CN102296196B

CN102296196B - 一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102296196B
Application number: CN201110287163.9A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 赵玉涛; 张勇; 张振亚; 侯文胜
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102296196A

Abstract

本发明涉原位颗粒增强铝基复合材料，具体而言为涉及一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。其特征是：将Al-Si合金熔化，按复合材料中不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，加入10~25wt%的SiO₂进行熔化，升温到800-850^oC，保温5~10min后进行精炼，随后进行超声作用，边超声处理边加入1~2wt%的钛粉和0.3~0.5wt%稀土，静置5~10min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti）微米颗粒与Al₂O₃纳米颗粒共同增强的铝基复合材料。该方法制备工艺简单、成本低，整体反应温度较低，铝烧损少。

Description

一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉原位颗粒增强铝基复合材料，具体而言为涉及一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

技术背景

颗粒增强铝基复合材料根据增强颗粒的来源可以分为外加颗粒增强铝基复合材料和原位颗粒增强铝基复合材料；外加颗粒增强铝基复合材料由于增强颗粒由外部加入，存在着颗粒尺寸大、颗粒表面有污染、颗粒-铝（合金）基体界面结合差以及易生成脆性副产物等一系列缺点，为此，近年来原位颗粒增强铝基复合材料得到了重视和发展，原位颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒是通过内生或反应合成在铝基体中原位形核、长大，是热力学稳定相，表面无污染，颗粒-铝界面结合好，在众多反应合成技术中，熔体直接反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在一定温度下加到熔融的铝或铝合金中，使之充分反应，从而制备颗粒增强铝基复合材料，该方法具有工艺简单、成本低、周期短，易于工业化生产等优点，被认为是最有希望实现工业化应用的新技术，采用熔体直接反应法制备颗粒增强铝基复合材料，所生产的颗粒增强铝基复合材料成分、组织均匀，增强颗粒的体积分数一般在20%以下。

在实际应用场合，如汽车发动机活塞，对材料的主要要求是密度小、线膨胀系数低、耐磨性及体积稳定性较高；铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积炭也较少，但耐热、耐磨性还有待提高，初步研究已经表明，外加颗粒增强铝基复合材料活塞具有应用的可行性，但同时也暴露出材料成型性差、颗粒-基体界面结合不良等问题，在其它零部件，如发动机缸体、缸盖，也同样有材料强度以及耐热、耐磨的综合要求，因此，成型性与使用性能的协调是铝基复合材料开发的关键，原位颗粒增强铝基复合材料中，陶瓷或金属间化合物增强颗粒原位形成，材料尺寸稳定性好、耐磨性能优异，同时保持了铝合金基体的良好的导热性能，因此，以原位颗粒增强铝基复合材料为基础，可望开发出具有良好成型性且力学性能优异的新型铝基复合材料。

在原位颗粒增强铝基复合材料中，尺寸处于不同数量级（微米和纳米）的增强颗粒共同作为增强体增强铝合金基体，这样就形成了跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，研究表明，尺寸不同的增强颗粒在复合材料中的作用和特点不同：大尺寸有利于提高耐磨性，分散相对容易，但出现缺陷的几率高；小尺寸的增强效果明显，但分散相对困难，难以获得大体积分数。从目前的增强机理分析，在颗粒体积分数相同的情况下，尺寸越小增强作用越强，但是，据文献（龙祥愿，章爱生。原位反应生成纳米TiB₂颗粒增强铝基复合材料的研究近况，热加工工艺(铸锻版)，2006年第3期）报道，当原位增强颗粒尺寸小于1μm时，增强颗粒的体积分数只能达到5%左右，否则，颗粒增强团聚倾向严重，铝液铸造性能变差，难成型，不同尺度的增强颗粒以一定比例共同存在于复合材料中，有利于发挥各自的优势，对于开发新型颗粒增强铝基复合材料具有重要意义。

目前，原位纳米颗粒增强铝基复合材料往往采用外加物理场辅助化学反应和促进增强颗粒分布，制备工艺已有较多的研究；原位微米尺寸颗粒增强铝基复合材料的制备工艺相对成熟，然而，同时采用纳米与微米原位颗粒增强的铝基复合材料的制备，由于体积分数相对较高，且不同尺寸的颗粒可能相互影响，在国内外尚没有相关的报道，本发明希望通过采用适当体积分数的原位纳米颗粒，并设法在凝固过程中形成的微米尺寸颗粒，既保证材料的成型性，又使复合材料具有良好的使用性能。

发明内容

本发明提出一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，其构成是：采用原位反应形成的适当体积分数的Al₂O₃纳米颗粒和少量Al₃Ti微米颗粒，以及在凝固过程中形成的微米尺寸硅颗粒，对铝合金进行联合增强，制备出跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料。

本发明提出一种采用熔体反应技术在铝合金体系中合成跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料的技术方法。其与原理是：通过超声作用，使SiO₂与Al-Si合金反应，生成Al₂O₃纳米颗粒，同时提高铝合金的硅含量；同时使钛粉与Al-Si合金反应，生成少量Al₃Ti微米颗粒；通过变质处理，在凝固过程中，Al-Si合金中的硅以颗粒状的初生硅析出，从而提高复合材料增强颗粒的体积分数，这样，在复合材料浇注过程中，由于Al₂O₃纳米颗粒和Al₃Ti微米颗粒的体积分数相对较小，保证复合材料有良好的成型性；凝固过程中又形成了微米尺寸硅颗粒，增大了增强颗粒的体积分数，从而使复合材料具有良好的使用性能。

具体而言，本发明的特征是：

将Al-Si合金熔化，按复合材料中不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，加入10~25wt%的SiO₂进行熔化，升温到800-850^oC，保温5~10min后进行精炼，随后进行超声作用，边超声处理边加入1~2wt%的钛粉和0.3~0.5wt%稀土，静置5~10min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti）微米颗粒与Al₂O₃纳米颗粒共同增强的铝基复合材料。

所述的Al-Si合金，是指含硅3~15wt%的铝合金。

所述的不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，是指纳米级增强颗粒与微米级增强颗粒之间的体积分数比，1:4~1:1。

所述的熔体精炼，是按照常用的Al-Si合金精炼方式对熔体进行精炼，并加入0.3~1.0%的（P+S）复合变质剂或者0.4~1.2%的P-Cu中间合金，然后降温到液相线温度以上40~90^oC。

所述的超声作用，是指采用频率20kHz、功率密度为400~1200kW/cm²的超声，对熔体处理15~25min。

本发明具有如下优点：

1、利用熔体反应技术可以调整铝合金中的硅含量及反应合成Al₂O₃颗粒的体积分数，因此跨尺度颗粒增强铝基复合材料的可设计性强；

2、在不同阶段生成微米尺度Al₃Ti、初生硅颗粒以及纳米尺度的Al₂O₃颗粒，既实现了颗粒的跨尺度复合强化，又保证浇注时熔体具有足够的流动性；

3、由于生成的初生硅颗粒、Al₃Ti和Al₂O₃颗粒均为原位颗粒，与Al润湿性好，且可一次成型，因此制备工艺简单、成本低；

4、整体反应温度较低，铝烧损少。

总之，通过本发明可以成功地制备跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料。

附图说明

图1 跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料XRD图；

图2 跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料SEM图。

具体实施例

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

要求制备出纳米Al₂O₃颗粒体积分数为1.5%、微米级（Si+Al₃Ti）颗粒体积分数为6%的跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，将Al-10wt%Si合金熔化，按Al-Si合金的10wt%加入SiO₂进行熔化，升温到800^oC左右，保温10min后进行精炼，加入0.3%的（P+S）复合变质剂并降温到710℃，随后采用频率20kHz、功率密度为400W/cm²的超声，对熔体进行超声处理25min，边超声处理边加入1wt%的钛粉和0.3wt%稀土，静置5min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti+Al₂O₃）增强铝基复合材料。

图1为跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料XRD图，可见主要增强相为（Si+Al₃Ti+Al₂O₃）。

图2为跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料的SEM图，从图中可以看出既有微米尺度的颗粒，也有纳米尺度的颗粒。

分析表明，Al₂O₃、Al₃Ti、Si颗粒的体积分数分别为1.4%、0.8%、5.3%。在载荷为2.0MPa、滑动速度为200r/min的试验条件下，以经过淬火加低温

回火处理的40Cr为摩擦副，对复合材料进行3h的销-盘式干滑动摩擦磨损试验，该复合材料的磨损量为1.6g，与增强颗粒体积分数为7.5%的TiB₂颗粒增强A356基复合材料（磨损量为1.5g）大致相同，但其室温拉伸强度为280MPa，伸长率为10%，均明显高于后者（后者分别为240MPa与8%）。

实施例2

要求制备出纳米Al₂O₃颗粒体积分数为3%、微米级（Si+Al₃Ti）颗粒体积分数为9%的跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，将Al-15wt%Si合金熔化，按Al-Si合金的18wt%加入SiO₂进行熔化，升温到850℃，保温5min后进行精炼，加入1%的（P+S）复合变质剂并降温到810℃，随后采用频率20kHz、功率密度为1200W/cm²的超声，对熔体进行超声处理15min，边超声处理边加入1.5wt%的钛粉和0.5wt%稀土，静置10min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti+Al₂O₃）增强铝基复合材料。

分析表明，Al₂O₃、Al₃Ti、Si颗粒的体积分数分别为3.1%、1.2%、8.0%。在载荷为3.0MPa、滑动速度为200r/min的试验条件下，以经过淬火加低温

回火处理的40Cr为摩擦副，对复合材料进行3h的销-盘式干滑动摩擦磨损试验，该复合材料的磨损量为1.8g，与增强颗粒体积分数为12.0%的TiB₂颗粒增强A356基复合材料（磨损量为1.6g）大致相同，但其室温拉伸强度为362MPa，伸长率为8%，均明显高于后者（分别为290MPa与5%）。

实施例3

要求制备出纳米Al₂O₃颗粒体积分数为4%、微米级（Si+Al₃Ti）颗粒体积分数为4%的跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，将Al-3wt%Si合金熔化，按Al-Si合金的25wt%加入SiO₂进行熔化，升温到830℃，保温8min后进行精炼，加入0.6%的P-Cu中间合金并降温到760℃，随后采用频率20kHz、功率密度为800W/cm²的超声，对熔体进行超声处理20min，边超声处理边加入2wt%的钛粉和0.4wt%稀土，静置8min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti+Al₂O₃）增强铝基复合材料。

分析表明，Al₂O₃、Al₃Ti、Si颗粒的体积分数分别为3.9%、1.6%、2.6%。在载荷为2.0MPa、滑动速度为200r/min的试验条件下，以经过淬火加低温

回火处理的40Cr为摩擦副，对复合材料进行3h的销-盘式干滑动摩擦磨损试验，该复合材料的磨损量为1.5g，与增强颗粒体积分数为8.0%的TiB₂颗粒增强A356基复合材料（磨损量为1.4g）大致相同，但其室温拉伸强度为344MPa，伸长率为13%，均明显高于后者（分别为250MPa与7%）。

Claims

1.一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，其制备方法如下：将Al-Si合金熔化，按复合材料中不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，加入10~25wt%的SiO₂进行熔化，升温到800-850^oC，保温5~10min后进行精炼，随后进行超声作用，边超声处理边加入1~2wt%的钛粉和0.3~0.5wt%稀土，静置5~10min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti）微米颗粒与Al₂O₃纳米颗粒共同增强的铝基复合材料；所述Al-Si合金指含硅3~15wt%的铝合金；所述的熔体精炼，是按照常用的Al-Si合金精炼方式对熔体进行精炼，并加入0.3~1.0%的（P+S）复合变质剂或者0.4~1.2%的P-Cu中间合金，然后降温到液相线温度以上40~90^oC；所述的超声作用，是指采用频率20kHz、功率密度为400~1200kW/cm²的超声，对熔体处理15~25min。

2.如权利要求1所述的一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述的不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，是指纳米级增强颗粒与微米级增强颗粒之间的体积分数比为1:4~1:1。

3.如权利要求1所述一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：将Al-Si合金熔化，按复合材料中不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，加入10~25wt%的SiO₂进行熔化，升温到800-850^oC，保温5~10min后进行精炼，随后进行超声作用，边超声处理边加入1~2wt%的钛粉和0.3~0.5wt%稀土，静置5~10min，然后扒渣，调整温度浇注，最终形成（Si+Al₃Ti）微米颗粒与Al₂O₃纳米颗粒共同增强的铝基复合材料；所述Al-Si合金指含硅3~15wt%的铝合金；所述的熔体精炼，是按照常用的Al-Si合金精炼方式对熔体进行精炼，并加入0.3~1.0%的（P+S）复合变质剂或者0.4~1.2%的P-Cu中间合金，然后降温到液相线温度以上40~90^oC；所述的超声作用，是指采用频率20kHz、功率密度为400~1200kW/cm²的超声，对熔体处理15~25min。

4.如权利要求3所述的一种跨尺度原位颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的不同尺度增强颗粒体积分数的配比要求，是指纳米级增强颗粒与微米级增强颗粒之间的体积分数比为1:4~1:1。