白莉。SiC 顆粒鋁基復合材料電子封裝零件的組織性能研究[D]，重慶，重慶大學，2010。[8] 胡啟耀，趙海東，葛繼龍。攪拌制備B4C(SiCp)／A356復合材料的組織與性能[J]。特種鑄造及有色合，2015，35本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于包括將鋁合金熔體冷卻到液相線溫度，加入SiCp與Cu組成的核殼粒子，對合金液同時施加縱向磁場和橫向磁場進行磁力攪拌；再控制合金液溫度為鋁合金固相線溫度以上30±10℃進行澆鑄，獲得顆粒增強鋁基復合材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于包括將鋁合金熔體冷卻到液相線溫度，加入SiCp與Cu組成的核殼粒子，對合金液同時施加縱向磁場和橫向磁場進行磁力攪拌；再控制合金液溫度為鋁合金固相線溫度以上30±10℃進行澆鑄，獲得顆粒增強鋁基復合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于所述核殼粒子的直徑為10~100μm，其中內(nèi)核粒子為SiCp，直徑為5~90μm；殼層為Cu層，厚度為2.5~20μm...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王平，劉靜，常東旭，趙瑩瑩，王悅，宋潔，楊昊，
申請(專利權(quán))人：東北大學，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧;21