CN101717900A - 一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，按重量百分比，将下述组分：氧化硅60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si₃N₄晶种1～10％、Y₂O₃1～10％，湿法球磨干燥后制备成混合粉末，过筛造粒后模压成形为坯件；将坯件在氮气压力为6个大气压条件加热到1750℃保温2小时烧结，获得相对密度为20-30％的多孔氮化硅预制体。将多孔氮化硅烧结体放入压铸机模腔内加热模腔至500～700℃，或者先单独预热烧结体至500～700℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铝合金加热至熔融状态，倒入放置着预制体的模腔内，通过压力机将熔融铝合金液压入多孔氮化硅预制体中，最后待铸块冷却后从模腔取出进行热处理，即得到氮化硅增强铝基复合材料。

Description

一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法，特别涉及一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

纤维增强铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳性和潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点，已在航天航空、汽车、机械电子等领域作为高强度耐高温材料，显示出巨大的应用潜力。纤维增强铝基复合材料中的纤维含量一般为10-30vol％，可以体现金属的优异性能，制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘接法和粉末冶金法等。以下分别予以简述

(一)熔融浸润法

熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被液态铝润湿后除去多余的金属面得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤(田中郎平，《纤维增强金属基复合材料》，冶金工业出版社，1986)。

(二)扩散粘接法

扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料。此外，扩散粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法(《金属基复合材料及其制备技术》，化学工业出版社，ISBN号：7502592571)。

(三)粉末冶金法

粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制粉工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了大量性能优异的铝基复合材料。它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高抗磨的特点，而且可以随意调整工艺路线。这种方法制备的铝基复合材料中增强相分布均匀，界面反应易于控制，在性能和稳定性上大大优于其它工艺方法制备的材料(中国专利CN1487109“粉末冶金自生成陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”)。

(四)加压铸造法

加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响(Peng L M.Mechanical properties of ceramic-metal composites bypressure infiltration of metal into porous ceramics，Materials Scienceand Engineering A，2004，374：1-9)。

综上，在纤维增强铝基复合材料的制备方面所存在的问题是：1、由于纤维价格昂贵，对人体又具有毒性，未能正常使用在零部件上。2、大部分复合材料中纤维相是不连续的。研究表明，当复合材料中的增强相和基体呈互穿网络分布结构时，可以表现出更优异的力学性能。3、陶瓷预制体与熔融金属液润湿性差。没有外加压力，熔融金属液难以完全渗入陶瓷预制体内。

发明内容

本发明针对现有铝基复合材料制备方法所存在的缺陷，提供了一种结合碳热还原法和压铸法优点的制备氮化硅增强铝基复合材料的新工艺。利用碳热还原反应烧结法制备具有棒状晶粒结构的多孔氮化硅陶瓷，控制固相含量在20-30％，再利用压铸法将熔融的铝液压入气孔中，形成与现有的纤维增强的铝基复合材料具有类似无机纤维含量的材料。此种方法具有产品性能优异、生产工艺简单，制备成本低的优点。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)按重量百分数：氧化硅60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si₃N₄晶种1～10％、Y₂O₃ 1～10％分别进行称量，湿法球磨干燥后制备成混合粉末，

(2)将混合粉末过筛制成造粒料装入模具型腔内，模压成形为坯件；

(3)将坯件在氮气流量为3L/min、氮气压力为6个大气压条件下升温到1750℃，保温2小时，获得多孔氮化硅烧结体，

(4)将多孔氮化硅烧结体放入压铸机模腔内加热模腔至500～700℃，或者先单独预热烧结体至500～700℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铝合金加热至熔融状态；

(5)将熔融铝合金液倒入放置烧结体的压铸机模腔内，

(6)依靠压铸机上压头将熔融铝合金液压入多孔氮化硅烧结体中，形成铸块，当压强达到20～40MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却后从模腔取出；

(7)将铸块重新加热去除铸块外边多余的铝合金；

(8)对去除多余铝合金的铸块进行热处理得到氮化硅增强铝基复合材料。

上述方法中，所述步骤(1)氧化硅与碳黑的质量比值为2～3。所述步骤(3)烧结过程中升温速度为4℃/min。所述步骤(4)中铝合金的熔融温度为750～850℃。所述步骤(5)压铸机与液态金属直接接触的模腔内涂有脱模剂。所述步骤(8)热处理工艺如下：将试样放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500℃，保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180℃保温6小时消除内应力。

本发明采用碳热还原法制备的多孔氮化硅陶瓷材料作为增强相的预制件，利用加压铸造技术制备了力学性能优异的氮化硅增强铝基复合材料。相对于现有的纤维增强金属基复合材料，具有如下优点：①碳热还原法制备的多孔氮化硅预制体气孔率可以达到70％(由于反应有44％的失重)，所以获得的氮化硅增强铝基复合材料的增强相含量较低(小于30％)，接近于通常的纤维增强铝合金复合材料的纤维增强相含量(大约20％)。而使用控制烧结工艺制备的氮化硅预制体气孔率比较低(小于50％)。②本发明方法制备的复合材料为互穿孔网络组织，陶瓷增强铝基复合材料的应用中，陶瓷网络骨架承载大部分的重量，而大部分纤维增强的铝合金复合材料中的纤维增强相是不连续的，所以本发明方法制备的复合材料的微观组织优于纤维增强的铝合金复合材料。③由于碳热还原法制备的多孔氮化硅陶瓷材料的晶粒交叠的针状β-Si₃N₄组织，非常接近于氮化硅纤维，根据纤维增强增韧理论，具有很高长径比的β-Si₃N₄晶粒所产生的桥接和拔出效应阻止裂纹的扩展，因此复合材料的结构和性能也与纤维增强的铝合金复合材料相近，具有优异的力学性能。④因为熔融铝合金液与氮化硅的润湿性非常差，挤压铸造法通过机械压力使熔融铝合金液强行进入多孔氮化硅预制体内气孔，压力一直保持到凝固结束。此方法不但可以克服多孔氮化硅预制体与熔融铝合金液润湿性差的不足，同时由于浸渗时间短，凝固速度快而避免氮化硅在制备复合材料的过程中与熔融铝合金液发生不良反应，施加的机械压力不但能够克服预制体内的各种阻力，而且还能使熔融铝合金液前沿的热气流排出型腔，提高了熔融铝合金液对多孔氮化硅预制体微小气孔的填充能力，使压铸后的复合材料致密度大幅度升高。所以通过结合碳热还原法和压铸法的优点，本发明制备的氮化硅增强铝基复合材料具有致密度高，力学性能优异的特点。

附图说明

图1为实施例7压铸前的多孔氮化硅烧结体显微形貌照片。

图2为实施例7压铸后氮化硅增强铝基复合材料显微形貌照片。

图3为实施例8压铸后氮化硅增强铝基复合材料显微形貌照片。

图4是实施例7压铸后的氮化硅增强铝基复合材料XRD图谱。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)按表1组成实施例分别进行称量，其中氧化硅粉与碳黑的质量比为2～3，湿法球磨干燥后制备成混合粉末，

(2)将混合粉末过筛制成造粒料装入模具型腔内，模压成形为不同组分的坯件；

(3)将不同组分的坯件分别在氮气流量为3L/min、氮气压力为6个大气压、升温速度为4℃/min条件下，升温到1750℃，保温2小时，获得不同组分的多孔氮化硅烧结体(预制体)。

(4)压铸机各部分组装后将各组分的多孔氮化硅烧结体分别放入压铸机模腔内加热模腔至500～700℃，或者先单独预热烧结体至500～700℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铝合金加热至750～850℃达到熔融状态；压铸机模腔内与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模。

(5)将熔融铝合金液倒入放置烧结体的压铸机模腔内。

(6)依靠压铸机上压头将熔融铝合金液压入多孔氮化硅烧结体中，形成铸块，当压强达到20～40MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却后从模腔取出；

(7)将铸块重新加热去除铸块外边多余的铝合金；

(8)对去除多余铝合金的铸块进行T6热处理工艺后得到复合材料，具体工艺如下：将试样放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500℃，并保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180℃保温6小时消除内应力。

铝合金加热温度为750～850℃，如果温度不到750℃，铝合金不能完全融化，没有任何流动性，不能压铸。如果温度大于850℃，熔融铝合金液的流动性太高，容易从模具结合处溢出，使压铸过程无法进行，此外熔融铝合金液温度过高易氧化，造成原材料的浪费，使生产成本增高。

加热压铸机模腔或烧结体单独预热的温度为500～700℃，如果温度不到500℃，造成熔融铝合金液逐渐凝固或者流动性严重降低，对压铸过程产生很大的阻力，熔融铝合金液对陶瓷预制体的微小气孔的填充能力降低，导致压铸后的复合材料致密度太低，如果温度大于700℃，高温下铝合金液易氧化，造成原材料的浪费，使生产成本增高，同时，在高温下在金属与陶瓷界面上可能生成脆性相，从而降低复合材料的性能。

压铸压力为20～40MPa，如果压力不到20MPa，施加的机械压力不能够克服预制体内的各种阻力，而且还不能使液态合金液体前沿的热气流排出型腔，导致压铸后的复合材料致密度太低，如果压力太低，导致压铸过程无法完成。如果压力大于40MPa，会对压铸机和模具造成损坏，甚至造成预制体的断裂。

本发明采用阿基米德排水法测定表1各实施例多孔氮化硅预制体和氮化硅增强铝基复合材料的开气孔率。扫描电子显微镜在试样断面上观察显微组织。由上述方法获得的实施例1-13氮化硅增强铝基复合材料测定室温下的三点弯曲强度和断裂韧性，用维氏硬度仪进行显微硬度试验。这些气孔率和力学性能的性能结果如表2所示。其中实施例7压铸前、后的多孔氮化硅烧结体显微形貌照片及XRD图谱分别如图1、图2、图4所示；实施例8压铸后氮化硅增强铝基复合材料显微形貌照片如图3所示。

表1本发明氮化硅多孔预制体的组成和性能

从表1可以看出在压铸机模腔的温度为500～700℃，铝合金加热温度为750～850℃，压铸压力为20～40MPa的范围内压铸，复合材料表现出了很高的弯曲强度，断裂韧性和显微硬度。分别最高可达675MPa，11.33MPa·m^1/2，366HV.

从图1可以看出，碳热还原法制备的多孔氮化硅预制体具有细小针状结构的β相氮化硅的微观结构，气孔率比较大。

从图2和图3可以观察到少量针状β-Si₃N₄相晶粒，以及针状晶被拔出所留下的痕迹，形状较为规则的长条状凹坑，针状晶沿垂直断裂方向被拔出后留下的孔洞。基体铝合金是韧性相，其断裂的过程会发生大量的塑性变形，所以在微观上会形成韧窝，表现为断口上会出现发亮的撕裂棱。

从图4中可以看到复合材料的相组成为β-Si₃N₄，Al，Y₈Si₃O₄N₁₄。

表2本发明氮化硅增强铝基复合材料压铸条件和性能

Claims (6)

1.一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)按重量百分数：氧化硅60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si₃N₄晶种1～10％、Y₂O₃1～10％分别进行称量，湿法球磨干燥后制备成混合粉末，

(2)将混合粉末过筛制成造粒料装入模具型腔内，模压成形为坯件；

(3)将坯件在氮气流量为3L/min、氮气压力为6个大气压条件下升温到1750℃，保温2小时，获得多孔氮化硅烧结体，

(4)将多孔氮化硅烧结体放入压铸机模腔内加热模腔至500～700℃，或者先单独预热烧结体至500～700℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铝合金加热至熔融状态；

(5)将熔融铝合金液倒入放置烧结体的压铸机模腔内，

(6)依靠压铸机上压头将熔融铝合金液压入多孔氮化硅烧结体中，形成铸块，当压强达到20～40MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却后从模腔取出；

(7)将铸块重新加热去除铸块外边多余的铝合金；

(8)对去除多余铝合金的铸块进行热处理得到氮化硅增强铝基复合材料。

2.如权利要求1所述的氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，氧化硅与碳黑的质量比值为2～3。

3.如权利要求1所述的氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)烧结过程中升温速度为4℃/min。

4.如权利要求1所述的氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中铝合金的熔融温度为750～850℃。

5.如权利要求1所述的氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)与液态金属直接接触的压铸机模腔内涂有脱模剂。

6.如权利要求1所述的氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(8)中的热处理工艺如下：将试样放入马弗炉后在半小时内将炉温从室温升至500℃，保温6小时，然后将试样取出水淬，再在180℃保温6小时消除内应力。

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