CN101008054A

CN101008054A - 一种Al2O3颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法

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Publication number: CN101008054A
Application number: CN 200710071697
Authority: CN
Inventors: 张强; 武高辉; 乔菁
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: CN100453666C

Abstract

一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，它是一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。它解决了目前Al₂O₃增强铝基复合材料无压浸渗法中使用小粒径的Al₂O₃颗粒导致铝合金熔融体润湿Al₂O₃颗粒的难度增大、浸渗速率减慢和无压浸渗的难度增加的问题。制备方法：(一)将粒径为0.1μm～0.8μm的Al₂O₃颗粒制成预制件；(二)将铝合金(1)和Al₂O₃预制件(2)放入模具(3)，铝合金(1)置于Al₂O₃预制件(2)上方，在N₂气氛、温度为900～1100℃的环境中保温浸渗2～6h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料。本发明使用的Al₂O₃颗粒粒径为0.1μm～0.8μm，为亚微米级，明显小于目前Al₂O₃增强铝基复合材料无压浸渗法中使用的Al₂O₃颗粒粒径。本发明方法具有浸润性好，浸渗速率加快10～20％，无压自发浸渗难度低的优点。

Description

一种Al2O3颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法

技术领域

本发明涉及一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

Al₂O₃增强铝基复合材料(Al₂O₃/Al)由于具有比强度高、比模量高、优异的耐磨性和耐蚀性以及良好的尺寸稳定性等优良特性，在航空、航天、汽车工业等领域已倍受重视。Al₂O₃/Al复合材料的制备方法有原位反应合成、粉末冶金法、搅拌铸造法和压力铸造法。

原位反应合成技术的基本原理是在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种陶瓷增强相。氧化物置换还原反应是原位合成的主要反应模式，对于Al₂O₃/Al复合材料，常见的置换反应体系有Al-TiO₂、Al-SiO₂、Al-CuO等。但是原位反应合成技术的反应过程较难控制，过程中工艺参数(如反应温度等)的波动会使生成的增强体颗粒尺寸在一定范围内变动，降低铝基复合材料的力学性能。而且原位生成的增强体颗粒为微米级，粒径小于微米级的细小颗粒使熔融体产生高粘度，给进一步处理和稀释带来困难，无法制成均匀的铝基复合材料。

粉末冶金法制备Al₂O₃/Al是先将Al₂O₃颗粒与铝粉均匀混合后制成复合材料坯料，然后装入模具压制成形，再加热采用真空热压或热等静压方法制成复合材料锭块，之后烧结和锻造制成复合材料；在压制过程中需要对复合材料坯料进行除气，以去除吸附气体、水合氧化物等易挥发的物质。粉末冶金法工序繁多、制备周期长、成本较高；而且存在烧结时收缩不均匀，易偏析出现组织不均匀，制备高体积分数的复合材料效果不理想的缺陷。

搅拌铸造法制备Al₂O₃/Al是先在铝溶液中逐渐加入Al₂O₃颗粒，混合均匀后冷却制成复合材料坯料，使用时可以重熔进行铸造成型。搅拌铸造法的主要缺点是搅拌过程中颗粒易聚集成团，而且重力的影响使颗粒下沉而造成分布不均，易出现偏析。此外，高速机械搅拌时不可避免的混入气体和夹杂物，影响复合材料的性能；颗粒的加入量也受到限制，且Al₂O₃颗粒粒度较大，一般不低于10μm。

压力铸造法制备Al₂O₃/Al是通过施加外部压力将Al₂O₃颗粒加入到铝合金溶液中制得复合材料。压力铸造法首先将Al₂O₃颗粒装入金属模具，制成一定形状和体积分数的预制件，然后将熔融的铝合金倒入模具之中，随后在压力机下加压使铝溶液强行渗透到预制件中，冷却凝固后得到铝基复合材料。压力铸造法生产周期短，适合批量生产；但需要专用设备和金属模具增加了生产成本，而且铸造所施加的压力较高，所能制备复合材料件的形状简单，在制备小型、薄壁零部件时易被压裂，出现裂缝。

无压浸渗法可以弥补以上各种方法的缺陷。无压浸渗法无需依赖压力或搅拌作用，工艺简单，不需要昂贵的设备，成本低；浸渗模具材料选择范围宽，可以为透气性好的耐火材料和烧结陶瓷材料。虽然大粒径的Al₂O₃增强粒子容易产生应力集中，导致复合材料在变形过程中沿界面或增强粒子本身出现断裂，使材料的韧性急剧降低；但是由于相同体积Al₂O₃的情况下小粒径的Al₂O₃颗粒表面积大、颗粒间隙减小，导致了铝合金熔融体润湿Al₂O₃颗粒的难度增大和无压浸渗的难度增加；所以目前Al₂O₃增强铝基复合材料无压浸渗法中的Al₂O₃颗粒粒径尺寸大，不低于3μm。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前Al₂O₃增强铝基复合材料无压浸渗法中使用小粒径的Al₂O₃颗粒导致铝合金熔融体润湿Al₂O₃颗粒的难度增大、浸渗速率减慢和无压浸渗的难度增加的问题，而提供的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法。Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法按以下步骤实现：(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积28％～40％、粒径为0.1μm～0.8μm的Al₂O₃颗粒制成预制件；(二)将铝合金和Al₂O₃预制件放入模具，占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积60％～72％的铝合金置于Al₂O₃预制件上方，在N₂气氛、温度为900～1100℃的环境中保温浸渗2～6h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；其中所述的铝合金按质量百分比由10％～20％的Si、5％～10％的Mg和余量的Al组成。

本发明使用的Al₂O₃颗粒粒径为0.1μm～0.8μm，为亚微米级，颗粒粒径明显小于目前Al₂O₃增强铝基复合材料无压浸渗法中使用的Al₂O₃颗粒粒径。本发明方法具有浸润性好，浸渗速率加快10～20％，无压自发浸渗难度低的优点。

本发明制备出的Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料由于使用的Al₂O₃颗粒粒径小，在巨大的表面效应(如颗粒表面原子分数增多、表面活性增大等)和体积效应(增强体分布弥散、颗粒间距小、也在亚微米量级等)的影响下铝基复合材料表现出近无位错、近无析出的特性和纳米级微晶的基体组织，具有高强度和尺寸稳定性。另外，颗粒之间的亚微米级的间距使基体中的微观残余应力分布变得均匀，使Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料具有良好的塑性加工和精密切削性能。

附图说明

图1是具体实施方式一步骤二的示意图，图2是具体实施方式十四Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的SEM图，图3是具体实施方式十四Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料断口的SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法按以下步骤实现：(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积28％～40％、粒径为0.1μm～0.8μm的Al₂O₃颗粒制成预制件；(二)将铝合金1和Al₂O₃预制件2放入模具3，占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积60％～72％的铝合金1置于Al₂O₃预制件2上方，在N₂气氛、温度为900～1100℃的环境中保温浸渗2～6h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；其中所述的铝合金1按质量百分比由10％～20％的Si、5％～10％的Mg和余量的Al组成。

本实施方式通过Al₂O₃的密度和所需的体积(占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积28％～40％)可以计算出所需Al₂O₃颗粒的质量，并按此称取Al₂O₃颗粒。

本实施方式中的铝合金含有5wt％～10wt％的Mg。Mg元素降低了渗透所需的临界温度，使渗透易于进行。铝合金中Mg的存在可以降低Al₂O₃/Al的润湿角，Mg元素的作用机制为：(i)降低铝合金熔融体的表面张力，含Mg铝合金的表面张力(σ)与Mg的含量(x)近似符合：σ＝σ_Al-71.8ln(1+0.31x)，所以含Mg元素的铝合金表面张力下降，润湿角θ减小，润湿性得到提高；(ii)破除铝液表面氧化膜，Mg与氧的结合能力强于Al与氧的结合能力，形成的氧化物(MgO)稳定性更高，因此Mg可以将Al₂O₃还原成Al，从而去除铝液表面的Al₂O₃薄膜，为铝熔融体与增强体的直接接触形成通道。(iii)诱发界面反应，起到反应润湿的作用，降低铝熔融体与Al₂O₃颗粒的润湿角。

本实施方式中的铝合金含有10wt％～20wt％的Si。Si元素的存在可以促进渗透的进行，其作用机理为：(i)扩大铝合金熔融体向增强体渗透所需的微观通道；(ii)降低铝合金熔融体的粘度(在900℃的条件下，在纯Al中添加5％的Si，可将铝液的粘度从9.1×10^-4N/m²降到5×10^-4N/m²)，增加浸渗速率10％～20％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积30％～39％、粒径为0.1μm～0.6μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式中铝合金的体积为占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积61％～70％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积32％～36％、粒径为0.1μm～0.4μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式中铝合金的体积为占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积64％～68％。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积35％、粒径为0.1μm～0.2μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式中铝合金的体积为占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积65％。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积34％、粒径为0.2μm～0.4μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式中铝合金的体积为占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积64％。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)中Al₂O₃颗粒在50±2MPa的压力下，压制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式可根据实际具体情况设定压制时间。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)中Al₂O₃颗粒在50MPa的压力下，压制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)中将Al₂O₃颗粒与聚乙烯醇粘合剂按0.9～1.1∶1的体积比混合均匀后在30±2MPa的压力条件下压制成形，然后置于400～500℃的环境中保温1～2h，之后再升温至1100～1300℃烧结2～3h，制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

本实施方式Al₂O₃颗粒与聚乙烯醇粘合剂混合均匀后置于400～500℃的环境中保温1～2h可以完全分解、挥发聚乙烯醇粘合剂。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)中将Al₂O₃颗粒与聚乙烯醇粘合剂按1∶1的体积比混合均匀后在30MPa的压力条件下压制成形，然后置于450℃的环境中保温1.5h，之后再升温至1200℃烧结2.5h，制成预制件。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(二)中温度为950～1080℃的环境中保温浸渗3～5h。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(二)中温度为1000～1050℃的环境中保温浸渗4h。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的铝合金1按质量百分比由12％～18％的Si、6％～9％的Mg和余量的Al组成。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的铝合金1按质量百分比由15％的Si、7％的Mg和余量的Al组成。其它步骤与实施方式一相同。

具体实施方式十四：本实施方式Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法按以下步骤实现：(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积30％、粒径为0.3μm的Al₂O₃颗粒与聚乙烯醇粘合剂按1.1∶1的体积比混合均匀后在30MPa的压力条件下压制成形，然后置于400℃的环境中保温2h，之后再升温至1100℃烧结2h，制成预制件；(二)将铝合金和Al₂O₃预制件放入模具，占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积70％的铝合金置于Al₂O₃预制件上方，在N₂气氛、温度为1000℃的环境中保温浸渗2h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；其中所述的铝合金按质量百分比由18％的Si、6％的Mg和余量的Al组成。

本实施方式制备出的Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的SEM(扫描式电子显微图)如图2所示，可以观察到细小的Al₂O₃颗粒均匀分布在铝基体中。Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料断口的SEM如图3所示，可以观察到复合材料断口中的韧窝和位于韧窝底部的亚微米Al₂O₃颗粒。

测试结果表明，本实施方式制备出的Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的弯曲强度达到450MPa。

具体实施方式十五：本实施方式Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法按以下步骤实现：(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积28％、粒径为0.6μm的Al₂O₃颗粒在50MPa的压力下，压制成预制件；(二)将铝合金和Al₂O₃预制件放入模具，占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积72％的铝合金置于Al₂O₃预制件上方，在N₂气氛、温度为1000℃的环境中保温浸渗6h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；其中所述的铝合金按质量百分比由12％的Si、10％的Mg和余量的Al组成。

测试结果表明，本实施方式制备出的Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的弯曲强度达到310MPa。

Claims

1、一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法按以下步骤实现：(一)将占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积28％～40％、粒径为0.1μm～0.8μm的Al₂O₃颗粒制成预制件；(二)将铝合金(1)和Al₂O₃预制件(2)放入模具(3)，占Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料总体积60％～72％的铝合金(1)置于Al₂O₃预制件(2)上方，在N₂气氛、温度为900～1100℃的环境中保温浸渗2～6h，即得到Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料；其中所述的铝合金(1)按质量百分比由10％～20％的Si、5％～10％的Mg和余量的Al组成。

2、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(一)将占材料总体积30％～39％、粒径为0.1μm～0.6μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。

3、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(一)将占材料总体积32％～36％、粒径为0.1μm～0.4μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。

4、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(一)将占材料总体积35％、粒径为0.1μm～0.2μm的Al₂O₃颗粒制成预制件。

5、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(一)中Al₂O₃颗粒在50±2MPa的压力下，压制成预制件。

6、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(一)中将Al₂O₃颗粒与聚乙烯醇粘合剂按0.9～1.1∶1的体积比混合均匀后在30±2MPa的压力条件下压制成形，然后置于400～500℃的环境中保温1～2h，之后再升温至1100～1300℃烧结2～3h，制成预制件。

7、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(二)中温度为950～1080℃的环境中保温浸渗3～5h。

8、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于步骤(二)中温度为1000～1050℃的环境中保温浸渗4h。

9、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于所述的铝合金(1)按质量百分比由12％～18％的Si、6％～9％的Mg和余量的Al组成。

10、根据权利要求1所述的一种Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于所述的铝合金(1)按质量百分比由15％的Si、7％的Mg和余量的Al组成。