SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及复合材料技术领域,涉及一种SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料,本发明还涉及SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展,尤其是航空航天、汽车、能源、交通运输技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,既要求材料具有优异的综合性能如低密度、高强度、高塑性、高韧性、高耐磨性、高阻尼性能和良好的抗疲劳性能等,又要求能够在高温、高压、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。传统的单一材料往往不能兼顾满足上述要求。因此必须将两种或两种以上组织结构、力学性能、物理及化学性质不同的物质结合在一起,形成新的多相或多复合体的材料,即复合材料,使之既可保留原有组分材料的优点,又能具有某些新的性能,从而适应现代高新技术发展的需求。
SiCp颗粒具有高硬度、高模量及尺寸稳定性等优点,在金属基复合材料制备中,做为增强相而被广泛应用。SiCp颗粒增强铝基复合材料兼具有铝合金的韧性、延展性和SiCp颗粒高硬度、高刚度、耐磨及耐高温的优点,具有高比强度和比刚度、耐磨耐疲劳、低热膨胀系数、低密度、高屈服强度、良好的尺寸稳定性和导热性、优异的力学性能,在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中具有巨大的应用前景。
目前,颗粒增强铝基复合材料的制备研究主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、原位生成法及浸渗法,这些方法均获得了良好的效果和性能,但是也存在各种问题。粉末冶金法时由于要经过压坯和烧结工艺,不仅生产成本高,而且无法完全排除颗粒之间的孔隙或气体,最终获得的复合材料不够致密而存在一定比例的孔隙,或者由于强化颗粒相的比重差异造成复合材料存在一定宏观偏析或复合体团聚现象,使材料的性能存在一定差异;搅拌铸造法生产成本低,但是由于增强体的颗粒较小比表面积大,加入时不仅容易爆炸,而且铸造过程中极易产生偏聚,组织粗大,性能较低,不能稳定获得一定体积分数的复合材料,尤其是不能稳定获得高体积分数的复合材料,不能满足设计要求;原位生成法成本也较低,但同样不能满足高体积分数的复合材料的制备需求,组织晶粒尺寸较大,也较难满足设计要求;浸渗法在一定程度上能解决上述缺陷,但是工艺复杂,成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料,解决了现有材料强度低和耐磨性差的问题。
本发明的另一目的是提供上述SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法,解决了现有方法制备得到的复合材料组织晶粒较大的问题。
本发明所采用的技术方案是,SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料,按体积百分比由以下组分组成:SiCp颗粒2.5-25%,其余为快速凝固铝合金或纯铝粉体。
本发明的特点还在于,
SiCp颗粒粒度尺寸为0.1-2μm,快速凝固铝合金或纯铝粉体的粒度尺寸小于2μm。
本发明所采用的另一技术方案是,上述SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,按体积比分别称取以下组分:SiCp颗粒2.5-25%,其余为快速凝固铝合金或纯铝粉体,SiCp颗粒粒度尺寸为0.1-2μm,快速凝固铝合金或纯铝粉体的粒度尺寸小于2μm;
步骤2,将SiCp颗粒经过高温氧化和酸洗后用去离子水清洗并烘干,然后与快速凝固铝合金或纯铝粉体经过混粉后干燥得到高能混粉,最后将高能混粉依次经过往复挤压和普通正挤压,得到SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料。
本发明的特点还在于,
步骤2中高温氧化是将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h以上,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜。
步骤2中酸洗使用浓度为5-20%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗。
步骤2中烘干的温度为120-180℃,干燥的温度为60-150℃。
步骤2中混粉在陶瓷球磨罐中采用干混或湿混工艺进行,干混采用氩气气氛保护,磨球为刚玉球,时间1-10h,高能球磨机转速为200-300r/min;湿混采用无水乙醇和2-5%聚乙二醇的混合液为湿混剂,磨球为刚玉球,时间1-10h,高能球磨机转速为200-300r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固铝合金或纯铝粉体总体积的20-40%。
步骤2中往复挤压是将高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为(0.5-1)×106N,预紧实保压时间为5-10min,温度为320-500℃,挤压比为10-25,往复挤压次数为2-10道次。
步骤2中普通正挤压的温度为320-500℃,挤压比为10-25。
本发明的有益效果是,
1.本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料同时兼具快速凝固的高强度特性和SiCp颗粒的高耐磨性的优点,抗拉强度≥500MPa,延伸率≥6%,扩大了快速凝固铝基SiCP颗粒复合材料的应用领域,尤其适应于一些特殊场合对高强韧铝基复合材料的需求。
2.本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法避免了粉末冶金过程中粉末燃烧、爆炸和致密度问题及普通铸造法中SiCp颗粒的团聚和烧损现象,本发明制备方法通过对SiCp颗粒进行预处理和高能混粉,再经往复挤压大塑性变形制得的SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料中SiCp颗粒分布均匀、与基体界面结合良好,使其具有一定的伸长率,铝基复合材料各向同性,具有高强度、良好的力学性能和高耐磨性。
附图说明
图1是本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法中所用往复挤压装置的结构示意图。
图中,1.第一挤压杆,2.第一挤压桶,3.凹模,4.加热体,5.第二挤压桶,6.高能混粉,7.第二挤压杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料,按体积百分比由以下组分组成:SiCp颗粒2.5-25%,其余为快速凝固铝合金或纯铝粉体。
SiCp颗粒粒度尺寸为0.1-2μm,快速凝固铝合金或纯铝粉体的粒度尺寸小于2μm。
上述SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,按体积比分别称取以下组分:SiCp颗粒2.5-25%,其余为快速凝固铝合金或纯铝粉体,SiCp颗粒粒度尺寸为0.1-2μm,快速凝固铝合金或纯铝粉体的粒度尺寸小于2μm;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h以上,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为5-20%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120-180℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固铝合金或纯铝粉体在陶瓷球磨罐中采用干混或湿混,干混采用氩气气氛保护,磨球为刚玉球,时间1-10h,高能球磨机转速为200-300r/min;湿混采用无水乙醇和2-5%聚乙二醇的混合液为湿混剂,磨球为刚玉球,时间1-10h,高能球磨机转速为200-300r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固铝合金或纯铝粉体总体积的20-40%,最后在60-150℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为(0.5-1)×106N,预紧实保压时间为5-10min,温度为320-500℃,挤压比为10-25,往复挤压次数为2-10道次,最后在挤压比为10-25,温度为320-500℃下进行普通正挤压,得到SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料。
本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法中酸洗的目的是去除氧化膜层,达到钝化SiCp颗粒棱角,削弱SiCp颗粒的尖端效应;混粉过程中高能球磨机转速为200-300r/min,使SiCp颗粒和快速凝固铝合金或纯铝粉末充分混合均匀,以避免SiCp颗粒团聚,并改善SiCp颗粒与球形快速凝固铝合金或纯铝粉末的界面;在60-150℃下干燥的目的是去除高能混粉中水分和其他有机化合物。
往复挤压装置的结构如图1所示,该装置包括第一挤压桶2、由两个半凹模组成的凹模3和第二挤压桶5顺序连接,第一挤压桶2、凹模3和第二挤压桶5的外壁围绕设置加热体4,将高能混粉6分别放入第一挤压桶2和第二挤压桶5后,第一挤压杆1和第二挤压杆7分别插入第一挤压桶2和第二挤压桶5,从两端抵住被挤压材料。
具体操作过程如下:将高能混粉6置于由第一挤压桶2、凹模3和第二挤压桶5连接形成的空腔中,并分别在第一挤压桶2和第二挤压桶5外端伸入的第一挤压杆1和第二挤压杆7的作用下填充满上述空腔,使设置在第一挤压桶2、凹模3和第二挤压桶5外围的加热体4通电加热,往复挤压在320~500℃条件下进行。当第一挤压杆1向凹模3处运动时,第二挤压杆7与第一挤压杆1同向同速度运动,确保待挤压的高能混粉在由第一挤压杆1、第一挤压桶2、凹模3、第二挤压桶5和第二挤压杆7形成的空腔中等体积挤压变形,此时高能混粉6在第一挤压杆1的压力作用下,通过凹模3被挤压变细,由于第二挤压杆7与第一挤压杆1同向同速度运动,待高能混粉6在通过凹模3挤压变细后被同步压缩镦粗。高能混粉6在第一挤压杆1和第二挤压杆7分别往复用力的情况下,通过凹模3处被挤压变细,挤压比由两个半凹模组成的凹模3的内孔大小控制,挤压比控制为10~25:1,进入挤压桶的部分又被压缩镦粗,如此往复挤压2~10道次。
本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料同时兼具快速凝固的高强度特性和SiCp颗粒的高耐磨性的优点,抗拉强度≥500MPa,延伸率≥6%,扩大了快速凝固铝基SiCP颗粒复合材料的应用领域,尤其适应于一些特殊场合对高强韧铝基复合材料的需求。
本发明SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料的制备方法避免了粉末冶金过程中粉末燃烧、爆炸和致密度问题及普通铸造法中SiCp颗粒的团聚和烧损现象,本发明制备方法通过对SiCp颗粒进行预处理和高能混粉,再经往复挤压大塑性变形制得的SiCp颗粒增强快速凝固铝基复合材料中SiCp颗粒分布均匀、与基体界面结合良好,使其具有一定的伸长率,铝基复合材料各向同性,具有高强度、良好的力学性能和高耐磨性。
实施例1
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.6μm的SiCp颗粒5%,其余为粒度尺寸为1.5μm的快速凝固ZL102合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为5%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固ZL102合金粉体在陶瓷球磨罐中在氩气气氛保护下干混5h,高能球磨机转速为200r/min;最后在120℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.8×106N,预紧实保压时间为5min,温度为380℃,挤压比为25,往复挤压4道次,最后在挤压比为25,温度为320℃下进行普通正挤压,得到直径为10mmSiCp颗粒增强快速凝固ZL102合金基复合材料。
实施例2
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.3μm的SiCp颗粒10%,其余为粒度尺寸为2μm的快速凝固ZL301合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为5%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固ZL301合金粉体在陶瓷球磨罐中采用无水乙醇和2%聚乙二醇的混合液为湿混剂湿混1h,高能球磨机转速为300r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固ZL301合金粉体总体积的20%,最后在60℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.6×106N,预紧实保压时间为10min,温度为380℃,挤压比为25,往复挤压6道次,最后在挤压比为17.4,温度为320℃下进行普通正挤压,得到直径为12mmSiCp颗粒增强快速凝固ZL301合金基复合材料。
实施例3
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.6μm的SiCp颗粒5%,其余为粒度尺寸为2μm的快速凝固ZL201合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为20%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固ZL201合金粉体在陶瓷球磨罐中采用无水乙醇和2%聚乙二醇的混合液为湿混剂湿混5h,高能球磨机转速为250r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固ZL201合金粉体总体积的30%,最后在60℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.5×106N,预紧实保压时间为5min,温度为350℃,挤压比为20,往复挤压4道次,最后在挤压比为25,温度为320℃下进行普通正挤压,得到直径为10mmSiCp颗粒增强快速凝固ZL201合金基复合材料。
实施例4
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.3μm的SiCp颗粒10%,其余为粒度尺寸为1.5μm的快速凝固纯铝粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为20%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固纯铝粉体在陶瓷球磨罐中在氩气气氛保护下干混1h,高能球磨机转速为300r/min;最后在120℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.8×106N,预紧实保压时间为5min,温度为350℃,挤压比为10,往复挤压4道次,最后在挤压比为20,温度为320℃下进行普通正挤压,得到直径为16mmSiCp颗粒增强快速凝固纯铝基复合材料。
实施例5
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.3μm的SiCp颗粒10%,其余为粒度尺寸为1.5μm的快速凝固7075合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧10h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为5%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在120℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固7075合金粉体在陶瓷球磨罐中采用无水乙醇和3%聚乙二醇的混合液为湿混剂湿混8h,高能球磨机转速为300r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固7075合金粉体总体积的40%,最后在60℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.8×106N,预紧实保压时间为10min,温度为420℃,挤压比为25,往复挤压8道次,最后在挤压比为17.4,温度为400℃下进行普通正挤压,得到直径为12mmSiCp颗粒增强快速凝固7075合金基复合材料。
实施例6
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为0.1μm的SiCp颗粒2.5%,其余为粒度尺寸为1.0μm的快速凝固Al-Si合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧12h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为10%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在180℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固Al-Si合金粉体在陶瓷球磨罐中在氩气气氛保护下干混10h,高能球磨机转速为250r/min;最后在150℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为1×106N,预紧实保压时间为8min,温度为500℃,挤压比为20,往复挤压10道次,最后在挤压比为10,温度为500℃下进行普通正挤压,得到SiCp颗粒增强快速凝固Al-Si合金基复合材料。
实施例7
步骤1,按体积比分别称取以下组分:粒度尺寸为2μm的SiCp颗粒25%,其余为粒度尺寸为0.5μm的快速凝固ZL201合金粉体;
步骤2,将SiCp颗粒在1100℃、氧化性气氛中焙烧15h,使SiCp颗粒表面氧化生成一层SiO2膜,然后使用使用浓度为15%的HF溶液对高温氧化后的SiCp颗粒进行清洗,最有用去离子水清洗并在150℃下烘干;
步骤3,将步骤2预处理的SiCp颗粒与快速凝固ZL201合金粉体在陶瓷球磨罐中采用无水乙醇和5%聚乙二醇的混合液为湿混剂湿混10h,高能球磨机转速为200r/min,湿混剂的加入量为SiCp颗粒和快速凝固ZL201合金粉体总体积的30%,最后在100℃下干燥得到高能混粉;
步骤4,将步骤3得到的高能混粉置于往复挤压装置中进行室温预紧实,预紧实压力为0.5×106N,预紧实保压时间为6min,温度为320℃,挤压比为10,往复挤压2道次,最后在挤压比为15,温度为380℃下进行普通正挤压,得到SiCp颗粒增强快速凝固ZL201合金基复合材料。
实施例1得到的SiCp颗粒增强快速凝固ZL102合金基复合材料晶粒尺寸为0.5-2μm,室温抗拉强度为500MPa,延伸率为6%,密度小于2.8g/cm3;实施例2得到的SiCp颗粒增强快速凝固ZL301合金基复合材料晶粒尺寸为0.5-1.5μm,室温抗拉强度为520MPa,延伸率为6%,密度小于2.7g/cm3;实施例3得到的SiCp颗粒增强快速凝固ZL201合金基复合材料晶粒尺寸为0.5-1μm,室温抗拉强度为530MPa,延伸率为10%,密度小于2.8g/cm3;实施例4得到的SiCp颗粒增强快速凝固纯铝基复合材料晶粒尺寸为0.5-1μm,室温抗拉强度为510MPa,延伸率为6%,密度小于2.8g/cm3;实施例5得到的SiCp颗粒增强快速凝固7075合金基复合材料晶粒尺寸为0.5-1.5μm,室温抗拉强度为640MPa,屈服强度为580MPa,延伸率为6%,密度小于2.85g/cm3。