CN102806335B - 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料,该复合材料包括碳化硅和铝合金;以所述复合材料的总体积为基准,所述碳化硅的含量为60-75vol%,所述铝合金的总含量为25-40vol%;所述铝合金为铝、硅、镁和稀土;其中,以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为74.0-90.9wt%,所述硅的含量为8.0-15.0wt%,所述镁的含量为1.0-10.0wt%,所述稀土的含量为0.1-2wt%。本发明还提供了该复合材料的制备方法。本发明的复合材料晶粒细小,缩孔、气孔和杂质少,有很好的力学性能和热导率。

Description

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料是复合材料领域中研究最多、应用最广的一种复合材料。高体积分数(>60vol%)SiC/Al复合材料因其具有优异的物理和力学性能,如2-3倍于钛合金的比强度、优于铍材的高尺寸稳定性、可与钢材及钛合金甚至是陶瓷基片匹配的低线膨胀系数、与铍材强度及碳化硅陶瓷相当的热导率、远高于铝合金的屈服强度以及与铸造铝合金相当的断裂韧性等,已成为最为理想的电子封装材料之一。同时作为结构材料在航空、航天和国防等领域有着诱人的应用背景,因此,近年来该材料的研究一直是材料研究领域的一大热点。
目前,制备高体积分数SiC/Al复合材料一般使用压力浸渗法或者是无压浸渗法制备。无压浸渗法的原理是利用高温熔融状态下的金属铝液与碳化硅基体之间的润湿性,让金属铝液在毛细作用下自动填满碳化硅基体间的空隙,冷却后即得到具有三维网络结构的金属/陶瓷复合材料。相比对于压力熔渗法,由于没有外力的帮助,铝液只能依靠重力和毛细作用力对碳化硅基体进行渗透,因此熔融铝液在高温下和碳化硅之间的润湿性就显得十分重要。
中国专利CN1644276公开了一种制备高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件方法,其特征在于:采用粉末注射成形技术制备SiCp预成形坯,然后通过基体合金化等方法改善SiC与Al熔液的界面润湿性,使Al熔液能够通过孔隙的毛细管作用渗透到SiCp骨架中,从而获得具有高体积分数的SiCp/Al复合材料零部件,即采用粉末注射成形一无压熔渗工艺制备具有高体积分数的SiCp/Al复合材料零件。具体工艺为:首先将所选用的SiC与所配制的粘结剂按照一定的比例在混炼机上于110℃-130℃混炼1.5-2个小时,粉末装载量为62-72体积%,制粒后在注射成形机上注射成形,得到所需形状的SiC预成形坯,然后采用真空脱脂,脱除粘结剂并进行预烧结得到具有一定孔隙度和强度的SiC骨架,最后将占零件28-38体积%的Al合金,Al合金成分重量百分比为Al∶Si∶Mg=85-92∶6-10∶2-5置于SiC骨架上方一起放入以N2作为保护气氛的熔渗炉中升温至1100-1200℃后进行无压熔渗,保温1-4个小时,自然冷却至室温。
上述方法是在铝液中添加Si元素和Mg元素,通过抑制有害界面反应,降低液固相表面能和破坏氧化铝膜等方法帮助浸渗,有较好的效果。但是仍旧有几点不足:第一,由于使用的硅元素含量较高,因此在冷却过程中,极易析出粗大晶粒,也易因收缩较大在内部形成缩孔,降低复合材料的力学性能和导热性能;第二,由于铝液易吸附氢气和易氧化的特性,对气氛要求极高,较难避免在复合材料内部形成气孔和缺陷,这也会严重影响产品的最终性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有采用无压浸渗法制备的高体积分数的碳化硅颗粒增强铝基复合材料会出现合金晶粒粗大、材料内部难以避免有缩孔、气孔、杂质的缺陷,从而提供一种内部合金晶粒细小,缩孔、气孔和杂质少的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制作方法。
本发明提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料,一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料,该复合材料包括碳化硅和铝合金;以所述复合材料的总体积为基准,所述碳化硅的含量为60-75vol%,所述铝合金的总含量为25-40vol%;所述铝合金为铝、硅、镁和稀土;其中,以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为74.0-90.9wt%,所述硅的含量为8.0-15.0wt%,所述镁的含量为1.0-10.0wt%,所述稀土的含量为0.1-2wt%。
本发明还提供了本发明所述的复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
S1将碳化硅微粉和石蜡基粘结剂混合后采用热压铸成型,经排胶、烧结后制备出的SiC骨架;
S2准确称取铝、镁、硅、稀土,采用真空感应熔炼,重力浇注或辊轧制备合适形状和大小的铝合金块;
S3将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至850-950℃,保温1-4h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料。
本发明与现有技术相比,所用的合金配方在传统用于无压浸渗的铝硅镁合金中添加了少量的稀土。加入稀土元素的作用主要有两点:第一,添加稀土元素能够改变液固界面能,避免铝合金晶粒在凝固过程中过度长大,还能形成细小的中间合金相,提供异质晶核,起到细化晶粒的作用,从而达到改善金相结构,提高复合材料的力学性能和热导率的目的;第二,稀土可以与熔融铝液中溶解的氢气发生反应,还能与氧化铝和氧化镁等氧化物反应,有除气除杂,净化金属的作用,能够尽量避免在材料内部生成气孔和缺陷,提高复合材料的力学性能,气密性和热导率。
具体实施方式
本发明提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:该复合材料包括碳化硅和铝合金;以所述复合材料的总体积为基准,所述碳化硅的含量为60-75vol%,所述铝合金的总含量为25-40vol%;所述铝合金为铝、硅、镁和稀土;其中,以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为74.0-90.9wt%,所述硅的含量为8.0-15.0wt%,所述镁的含量为1.0-10.0wt%,所述稀土的含量为0.1-2wt%。
根据本发明提供的复合材料,为了兼顾材料的热导率和线性热膨胀系数之间的平衡,优选地,以所述复合材料的总重量为基准,所述碳化硅的含量为63-70vol%,所述铝合金的总含量为30-37vol%。根据本发明提供的复合材料,优选地,以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为79.0-88.9wt%,所述硅的含量为8.0-12.0wt%,所述镁的含量为3.0-8.0wt%,所述稀土的含量为0.1-1wt%。
根据本发明提供的复合材料,为了节约成本,优选地,所述稀土为混合稀土。更优选地,所述混合稀土为富镧或富铈稀土中的一种。所述富镧稀土中镧的含量不低于40wt%,杂质含量不高于1wt%;所述富铈稀土中铈的含量不低于45wt%,杂质含量不高于1wt%。
本发明还提供了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
S1将碳化硅微粉和石蜡基粘结剂混合后采用热压铸成型,经排胶、烧结后制备出的SiC骨架;
S2准确称取铝、镁、硅、稀土,采用真空感应熔炼,重力浇注或辊轧制备合适形状和大小的铝合金块;
S3将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至850-950℃,保温1-4h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料。
所述石蜡基粘结剂是将粘结剂溶解在石蜡中形成的混合物。
所述步骤S1的更具体的步骤为:
第一步,称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在120-140℃下混料1-3小时;
第二步,将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度140-200℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
第三步,将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到150-250℃,保温1.5-2.5小时出去石蜡,随后将炉温升高到550-650℃,保温0.5-1.5小时去除粘接剂,最后升温到1100-1300℃,保温1.5-2.5小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架。
根据本发明所提供的制备方法,优选地,所述真空感应熔炼的温度为900℃-1000℃,时间为20s-60s。
下面用实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:88.5重量份,硅:8.0重量份,镁:3.0重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):0.5重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料Al;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为63vol%,铝合金的体积分数为37vol%。
实施例2
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:88.5重量份,硅:8.0重量份,镁:3.0重量份,富镧稀土(国标牌号RELa-40):0.5重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A2;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为63vol%,铝合金的体积分数为37vol%。
实施例3
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:74重量份,硅:15重量份,镁:10重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):1重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A3;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为70vol%,铝合金的体积分数为30vol%。
实施例4
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:74重量份,硅:15重量份,镁:10重量份,富镧稀土(国标牌号RELa-40):1重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A4;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为70vol%,铝合金的体积分数为30vol%。
实施例5
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:90.9重量份,硅:8.0重量份,镁:1重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):0.1重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A5;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为65vol%,铝合金的体积分数为35vol%。
实施例6
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:80重量份,硅:12重量份,镁:7重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):1重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A6;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为60vol%,铝合金的体积分数为40vol%。
实施例7
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:85重量份,硅:10重量份,镁:4.2重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):0.8重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至85℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A7;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为75vol%,铝合金的体积分数为25vol%。
实施例8
(1)称取碳化硅微粉和石蜡基粘结剂,将两者倒入搅拌机中在130℃下混料2小时;
(2)将混合均匀的浆料倒入热压铸机中,进行热压铸成型,热压铸温度150℃,然后将模具水冷后脱模得到SiC和石蜡的坯体;
(3)将脱模后的SiC和石蜡的坯体,放在多孔氧化铝板上,在排胶炉内进行排胶和烧结,具体为将炉温先升高到200℃,保温1小时去除石蜡,随后将炉温升高到600℃,保温1小时去除粘接剂,最后升温到1200℃,保温1小时进行烧结。最后随炉冷却后即得到所需SiC骨架;
(4)称量铝:83重量份,硅:10重量份,镁:5重量份,富铈稀土(国标牌号RECe-45):2重量份,经真空感应炉熔炼均匀后,铜模浇注成型;
(5)将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至850℃,保温1h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料A8;其中SiC骨架的体积分数的体积分数比为75vol%,铝合金的体积分数为25vol%。
对比例1
SiC的平均粒径为10um,粘结剂采用多聚合物组元石蜡基粘结剂,其各组元重量百分比为PW∶HDPE∶EVA∶=75∶15∶10。将该粘结剂在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时后与SiC粉末在混炼机上于110℃温度下混炼2小时,粉末装载量体积百分比为63%,制粒后在注射机上注射成形,注射温度为150℃,注射压力为110MPa。将所得SiC预成形坯首先在三氯乙烯中溶解脱脂,溶液温度为40℃,随后SiC预成形坯在真空脱脂炉中升温至200℃保温1小时,再升温至500℃保温2小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的SiC预成形坯继续升温至1150℃,并保温2个小时进行预烧结,得到多孔的SiC骨架。最后将占零件体积百分比36%的Al合金(Al合金成分重量百分比为Al∶Si∶Mg=89∶8∶3)置于SiC骨架上方一起放入以N2作为保护气氛的熔渗炉中升温至1200℃并保温2小时,即得SiC/Al复合材料零件B1。
对比例2
SiC的平均粒径为10um,粘结剂采用多聚合物组元石蜡基粘结剂,其各组元重量百分比为PW∶HDPE∶EVA∶=75∶15∶10。将该粘结剂在混炼机上于130℃温度下混炼1.5小时后与SiC粉末在混炼机上于110℃温度下混炼2小时,粉末装载量体积百分比为70%,制粒后在注射机上注射成形,注射温度为150℃,注射压力为110MPa。将所得SiC预成形坯首先在三氯乙烯中溶解脱脂,溶液温度为40℃,随后SiC预成形坯在真空脱脂炉中升温至200℃保温1小时,再升温至500℃保温2小时以完全脱除粘结剂。将脱脂后的SiC预成形坯继续升温至1150℃,并保温2个小时进行预烧结,得到多孔的SiC骨架。最后将占零件体积百分比36%的Al合金(Al合金成分重量百分比为Al∶Si∶Mg=89∶8∶3)置于SiC骨架上方一起放入以N2作为保护气氛的熔渗炉中升温至1200℃并保温2小时,即得SiC/Al复合材料零件B2。
测试方法
将复合材料A1-A7和B1-B2研磨去除表面氧化皮,制作成试条,进行下面测试。结果见表1。
密度、线性热膨胀系数、热导率、力学强度的测试方法遵循中华人民共和国国家军用标准GJB5443-2005执行。
表1
由于复合材料中碳化硅体积分数的大小对该复合材料的密度、线性热膨胀系数、热导率和力学强度的影响较大。但是从表1中可以看出含有相同体积分数的碳化硅的复合材料中,含有稀土元素的复合材料的性能受碳化硅体积分数影响比不含稀土元素的影响要大很多。例如表1中的A1、A2的性能优于B1。同样,A3、A4的性能优于B2。

Claims (9)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料,其特征在于:该复合材料包括碳化硅和铝合金;
以所述复合材料的总体积为基准,所述碳化硅的含量为60-75vol%,所述铝合金的总含量为25-40vol%;
所述铝合金为铝、硅、镁和稀土;其中,以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为74.0-90.9wt%,所述硅的含量为8.0-15.0wt%,所述镁的含量为1.0-10.0wt%,所述稀土的含量为0.1-2wt%;所述稀土为混合稀土,所述混合稀土为富镧稀土。
2.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于:以所述复合材料的总体积为基准,所述碳化硅的含量为63-70vol%,所述铝合金的总含量为30-37vol%。
3.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于:以铝合金的总重量为基准,所述铝的含量为79.0-88.9wt%,所述硅的含量为8.0-12.0wt%,所述镁的含量为3.0-8.0wt%,所述稀土的含量为0.1-1wt%。
4.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于:所述富镧稀土中镧含量不低于40wt%,非稀土元素的含量不高于1wt%。
5.一种权利要求1所述的复合材料的制备方法,其特征在,该方法包括以下步骤:
S1将碳化硅微粉和石蜡基粘结剂混合后采用热压铸成型,经排胶、烧结后制备出的SiC骨架;
S2准确称取铝、镁、硅、稀土,采用真空感应熔炼,重力浇注或辊轧制备合适形状和大小的铝合金块;
S3 将铝合金块置于碳化硅骨架上并一起放入气氛炉中进行无压浸渗,通入氮气保护,升温至850-950℃,保温1-4h后取出,用氮气冷却至室温,得到复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述热压铸的温度为140-200℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述排胶是将炉温先升高到150-250℃,保温1.5-2.5小时去除石蜡,随后将炉温升高到550-650℃,保温0.5-1.5小时去除粘接剂。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述烧结是在1100-1300℃保温1.5-2.5小时。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述真空感应熔炼的温度为900℃-1000℃,时间为20s-60s。
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