发明内容
本发明的主要目的在于提出并实现一种制备高度致密、组织均匀的微米级硅铝双连续复合材料的工艺。
本发明的另一目的在于实现一种制备工艺,采用这种工艺制备的双连续复合材料具有高强度、低膨胀、良好的导热性,可进行常规机加工和高精度机加工制成复杂形状部件。
本发明还将实现一种双连续复合材料的基体合金化工艺,使得制出的硅铝复合材料可进行热处理强韧化。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的:
一种硅铝双连续复合材料,是采用粉末冶金工艺制备硅含量为40vol.%~80vol.%,铝合金含量为20vol.%~60vol.%的复合材料坯锭,其中,所制得的复合材料完全致密且具有均匀的微观组织;硅和铝合金都以网状结构的形式存在,该硅网状结构和铝合金网状结构互相穿插渗透。
在本发明的硅铝双连续复合材料中,所述的硅网状结构中硅的颗粒尺寸为4μm~50μm,所述的铝合金网状结构中铝合金的晶粒尺寸为1μm~25μm。
在本发明的硅铝双连续复合材料中,所述的硅铝双连续复合材料的制成是采用纯铝粉、纯铜粉和纯镁粉按照纯铜粉占上述三种总的混合粉末的质量分数2wt.%~4.5wt.%和纯镁粉占上述三种总的混合粉末的质量分数0wt.%~1.5wt.%进行铝合金的配比;再将铝铜或铝铜镁混合粉末与硅粉按照铝铜或铝铜镁混合粉末与硅粉的质量比1∶0.56~3.4均匀混合制成铝铜硅或铝铜镁硅混合粉末,以使硅的体积分数为40vol.%~80vol.%;经冷等静压成型,高温除气处理,热等静压致密化,得到完全致密的复合材料坯锭。
在本发明的硅铝双连续复合材料中,所述的纯铝粉、纯铜粉、纯镁粉的平均粒径分别为3.5μm~25μm、1μm~10μm、10~25μm;硅粉平均粒径为1μm~50μm。
在本发明的硅铝双连续复合材料中,所述的硅粉表面涂覆一层选自Cu和Ni金属薄膜及SiO2和Si3N4陶瓷薄膜中的任意一种,所形成的薄膜的厚度为2nm~40nm。
在本发明的硅铝双连续复合材料中,所制得的复合材料机加工性能良好,经高精度机加工后表面精度可达20nm。
一种硅铝双连续复合材料的制备工艺,是在粉末冶金工艺基础上,通过设计铝合金成分、钝化硅粉、控制硅粉的与铝粉的反应、控制粉末固结和致密化工艺制备出硅含量为40vol.%~80vol.%,铝合金含量为20vol.%~60vol.%的复合材料坯锭,具体实施步骤为:
(1)将纯铝粉、纯铜粉和纯镁粉按照纯铜粉占上述三种总的混合粉末的质量分数2wt.%~4.5wt.%和纯镁粉占上述三种总的混合粉末的质量分数0wt.%~1.5wt.%均匀混合制成铝铜或铝铜镁混合粉末,再将铝铜或铝铜镁混合粉末与硅粉按照铝铜或铝铜镁混合粉末与硅粉的质量比1∶0.56~3.4均匀混合制成铝铜硅或铝铜镁硅混合粉末,以使硅含量为40vol.%~80vol.%。其中,所述的硅粉经过表面处理,使硅粉颗粒表面形成一层薄膜;
(2)将混合粉末进行冷等静压成型,制成冷等静压成型的坯锭;
(3)将冷等静压成型的坯锭进行高温除气处理;
(4)将冷等静压成型并高温除气后的坯锭进行热等静压致密化,得到完全致密的复合材料坯锭;
(5)将热等静压致密化的复合材料坯锭经常规机械加工形成复合材料零部件。
在上述步骤(1)中,一种优选的技术方案,其特征在于:复合材料基体的成分按照2xxx铝合金(Al-Cu-Mg为主)的任意一种来配比,采用纯铝粉、纯铜粉、纯镁粉直接混合,并使其在随后的热等静压致密化过程中发生合金化。为了使元素粉末合金化,必须采用超细元素粉,缩短合金元素扩散距离,增加合金元素分布均匀性。本发明中,元素粉末均采用气雾化方法制成;纯铝粉、纯铜粉、纯镁粉的平均粒度分别为3.5μm~25μm、1μm~10μm、10μm~25μm。
在所述的步骤(1)中,该纯铝粉与硅粉的粒度比必须恰当选择,使得硅粉颗粒可以近似以单分散的形式均匀分布于纯铝粉中,避免存在硅粉或纯铝粉的团聚。该粒度比的选择依据是:在铝铜硅混合粉末或铝铜镁硅混合粉末中,所有硅粉颗粒的表面积之和与所有纯铝粉颗粒的表面积之和的比值为0.5~2,该表面积之和的比值根据硅粉和纯铝粉的体积分数、硅粉颗粒的平均粒径、纯铝粉颗粒的平均粒径估算得出,其中,颗粒表面积之和标记为A,颗粒体积分数标记为V,颗粒平均粒径标记为d,则表面积之和的比值可根据以下公式估算得出:
在本发明的硅铝双连续复合材料的制备工艺中,步骤(1)中所述的硅粉经过表面处理,未经表面处理的硅粉纯度为99.99wt.%,采用气流粉碎分级制成,平均粒径为1μm~50μm。所述的硅粉表面处理是钝化处理,通过在颗粒表面涂覆一层薄膜来控制硅在铝合金(存在少量液相)中的扩散速率,抑制硅的聚集长大。
在上述步骤(1)中,一种优选的技术方案,其特征在于:根据需要采用特定的处理工艺在硅粉表面涂覆一层金属(Cu或Ni)、陶瓷(SiO2或Si3N4)薄膜或涂层的任意一种,并通过控制金属或陶瓷薄膜的厚度来控制硅在铝合金中的扩散。薄膜或涂层的厚度为2nm~40nm。对Si粉进行表面处理工艺是采用电镀、化学气相沉积、高温氧化和高温氮化工艺中的任意一种。
在上述步骤(2)中是将混合粉末封装于胶皮包套中进行冷等静压成型。其中,冷等静压压力为90~200MPa,保压时间为10~30分钟,冷压坯相对致密度为55%~80%。
在上述步骤(3)中是将冷等静压成型的坯锭封装入金属包套中进行高温除气处理,其中,除气温度略高于铝合金固相线,可在505℃~600℃范围内选择,根据不同尺寸的坯锭,除气时间为10~100小时。
在上述步骤(4)中是将封装并除气后的坯锭进行热等静压致密化。高温致密化的温度选择对于形成硅铝互穿结构至关重要。由于硅粉颗粒仅靠固相扩散很难形成连续网状结构,因此必须在所用的铝合金液相线之上选择恰当的温度,使铝粉与铜粉镁粉相互接触的原始界面产生少量合金液相,硅颗粒借助于铝铜或铝铜镁合金液相快速扩散连接,通过冶金结合形成网状结构。温度过高液相过多会导致局部区域内硅颗粒与纯铝粉、纯铜粉和/或纯镁粉产生共晶或过共晶反应,形成粗大的硅颗粒。
在上述步骤(4)中,一种优选的技术方案,其特征在于:热等静压温度可在505℃~600℃范围内选择,热等静压压力为40~150MPa,保温保压时间为1~5小时。在此技术方案中,仅通过调整冷等静压和热等静压包套尺寸,可制得直径为40mm~500mm、高度为40mm~1000mm的硅铝双连续复合材料坯锭。
在上述步骤(4)中,一种优选的技术方案,其特征在于:选用纯铝、不锈钢、20#钢和Q235钢中的任意一种作为热等静压包套材料,确保包套在高温致密化过程中可随复合材料坯锭均匀变形;包套厚度为0.6mm~3.5mm。
在步骤(5)中,将热等静压致密化的复合材料坯锭采用常规机加工制成具有复杂形状和高尺寸精度零部件(备选)。
在本发明的硅铝双连续复合材料的制备方法中,该方法还包括步骤(6),该步骤(6)是将步骤(4)得到的热等静压致密化的复合材料坯锭或步骤(5)机加工后的复合材料零部件进行合金化热处理。
在步骤(6)中,将热等静压致密化的复合材料坯锭或机加工后的复合材料零部件进行合金化热处理。由于热等静压温度高于合金液相线,经热等静压之后复合材料中的原始铜粉和镁粉颗粒大多已经和铝发生反应形成弥散分布的金属间化合物粒子。合金化热处理的目的在于使得金属间化合物粒子以及未完全反应的铜粉和镁粉充分溶解形成固溶体,固溶体经一定时间时效处理后会形成更加细小(纳米级)的金属间化合物弥散粒子,起到有效的强化作用。固溶及时效工艺可按照所选基体合金的热处理工艺执行。
在所述的步骤(6)中,所述的合金化热处理的工艺按照与纯铝粉、纯铜粉、纯镁粉成分配比相当的铝合金的热处理工艺进行。
在所述的步骤(6)中,所述的合金化热处理工艺的固溶温度为470℃~540℃,固溶后的复合材料坯锭或复合材料零部件进行自然时效或人工时效处理,其中,人工时效温度为100℃~225℃。
上述技术方案的主要特征在于:(1)采用粉末冶金工艺,可在整个成分范围内准确控制硅的含量,精确调控复合材料的热导率和热膨胀系数;(2)通过选用超细元素粉末直接混合制成混合粉末,使铝粉、硅粉和合金元素粉(铜粉和镁粉)在微米尺度充分混合,避免了铸造组织中常有的合金元素偏聚,且降低了合金化门槛;(3)对硅粉进行表面预处理,通过涂覆一层薄膜来控制硅在铝合金(存在少量液相)中的扩散速率,抑制硅颗粒的聚集长大。(4)选择适当的高温致密化工艺,恰当利用了硅在铝中固溶扩散的特点,使得高温致密化过程中孤立的硅颗粒通过原子扩散连接形成半连续的增强体网络结构;(5)选用强度较高的2xxx系可热处理合金作为基体,使得双连续复合材料的强韧化效果得以充分发挥;(6)本发明所实现的工艺不同于铸造法、液相浸渗法或原位法,可以通过简单的粉末粒度控制制备出具有不同尺寸微观组织的双连续复合材料。
本发明中用来制备硅铝双连续复合材料的粉末冶金法为典型的固相工艺,具有很强的可设计性,易于实现工程化,是研制大尺寸、复杂结构、高性能硅铝以及其他体系双连续复合材料最具竞争力的工艺之一。
下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明,但不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
本实施例所制备的双连续复合材料为65vol.%Si/Al,即硅的含量为65vol.%;铝合金含量为35vol.%,铝合金成分为Al-4.5Cu-0.5Mg(4.5和0.5表示铜和镁的质量分数分别为4.5%和0.5%)。其制备方法采用如下技术方案:
(1)将纯铝粉、纯铜粉和纯镁粉按照纯铜粉和纯镁粉分别占混合粉末的质量分数4.5wt.%和0.5wt.%均匀混合制成铝铜镁混合粉末,再将铝铜镁混合粉末与表面处理后的硅粉按照质量比1∶1.57均匀混合制成铝铜镁硅混合粉末,以使硅的体积分数为65vol.%。纯铝粉、纯铜粉、纯镁粉的平均粒度(d0.5,即超过50wt.%的粉末粒径小于此尺寸)分别为4.5μm、4μm、18μm;硅粉的平均粒径为4.372μm。此处硅粉平均粒径的选择是按照硅粉和纯铝粉能够最大程度分散均匀的原则进行的。为了能够做到均匀分散,纯铝粉的表面积之和与硅粉的表面积之和的比值应在0.5~2之间。纯铝粉和硅粉颗粒表面积之和的比值的估算公式为:
其中A、V、d分别为颗粒表面积之和、颗粒体积分数、颗粒平均粒径。按照以上纯铝粉和硅粉的粒径可以计算出二者的表面积之和的比值为1.9。
硅粉经过高温氧化处理,氧化后的颗粒表面形成一层2nm~40nm厚度的氧化物薄膜。
(2)将混合粉末装入尺寸为φ500mm×500mm的胶皮包套中冷等静压成型,压力为200MPa,保压20分钟,冷压坯锭相对致密度为71%。
(3)将冷压坯锭除去胶皮包套,装入尺寸为φ490mm×440mm的纯铝包套中进行高温除气处理,除气温度为530℃,除气总时间为100小时,纯铝包套的厚度为3.5mm。
(4)热等静压致密化,热等静压温度为545℃,压力为95MPa,在此温度压力下保持3小时后随炉冷却至室温。热等静压坯锭的密度超过理论密度,经简单机加工后表面光洁,外形尺寸为φ400mm×390mm。
复合材料的光学显微照片见图1,图中深色区域为硅,浅色区域为铝合金,硅呈半连续网状,与铝合金相互穿插渗透,复合材料组织十分均匀。
取样进行热处理强化,515℃固溶1小时后在室温水中淬火,随后立即进行人工时效处理,处理条件为180℃6小时,热处理后65vol.%Si/Al的性能见表1。
表1.65vol.%Si/Al复合材料的性能
实施例2
本实施例所制备的双连续复合材料为75vol.%Si/Al,即硅的含量为75vol.%;铝合金含量为25vol.%,铝合金成分为Al-4.5Cu。其制备方法采用如下技术方案:
(1)将纯铝粉和纯铜粉按照纯铜粉占混合粉末的质量分数4.5wt.%均匀混合制成铝铜混合粉末,再将铝铜混合粉末与表面处理后的硅粉按照质量比1∶2.5均匀混合制成铝铜硅混合粉末,以使硅的体积分数为75vol.%。由于硅的含量提高,为了使硅粉能够在铝铜混合粉中均匀分散,增大了硅粉粒度,硅粉、纯铝粉、纯铜粉的平均粒径分别为6.6μm、4.5μm、4μm。为了能够做到均匀分散,纯铝粉的表面积之和与硅粉的表面积之和的比值应在0.5~2之间。纯铝粉和硅粉颗粒表面积之和的比值的估算公式为:
其中A、V、d分别为颗粒表面积之和、颗粒体积分数、颗粒平均粒径。按照以上纯铝粉和硅粉的粒径可以计算出二者的表面积之和的比值为2.
硅粉经过高温氧化处理,氧化后的颗粒表面形成一层2nm~40nm厚度的氧化物薄膜.
(2)将混合粉末装入尺寸为φ100mm×220mm的胶皮包套中冷等静压成型,压力为200MPa,保压20分钟,冷压坯相对致密度为67%。
(3)除去胶皮包套,将冷压坯装入尺寸为φ80mm×150mm的纯铝包套中进行高温除气处理,除气温度为530℃,除气总时间为15小时,纯铝包套的厚度为3.5mm。
(4)热等静压致密化,热等静压温度为570℃,压力为105MPa,在此温度压力下保持2小时,然后随炉冷却至室温。
复合材料光学显微照片见图2,如图中所示硅形成了连续网路结构,同时铝合金也呈半连续状态,但由于铝合金含量较低,铝合金的最小尺寸明显小于硅,即随着硅含量提高,铝合金的尺寸降低。
取样进行热处理强化,515℃固溶1小时后在室温水中淬火,随后立即进行人工时效处理,时效温度为180℃,时效时间6小时,热处理后75vol.%Si/Al的性能见表2。
表2.75vol.%Si/Al复合材料的性能