CN105039793B - 一种纳米特征增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米特征增强铝基复合材料，以铝粉末为基体，以纳米碳化硅颗粒为增强相粒子，经复合后得到坯体晶粒、颗粒度为20‑40μm的铝基复合材料。本发明涉及一种适用于汽车零部件领域，提供了一种以机械合金化结合热压烧结方法制备材料的方法，该材料机械性能良好，组织均匀且细小，增强相达到纳米级，制备成本低，具有非常广阔的应用推广前景。

Description

一种纳米特征增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于汽车零部件的纳米特征增强铝基复合材料及其制备方法，提供了一种以机械合金化结合热压烧结方法制备材料的方法。与同类材料相比，该材料机械性能良好，组织均匀且细小，增强相达到纳米级。

背景技术

铝基复合材料具有良好的综合力学性能、韧性和优异的可锻性，被广泛地应用于汽车、高速列车、飞机、船舶等领域。汽车数量的激增导致能源消耗和尾气污染等问题日益严峻，各国政府和汽车制造商正在将降低燃油消耗和减少尾气排放作为汽车工业发展的重要目标。汽车轻量化正是解决这些问题的必然选择，因此铝基复合材料的开发与应用受到广泛关注。

纳米特征铝基合金(Nano-featured Aluminium-based Alloy)，是一种以铝合金为基体、纳米级颗粒为增强相的新型合金，目前正受到世界各国科研人员的关注和研究。该合金通过特殊粉末冶金方式制备，在铝合金基体中形成大量、弥散，具有纳米尺度特征(10～50nm)的微结构。这些纳米特征结构与粉末冶金获得的铝合金基体的细晶组织，使得该合金获得相比普通铝合金更加优异的力学性能和热稳定性。因此，开发和研究新型纳米特征铝基合金材料具有极高的基础研究价值和广阔的实用前景。

近几年来，国内外针对铝基复合材料的制备工艺、微观结构、服役性能表征和评估开展了大量的研究，新的合金元素、结构特征、力学性能测试结果不断涌现。美国、德国、澳大利亚等国家加大了对铝基复合材料的研究投入。我国东北大学、南昌航空航天大学、天津大学、上海交通大学等单位也开展了铝基复合材料的研发工作，并在合金成分设计、制备工艺以及强化机理方面获得了一些有价值的研究成果。澳大利亚伍伦贡大学研究小组针对铝基复合材料的制备工艺展开研究，通过在球磨过程中采用石墨烯包覆纳米级SiC颗粒，然后利用超声震动方法制备该材料，该方法可以有效避免增强相颗粒在液态环境中发生的团聚，可以实现纳米级SiC颗粒在铝合金基体中的弥散分布。我国的南昌航空航天大学采用高能球磨的方法，在铝基合金基体粉末中添加纳米级SiC颗粒获得了SiC增强型铝基复合材料。

专利CN200510127307.9公布的碳化硅增强铝基复合材料及制备方法表明材料硬度为85HV(80.7HB)。文献2中制备的纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其韦氏硬度值增加为54.8，小于本发明中材料硬度127HB。

按照以上专利和文献公布的方法制备出来的铝基复合材料未涉及高速离心萃取超声方法获得铝合金基体中分布的强化相粒子及其尺寸、结构分析，并且存在材料硬度不足的问题。

发明内容

针对现有铝基复合材料增强相尺寸、分布及性能不足等问题，通过严格控制制备过程粉体与氧的接触，提出一种以机械合金化结合热压烧结方法制备纳米特征增强铝基复合材料的方法。该发明制备出的铝基复合材料晶粒尺寸低于40μm，增强相颗粒尺寸约15nm，以达到有效提高了材料力学性能的目的。

技术方案

本发明提供一种纳米特征增强铝基复合材料，以铝粉末为基体，以纳米碳化硅颗粒为增强相粒子，经复合后得到坯体晶粒、颗粒度为20-40μm的铝基复合材料，该材料组织细小且存在纳米级增强相分布于结构内。

碳化硅占质量分数为0.2-0.5％，余量为铝基粉末，铝基粉末平均粒径为10-80μm，SiC颗粒平均粒径为8-40nm。

本发明还一种纳米特征增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备平均粒径为10-80μm的铝基粉末；

(2)将粒径为20μm的SiC颗粒与铝基粉末预混合，然后在高纯氩气环境下进行机械合金化，球磨时间为30-100h，确保实现成分均匀的混合粉体，该步骤中，进一步优选为将SiC颗粒与铝基粉末预混合后，在高纯氩气环境下进行机械合金化，球磨时间为100h；

(3)将机械合金化获得的粉体进行热压烧结，在673-773K下，50-70MPa压强下烧结3-5h，该步骤中，进一步优选为将机械合金化获得的粉体进行热压烧结，在723K下，70MPa压强下烧结3h。

本发明选用铝基为基体，碳化硅为增强相。碳化硅粒子本身具有高熔点、优异的化学稳定性、良好的硬度等特点，通过机械合金化使得碳化硅颗粒尺寸变得细小，达到纳米级，提高其增强增韧贡献值，另一方面机械合金化使得碳化硅颗粒在混合粉体中均匀分布，这有利于实现弥散强化。通过调控碳化硅颗粒尺寸、分布和密度可以有效实现弥散强化铝基复合材料，提高该材料综合力学性能。此外，机械合金化同时细化了基体晶粒，可有效提高细晶强化效果。

有益效果

本发明优点

1.本申请实现了增强相尺寸的控制，比如本实验中增强相尺寸达到10nm左右，且分布相对集中，这在其它同类文献中是少见的。

2.材料性能的提升，目前本实验得到的硬度值是同类材料中相对较高的，且成本相对较低，没有采用复杂的合金元素配比。

3.本发明制备的纳米特征增强铝基复合材料实现了纳米增强相尺寸、分布和密度的有效调控，与传统铝基复合材料先比提高了增强增韧效果。

4.本发明的纳米特征增强铝基复合材料采用的增强相用量在10％以下，并且通过简单的粉末混合方式加入，烧结过程也在相对低温下实施，以上这些因素都有利于降低该材料的制备成本，具有非常广阔的应用推广前景。

5.本申请的上述技术方案主要应用于汽车控制臂、轮毂等零部件结构材料。

附图说明

图1为实施例2的Al–SiC混合粉末经球磨100h和烧结(723K、3h)后获得坯体的组织形貌。

图2为实施例2的Al–SiC混合粉末经球磨100h和烧结(723K、3h)后获得坯体的物相分析结果。

图3为实施例2的Al–SiC混合粉末经球磨100h和烧结(723K、3h)后获得坯体的SEM组织。

图4为实施例2的Al–SiC混合粉末经球磨100h和烧结(723K、3h)后获得坯体的成分分析结果。

具体实施方式：

实施例1

基体粉末制备：采用雾化法或机械球磨法制备平均粒径为10-80μm的铝粉；

机械合金化：将制备好的铝粉和碳化硅粉按照一定比例(碳化硅质量分数为0.5％，其余为铝粉)置于不锈钢球磨罐中，这一过程在保护气氛(氩气，纯度为4N)中完成。接下来，将球磨罐置于球磨机中开始进行机械球磨，转速为260rpm，球磨时间为60h。

热压烧结：将机械球磨获得的粉体置于预先准备好的石墨模具中，安装好模具组件后置于热压烧结炉中，烧结工艺为：温度723K，压强70MPa，时间3h。

实施例2

实施例2相比实施例1，仅对球磨参数进行了改变.为100h，烧结工艺为：温度723K，压强70MPa，时间3h。

通过金相显微镜和扫面电子显微镜对材料进行观察，我们发现：实施例2相比实施例1得到的纳米特征增强铝基复合材料孔隙较少，致密度提高，并且晶粒尺寸变的细小，此外硬度有所提高。

纳米特征增强铝基复合材料实现了纳米增强相尺寸、分布和密度的有效调控，保证了增强增韧效果。该材料可作为汽车行业的零部件和结构材料，具有良好的机械性能同时具备一定的高温性能。利用本发明的纳米特征增强铝基复合材料可以实现汽车轻量化，真正实现降低燃油消耗和减少尾气排放等目标。

表1示出不同球磨工艺和烧结工艺获得的Al–SiC坯体显微硬度对比(其中工艺1为：球磨60h，烧结723K，保温3h；工艺2为：球磨100h，烧结723K，保温3h；工艺3为：球磨100h，烧结903K，保温3h)

Claims (1)

1.一种纳米特征增强铝基复合材料，其特征在于，步骤如下：

基体粉末制备：采用雾化法或机械球磨法制备平均粒径为 10-80μm 的铝粉；

机械合金化：将制备好的铝粉和碳化硅粉按碳化硅质量分数为 0.5%，其余为铝粉，置于不锈钢球磨罐中，这一过程在保护气氛氩气，纯度为4N中完成，接下来，将球磨罐置于球磨机中开始进行机械球磨，转速为 260rpm，球磨时间为 60h，

热压烧结：将机械球磨获得的粉体置于预先准备好的石墨模具中，安装好模具组件后置于热压烧结炉中，烧结工艺为：温度 723K，压强 70MPa，时间 3h。