CN104357691A - 一种铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法，将纯铝或铝合金熔化，搅拌下加入含钛添加剂，得复合铝合金熔体A；复合铝合金熔体A中钛的添加剂为0.01~5wt%；将复合铝合金熔体A经除气除渣处理后，迅速降温至半固态，搅拌下加入预热过经高温氧化处理的SiC粉体，得复合铝合金熔体B；SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的0.1~10wt%；将复合铝合金熔体B升温至过热液态，搅拌后浇铸到预热过的金属模具中，脱模得到铸态产品；将预热过的铸态产品置于模具中，通过热挤压工艺制得最终产品。本发明利用了钛元素及热挤压的双重强化作用，大幅地提升了铝基复合材料的力学性能，另外工艺简单、成本低廉、易于实现工业化批量生产。

Description

一种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。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有轻质、强度硬度高、热膨胀系数低、耐磨耐腐蚀等优点，广泛地应用于航空航天、军工、电子封装、交通运输等领域，是世界各国竞相开发的顺应轻量化发展趋势的高性能复合材料。目前，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的主要制备工艺有搅拌铸造法、粉末冶金法、熔融浸渗法、喷射沉积法等，其中搅拌铸造法具有工序简易、成本低廉、生产效率高等优势，已成为各国研究的热点。但是，运用搅拌铸造法制备仍存在几个主要难题。首先，陶瓷颗粒与铝合金基体的润湿性很差，导致两者界面结合不理想；其次，两者比重相差较大，颗粒在熔融铝液中易产生偏析和团聚现象，导致材料形成缺陷；除此之外，在最后浇铸时不可避免地会产生一些铸造缺陷。于是，最终材料的性能受到了极其不利的影响。如何改善增强体和基体间润湿性、加强界面结合以及减少或消除材料缺陷，成为当前急需解决的问题。

目前，在改善润湿性方面，有不少研究集中在颗粒改性上，即采用化学镀、CVD、PVD等工艺在增强体表面涂覆Cu、Ni、Ni-P等金属层或者采用球磨法将颗粒与铝粉(铝粉、镁粉)混合，通过添加复合粉体来代替未处理的颗粒。公开号为CN101709415A和CN102747246A的两篇发明专利也对这方面进行了介绍。虽然颗粒改性方法有效地提高了润湿性和材料性能，但考虑到原料成本且批量复合粉体制备时间较长，不利于最终复合材料的快速生产。另外，还有研究集中在搅拌复合工艺的优化上，公开号为CN102154573A的发明专利介绍了真空气氛搅拌，但它并未从实质上改善碳化硅颗粒和铝合金基体的界面性能。很多文献报道了搅拌参数的优化，例如复合温度、保温温度、搅拌时间、搅拌速度等，但由于影响因素较多优化过程较为繁杂，最终难以得出较为精确的结论。相比之下，对减小或消除材料缺陷方面的研究鲜有报道。故而，寻求一种成本低廉、简易高效的制备工艺方法来同时解决润湿性和材料缺陷问题，继而获得性能更好的产品，是展示颗粒增强铝基复合材料产业化应用的重要瓶颈环节。

发明内容

本发明在于提供一种铝基复合材料的制备方法，使得到的铝基复合材料具有优良的力学性能，尺寸精度高，并且工艺简单、成本低廉、易于实现工业化批量生产。

为实现上述发明目的，本发明在搅拌铸造阶段采用钛改性以细化铝合金基体晶粒、改善SiC颗粒与铝合金基体的界面润湿性，并通过热挤压成型工艺以加强SiC颗粒与铝合金基体的界面结合、减小消除局部材料缺陷，最终制备出成本低廉、尺寸精度高、具有优良力学性能的目标产物。

一种铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1) 将纯铝或铝合金熔化，搅拌下加入含钛添加剂，获得复合铝合金熔体A；复合铝合金熔体A中钛的添加量为0.01~5wt%；

2) 将复合铝合金熔体A经除气除渣处理后，迅速降温至半固态，搅拌下将预热过的经高温氧化处理的SiC粉体添加到复合铝合金熔体A中，获得复合铝合金熔体B；其中SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的0.1~10wt%；

3) 将复合铝合金熔体B 升温至过热液态，搅拌得混合均匀复合铝合金熔体B；

4）将混合均匀复合铝合金熔体B浇铸到预热过的金属模具中，脱模得到铸态产品；

5）将预热过的铸态产品置于模具中，通过热挤压工艺制得致密的成型产品。

其中所述的步骤1)中所述含钛添加剂为纯钛、含钛无机盐或铝钛中间合金的任意一种或者两种以上任意比例的组合。

所述铝合金选自Al-Si、Al-Mg、Al-Cu Al-Zn 或Al-Cu-Mg系铝合金中的任意一种。

为了更好将含钛添加剂分散至铝合金中，将铝合金熔化后加热至640-800℃后，再在搅拌下加入含钛添加剂。

步骤2)的具体过程是将复合铝合金熔体A降温至600~650℃，在100~500 rpm搅拌速度下加入预热过的经高温氧化处理的SiC粉体，搅拌20~40min获得复合铝合金熔体B。

步骤2）中高温氧化处理SiC粉体温度为900~1400℃、时间为1~5h，经高温氧化处理的SiC粉体添加到复合铝合金熔体A前预热温度为200~400℃。

步骤3)的具体过程是将复合铝合金熔体B升温至700~850℃，在300~600 rpm搅拌速度下搅拌20~40min得混合均匀复合铝合金熔体B。

步骤4)的中所述金属模具的预热温度和时间为200~400℃、20~30min。在这种预热条件下，有利于成型和材料的致密化。

步骤5)中铸态产品的预热是在惰性气体保护条件下进行的，预热温度为400~600℃。

步骤5)中热挤压工艺中挤压比4：1~25：1，挤压速度2~10 mm/s。

与现有技术相比，本发明的优越性在于：

(1)通过钛改性铝合金基体，铝钛合金化所形成的较多细小金属化合物Al3Ti将作为铝的形核核心，促进基体合金的细化；同时也改善了SiC颗粒与铝合金基体间润湿性，加强了界面结合，提高了铝合金复合材料的力学性能。

(2) 铝合金基体改性与SiC颗粒添加实现连续操作，最大程度利用钛元素对铝合金复合材料晶粒细化和界面改性的时效作用，降低能耗，实现颗粒增强与晶粒细化的协同作用。 

(3) 结合热挤压二次加工成型加强了SiC颗粒与铝合金基体的界面结合，从而消除铸态产品缺陷，提高了铝合金复合材料的力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中制得的钛改性碳化硅增强铝基复合材料断口的SEM照片；

图2是本发明对比例1和实施例1-4制得铝基复合材料抗拉强度曲线图；

图3是本发明实施例1和实施例5-8制得铝基复合材料力学性能变化曲线图；

图4是本发明对比例2、实施例1和实施例9-10制得的铝基复合材料抗拉强度柱状图。

具体实施方式

实施例1

首先将2024(Al-Cu-Mg)铝合金锭熔化且加热至750℃，加入含钛添加剂并在恒温下搅拌15min，得复合铝合金熔体A，含钛添加剂中钛的添加量为复合铝合金熔体A的0.375wt%；将所得的复合铝合金熔体A经除气除渣处理后，迅速降温至半固态620℃，搅拌下将250℃下预热过的经1000℃、2h氧化处理的SiC粉体添加到复合铝合金熔体A中，在200rpm下搅拌15min，获得复合铝合金熔体B，SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的3wt%；将复合铝合金熔体B升温至760℃，在450 rpm搅拌速度下搅拌30min得混合均匀复合铝合金熔体B；然后将混合均匀复合铝合金熔体B浇铸到在250℃下预热25min的金属模具中，脱模得到铸态产品；紧接着在氩气保护条件下将铸态产品预热至550℃，最后在空气环境中以挤压比16：1、挤压速度5mm/s的热挤压工艺制得致密的成型产品。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点在于，含钛添加剂中钛的添加量为复合铝合金熔体A的为0.01 wt%。  

实施例3

本实施例与实施例1的不同点在于，含钛添加剂中钛的添加量为复合铝合金熔体A的0.75wt%。

实施例4

本实施例与实施例1的不同点在于，含钛添加剂中钛的添加量为复合铝合金熔体A为5wt%。

实施例5

本实施例与实施例1的不同点在于，SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的1wt%。

实施例6

本实施例与实施例1的不同点在于，SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的5wt%。

实施例7

本实施例与实施例1的不同点在于，SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的7wt%。

实施例8

本实施例与实施例1的不同点在于，SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的10wt%。

实施例9

本实施例与实施例1的不同点在于，热挤压工艺中挤压比为4：1。

实施例10

本实施例与实施例1的不同点在于，热挤压工艺中挤压比为9：1。

对比例1

本实施例与实施例1的不同点在于，未加入含钛添加剂。

对比例2

本实施例与实施例1的不同点在于，未进行热挤压。

由对比例1-2和实施例1-10工艺所制得铝基复合材料的力学性能数据请参阅图2-4，若采用纯铝或其他铝合金来代替前述2024铝合金，亦可获得相近之结果。

对比例1-2和实施例1-10中拉伸强度测试所用设备为INSTRON3365 万能材料实验机；硬度测试所用设备为HB-S3000 数显布氏硬度计。

上述多个实施例比较旨在便于理解本发明制备方法在工艺参数调整上产品性能的走向。以使本领域技术人员能清楚掌握本发明技术方案的创新实质，并非仅在功能或产品性能上提出限定的实施方式。故而除上述实施例外，本发明还可以有其它多元实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1) 将纯铝或铝合金熔化，搅拌下加入含钛添加剂，获得复合铝合金熔体A；复合铝合金熔体A中钛的添加量为0.01~5wt%；

2) 将复合铝合金熔体A经除气除渣处理后，迅速降温至半固态，搅拌下将预热过的经高温氧化处理的SiC粉体添加到复合铝合金熔体A中，获得复合铝合金熔体B；其中SiC粉体的用量为复合铝合金熔体B的0.1~10wt%；

3) 将复合铝合金熔体B 升温至过热液态，搅拌得混合均匀复合铝合金熔体B；

4）将混合均匀复合铝合金熔体B浇铸到预热过的金属模具中，脱模得到铸态产品；

5）将预热过的铸态产品置于模具中，通过热挤压工艺制得致密的成型产品。

2.据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述含钛添加剂为纯钛、含钛无机盐或铝钛中间合金的任意一种或者两种以上任意比例的组合。

3.根据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述铝合金选自Al-Si、Al-Mg、Al-Cu 、Al-Zn 或Al-Cu-Mg系铝合金中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，将铝合金熔化后加热至640-800℃后，再在搅拌下加入含钛添加剂。

5.根据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)的具体过程是将复合铝合金熔体A降温至600~650℃，在100~500 rpm搅拌速度下加入预热过的经高温氧化处理的SiC粉体，搅拌20~40min获得复合铝合金熔体B。

6.根据权利要求1或5所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤2）中高温氧化处理SiC粉体温度为900~1400℃、时间为1~5h，经高温氧化处理的SiC粉体添加到复合铝合金熔体A前预热温度为200~400℃。

7.根据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)的具体过程是将复合铝合金熔体B升温至700~850℃，在300~600 rpm搅拌速度下搅拌20~40min得混合均匀复合铝合金熔体B。

8.根据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)的中所述金属模具的预热温度和时间为200~400℃、20~30min。

9.根据权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中铸态产品的预热是在惰性气体保护条件下进行的，预热温度为400~600℃。

10.如权利要求1所述铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中热挤压工艺中挤压比4：1~25：1，挤压速度2~10 mm/s。