CN105714137A - 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105714137A CN105714137A CN201410740013.2A CN201410740013A CN105714137A CN 105714137 A CN105714137 A CN 105714137A CN 201410740013 A CN201410740013 A CN 201410740013A CN 105714137 A CN105714137 A CN 105714137A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- composite
- sic
- carbide particle
- aluminum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
本发明涉及一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，属于新材料研发领域。该材料由碳化硅颗粒增强相和铝合金基体组成，碳化硅颗粒的体积分数为55～60vol.％，铝合金基体为40～45vol.％；铝合金基体为Al-Cu-Si合金。本发明采用粉末冶金工艺制备复合材料，得到大尺寸、薄壁化、具有高弹性模量、高抗弯强度、低热膨胀系数、低热导率，高致密性综合性能的铝基复合材料，复合材料外形尺寸为900mm×700mm×60mm，该材料的优异综合性能可以较好的满足航天光学遥感器光机结构件的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高体积分数碳化硅颗粒(SiCp)增强铝基复合材料及其制备方法，特别涉及一种高体分SiCp增强铝基复合材料的粉末冶金制备工艺，制备的复合材料能够应用于航天光学遥感器光机结构件，属于新材料研发领域。
技术背景
颗粒增强铝基复合材料以其显著的性能优势在空间技术、高速交通、电子元器件等高技术领域发挥了重要作用，是典型的高技术新材料。SiCp是颗粒增强铝基复合材料中最广泛使用的一种强化相，这是由于SiCp具有优良的综合性能，例如其弹性模量高达420～450GPa(Al弹性模量70GPa)，热膨胀系数4.0×10-6K-1(Al热膨胀系数23.5×10-6K-1)，弯曲强度550MPa，密度仅为3.2g/cm3，将SiCp作为Al(合金)基体的强化相，从理论上可大大提高Al(合金)材料的弹性模量，降低热膨胀系数。例如，在航天应用方面，体积分数高达50～60％的SiCp增强Al基复合材料具有极高的比刚度、比强度、低的热膨胀系数、良好的热导率和低的密度、良好耐磨性和较高的尺寸稳定性，已经被用作空间光学遥感器光机支撑结构件。然而，一方面，SiCp体积分数高达50～60％时复合材料较难致密，材料中孔隙的存在会对材料性能造成较大影响，这对材料制备工艺提出了相当大的要求；另一方面，由于高体积分数SiCp增强的铝基复合材料本身高的脆性和硬度，使得该类材料具有相当大的机械加工难度，必须选用特殊的刀具才能进行加工；再者，由于光机结构件的特殊的尺寸外形要求，所需构件往往为大尺寸，如“制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料”(崔岩，李丽富，李景林，任建岳.光学精密工程，2007，15(8)：1175-1180.)所制备的空间光机结构件尺寸为650mm×500mm×85mm)，和薄壁化的构件，这进一步加大了材料制备难度。因此，选择合适的制备工艺是高体分SiCp/Al基复合材料制备亟待解决的问题。
高体分SiCp/Al基复合材料的制备通常采用无压浸渗、压力浸渗、粉末冶金等方法。无压浸渗方法制备高体分SiCp/Al基复合材料已有专利和文献公开报道，如专利“一种复杂形状高体分比SiCp/Al基复合材料的制备方法”采用无压浸渗方法制备复合材料，制备过程需要通过复杂工序制备预制体骨架，材料制备温度高达800-1200℃。文献“制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料”(崔岩，李丽富，李景林，任建岳.光学精密工程，2007，15(8)：1175-1180)报道采用无压浸渗工艺制备空间大尺寸光机结构件用的55～57vol％SiC/Al基复合材料，材料制备温度高达800℃。压力浸渗工艺用于制备该类材料时，也需要制备SiCp预制体骨架，制备过程中通过对熔体施加一定压力完成熔体对骨架材料的浸渗过程，制备温度通常在800℃以上。无压浸渗与压力浸渗工艺较高的制备温度对制备设备提出了很高的要求，且由于制备温度高、保温时间长，制备的铝基复合材料中存在缩孔、气孔(较难致密)以及高温时易产生Al4C3脆性相，Al4C3相在空气中容易潮解，影响材料的性能及材料的稳定性。粉末冶金是一种广泛应用的制备铝基复合材料的工艺，该工艺可在较低的温度下(650℃以下)进行材料制备，如采用固相烧结时，材料的制备温度甚至可低至560℃，从而可较好避免Al4C3脆性相产生，材料性能和稳定性均较好。专利“粉末冶金法制备高体积分数碳化硅铝基复合材料的工艺方法”采用粉末冶金制备体积分数为50-70vol.％SiCp/Al复合材料，制备温度为640℃(相对于粉末冶金热等静压560～600℃的烧结温度仍相对较高)。该专利制备的复合材料经过合金粉末造粒、添加粘结剂、压制、烧结等步骤，获得了性能良好的铝基复合材料，然而，该粉末冶金工艺如果对粘结剂去除不当会影响材料性能，此外，对于大尺寸薄壁化的光机结构件外形要求，该粉末冶金工艺在一定程度上也较难实现。粉末冶金中的热等静压制备工艺近年来获得了极大的关注，该工艺可实现大尺寸，高性能、高致密性SiCp增强铝基复合材料的制备，但目前专利和文献报道该工艺多见于低体分(15～25vol.％)SiCp/Al基复合材料的制备，对于大尺寸、薄壁化、光学遥感器光机结构件用的高体分(如55～60vol.％)SiCp增强铝基复合材料的粉末冶金热等静压制备未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种粉末冶金工艺制备的高体积分数SiCp增强的铝基复合材料，获得具有高致密度、高弹性模量、低热膨胀系数、高强度、可良好机械加工、大尺寸、薄壁化的铝基复合材料，使目标材料满足航天光学遥感器光机结构件的性能和外形要求。
一种高体积分数碳化硅颗粒(SiCp)增强的铝基复合材料，由碳化硅颗粒SiCp增强相和铝合金基体组成，增强相碳化硅颗粒SiCp的体积分数为55～60vol.％，铝合金基体为40～45vol.％，铝合金基体为Al-Cu-Si合金，采用Al粉、Cu粉和Si粉制成。
所述的铝合金基体为Al-(3.5～4.5wt.％)Cu-(4～6wt.％)Si，即含有3.5～4.5wt.％的Cu，4～6wt.％的Si，其余为Al。
本发明的另一个目的是提供一种制备高体分SiCp增强Al基复合材料的制备方法，主要包括SiCp的预处理、SiCp与Al合金粉体的球磨混合、粉体冷等静压成型、真空除气、热等静压、热等静压坯锭机械加工、超声无损探伤。
一种高体积分数碳化硅颗粒SiCp增强的铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)SiCp表面预处理工艺：将碳化硅颗粒SiCp增强相进行烘干处理；
(2)球磨混粉工艺：将烘干处理后的碳化硅颗粒SiCp、Al粉、Cu粉和Si粉放入球磨机中进行混粉，其中碳化硅颗粒SiCp含量为55～60vol.％，Al-Cu-Si基体粉末含量为40～45vol.％；
(3)将球磨后的复合粉体装入冷等静压包套进行冷等静压成型，之后将冷等静压坯锭进行真空除气；
(4)热等静压工艺：对真空除气后的坯锭进行热等静压烧结成型；
(5)机械加工：通过机械加工完全去除热等静压坯锭表面的包套，得到铝基复合材料坯锭；
(6)超声无损探伤：采用超声无损探伤设备对机械加工后的坯锭进行组织缺陷无损检测。
步骤(1)中，碳化硅颗粒SiCp的平均粒径为20-40μm；SiCp烘干处理在箱式保温箱内进行，烘干温度为120～180℃，保温时间12～24h。
步骤(2)中，Al-Cu-Si基体粉末由Al粉、Cu粉和Si粉组成，粉末名义成分(wt.％)为Al-(3.5～4.5)Cu-(4-6)Si，即Cu为3.5～4.5wt.％，Si为4～6wt.％，其余为Al。其中Al粉的粒径为15-20μm，Cu粉的粒径为5-10μm，Si粉的粒径为5-10μm；Al粉可为气雾化铝粉，Cu粉为电解铜粉，Si粉为普通硅粉。将40～45vol.％的上述Al-Cu-Si基体粉末与55～60vol.％SiCp在转动式球磨机中进行混粉，球磨混粉时，球磨机转速为120-180转/分钟，球磨时间为14-18h，球料比为5:1，混粉过程为干混。
步骤(3)中，将球磨粉末装入冷等静压橡胶包套，所述的橡胶包套尺寸为1200mm×900mm×100mm，密封包套后进行冷等静压成型，成型压力为180-220MPa，保压时间为10-30min；然后将冷等静压坯锭进行真空除气处理，真空除气用包套为铝包套，除气结束真空度小于10-3Pa。
步骤(4)中，热等静压温度为560-580℃，压力90-110MPa，保压时间1.5-3h。
步骤(5)中，机械加工用的刀具为金刚石车刀、铣刀，获得的坯锭尺寸为900mm×700mm×60mm。
步骤(6)中，采用脉冲反射式超声无损检测法对坯锭进行无损检测，所用超声设备为德国产USM35XDAC超声波探伤仪。
本发明的高体分碳化硅颗粒增强的铝基复合材料在航天光学遥感器光机结构件中的应用。本发明采用粉末冶金工艺制备复合材料，得到大尺寸、薄壁化、具有高弹性模量、高抗弯强度、低热膨胀系数、低热导率，高致密性综合性能的铝基复合材料，该材料的优异综合性能可以较好的满足航天光学遥感器光机结构件的使用要求。
本发明的优点：
1、自配获得特定成分的Al-Cu-Si基体粉末合金，采用SiCp对Al-Cu-Si合金粉体进行强化，能够制备出接近全致密(孔隙率仅为0.01～0.02％)的55～60vol.％SiCp增强的Al基复合材料，复合材料弹性模量为203～219GPa，弯曲强度600～620MPa，材料热导率为186～200W/m·K，25～100℃温度范围内热膨胀系数(7.0～9.0)×10-6K-1(25～100℃)。本发明制备的SiCp/Al-Cu-Si复合材料优异的力学和物理性能，使其能够满足航天光学遥感器光机结构件的应用需求。
2、采用粉末冶金工艺，通过冷等静压包套设计(尺寸和形状)，可制备出大尺寸、薄壁化的铝基复合材料结构件，构件的外形尺寸为900mm×700mm×60mm。
3、与无压浸渗或压力浸渗等高温(800℃以上)制备工艺相比，本发明采用的粉末冶金工艺热等静压温度仅为580℃，大大降低材料制备成本和设备能耗，且复合材料在580℃低温下制备不生成易潮解的Al4C3界面产物，材料长时间在空气中暴露不发生潮解、粉化，具有极高的稳定性和性能可靠性；与其他粉末冶金工艺相比，本发明采用的冷热等静压工艺可实现高性能、大尺寸、薄壁化的高体积分数SiCp增强Al基复合材料制备。
附图说明
图1是本发明复合材料的制备工艺路线图。
图2是制备的55vol.％SiCp/Al-Cu-Si复合材料组织金相图片。
图3是制备的55vol.％SiCp/Al-Cu-Si复合材料弯曲断口组织照片。
图4是制备大尺寸高体分SiCp/Al基复合材料冷等静压用橡胶包套实物图。
具体实施方式
通过以下实施实例对本发明做进一步详细描述，但发明的实施方式不仅仅局限于此。
图1为本发明的制备工艺路线图，先将SiCp进行表面烘干处理，然后将烘干后SiCp粉与Si粉、Al粉、Cu粉进行球磨混粉－冷等静压成型(橡胶包套，尺寸1200mm×900mm×100mm)－真空除气(铝包套)－热等静压烧结-机械加工(如金刚石刀具)-超声无损探伤，最后得到大尺寸的SiCp增强的Al基复合材料。
在下列实施例中，采用的Al粉可为气雾化铝粉，Cu粉为电解铜粉，Si粉为普通硅粉。SiCp烘干处理在箱式保温箱内进行，烘干温度为120～180℃，保温时间12～24h。
实施例1：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为55vol.％，Al-Cu-Si基体含量为45vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-5Si(wt％)的基体粉末，然后将140Kg的55vol.％SiCp与45vol.％Al-3.5Cu-5Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速150转/分钟，球磨时间16h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，用金属棍导实粉末后进行冷等静压成型，冷等静压压力200MPa，压制时间30min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间2h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料坯锭。采用德国产USM35XDAC超声波探伤仪对坯锭进行无损检测。
所得55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料的孔隙率为0.01％，弹性模量为205GPa，弯曲强度为610MPa，热膨胀系数为8.8×10-6K-1(25～100℃)，热导率200W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了55vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(55vol.％SiCp/Al)，所得55vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.3％，弯曲强度350MPa，弹性模量为198GPa，热膨胀系数为9.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。对比得出，55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料的孔隙率较55vol.％SiCp/Al复合材料低0.29％，弹性模量提高7GPa，弯曲强度提高260MPa，热膨胀系数降低0.7×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例2：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为55vol.％，Al-Cu-Si基体含量为45vol.％。SiCp的粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先烘干处理SiCp增强体，并配置名义成分为Al-4.5Cu-5Si的基体粉末，然后将140Kg的55vol.％SiCp与45vol.％Al-4.5Cu-5Si粉进行球磨混粉，球磨机转速为150转/分钟，球磨时间16h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力200MPa，压制时间30min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间2h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型55vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料坯锭。
所得55vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料的孔隙率0.01％，弹性模量203GPa，弯曲强度620GPa，热膨胀系数9.0×10-6K-1(25～100℃)，热导率196W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了55vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(55vol.％SiCp/Al)，所得55vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.3％，弯曲强度350MPa，弹性模量为198GPa，热膨胀系数为9.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。对比得出，55vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料的孔隙率较55vol.％SiCp/Al复合材料低0.29％，弹性模量提高5GPa，弯曲强度提高270MPa，热膨胀系数降低0.5×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例3：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为60vol.％，Al-Cu-Si基体含量为40vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-5Si(wt％)的基体粉末，然后将150Kg的60vol.％SiCp与40vol.％Al-3.5Cu-5Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速150转/分钟，球磨时间16h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力200MPa，压制时间30min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间2h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型60vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料坯锭。
所得60vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料的孔隙率0.02％，弹性模量219GPa，弯曲强度600MPa，热膨胀系数7.1×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了60vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(60vol.％SiCp/Al)，所得60vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.5％，弯曲强度345MPa，弹性模量为212GPa，热膨胀系数为7.7×10-6K-1(25～100℃)，热导率190W/mK。对比得出，60vol.％SiCp/Al-3.5Cu-5Si复合材料的孔隙率较60vol.％SiCp/Al复合材料低0.48％，弹性模量提高7GPa，弯曲强度提高255MPa，热膨胀系数降低0.6×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例4：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为60vol.％，Al-Cu-Si基体含量为40vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-4.5Cu-5Si(wt％)的基体粉末，然后将150Kg的60vol.％SiCp与40vol.％Al-4.5Cu-5Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速150转/分钟，球磨时间16h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力200MPa，压制时间30min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力100MPa，保压时间2h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料坯锭。
所得60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料的孔隙率0.02％，弹性模量217GPa，弯曲强度609MPa，热膨胀系数7.3×10-6K-1(25～100℃)，热导率190W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了60vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(60vol.％SiCp/Al)，所得60vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.5％，弯曲强度345MPa，弹性模量为212GPa，热膨胀系数为7.7×10-6K-1(25～100℃)，热导率190W/mK。对比得出，60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-5Si复合材料的孔隙率较60vol.％SiCp/Al复合材料低0.48％，弹性模量提高5GPa，弯曲强度提高264MPa，热膨胀系数降低0.4×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例5：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为55vol.％，Al-Cu-Si基体含量为45vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-4Si(wt％)的基体粉末，然后将140Kg的55vol.％SiCp与45vol.％Al-3.5Cu-4Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速120转/分钟，球磨时间15h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力210MPa，压制时间20min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气用包套为铝包套，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度570℃，压力90MPa，保压时间1.5h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-4Si复合材料坯锭。
所得55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-4Si复合材料的孔隙率为0.01％，弹性模量为205GPa，弯曲强度为605MPa，热膨胀系数为8.9×10-6K-1(25～100℃)，热导率204W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了55vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(55vol.％SiCp/Al)，所得55vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.3％，弯曲强度350MPa，弹性模量为198GPa，热膨胀系数为9.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。对比得出，55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-4Si复合材料的孔隙率较55vol.％SiCp/Al复合材料低0.29％，弹性模量提高7GPa，弯曲强度提高255MPa，热膨胀系数降低0.6×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例6：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为55vol.％，Al-Cu-Si基体含量为45vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-3.5Cu-6Si(wt％)的基体粉末，然后将140Kg的55vol.％SiCp与45vol.％Al-3.5Cu-6Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速180转/分钟，球磨时间14h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力220MPa，压制时间10min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气用包套为铝包套，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度560℃，压力105MPa，保压时间3h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-6Si复合材料坯锭。
所得55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-6Si复合材料的孔隙率为0.01％，弹性模量为205GPa，弯曲强度为613MPa，热膨胀系数为8.7×10-6K-1(25～100℃)，热导率198W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了55vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(55vol.％SiCp/Al)，所得55vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.3％，弯曲强度350MPa，弹性模量为198GPa，热膨胀系数为9.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。对比得出，55vol.％SiCp/Al-3.5Cu-6Si复合材料的孔隙率较55vol.％SiCp/Al复合材料低0.29％，弹性模量提高7GPa，弯曲强度提高263MPa，热膨胀系数降低0.8×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例7：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为60vol.％，Al-Cu-Si基体含量为40vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-4.5Cu-4Si(wt％)的基体粉末，然后将150Kg的60vol.％SiCp与40vol.％Al-3.5Cu-5Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速160转/分钟，球磨时间17h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力190MPa，压制时间25min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度580℃，压力110MPa，保压时间2h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-4Si复合材料坯锭。
所得60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-4Si复合材料的孔隙率0.02％，弹性模量217GPa，弯曲强度604MPa，热膨胀系数7.5×10-6K-1(25～100℃)，热导率195W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了60vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(60vol.％SiCp/Al)，所得60vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.5％，弯曲强度345MPa，弹性模量为212GPa，热膨胀系数为7.7×10-6K-1(25～100℃)，热导率190W/mK。对比得出，60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-4Si复合材料的孔隙率较60vol.％SiCp/Al复合材料低0.48％，弹性模量提高5GPa，弯曲强度提高259MPa，热膨胀系数降低0.2×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例8：
复合材料的体积分数为：SiCp增强相含量为60vol.％，Al-Cu-Si基体含量为40vol.％。SiCp粒径为20-40μm，Al粉粒径15-20μm、Cu粉粒径5-10μm、Si粉粒径5-10μm。首先对SiCp增强体进行烘干处理，配置名义成分为Al-4.5Cu-6Si(wt％)的基体粉末，然后将150Kg的60vol.％SiCp与40vol.％Al-4.5Cu-6Si混合粉末进行球磨混粉，球磨机转速140转/分钟，球磨时间18h，球料比5:1，干混；将混合后的粉末过筛后装入冷等静压橡胶包套(包套尺寸为1200mm×900mm×100mm)，然后进行冷等静压成型，冷等静压压力180MPa，压制时间30min；在井式电阻炉内对冷等静压坯锭进行真空除气，真空除气结束时真空度要求小于10-3Pa；将真空除气并密封的坯锭进行热等静压烧结，热等静压温度575℃，压力95MPa，保压时间2.5h。采用金刚石刀具对热等静压坯锭进行机械加工，去除坯锭表面的铝包套，得到外形尺寸为900mm×700mm×60mm的薄板型60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-6Si复合材料坯锭。
所得60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-6Si复合材料的孔隙率0.02％，弹性模量217GPa，弯曲强度613MPa，热膨胀系数7.0×10-6K-1(25～100℃)，热导率186W/mK。
为进行对比，采用相同的粉末冶金工艺制备了60vol.％SiCp增强的纯Al基体复合材料(60vol.％SiCp/Al)，所得60vol.％SiCp/Al复合材料的孔隙率为0.5％，弯曲强度345MPa，弹性模量为212GPa，热膨胀系数为7.7×10-6K-1(25～100℃)，热导率190W/mK。对比得出，60vol.％SiCp/Al-4.5Cu-6Si复合材料的孔隙率较60vol.％SiCp/Al复合材料低0.48％，弹性模量提高5GPa，弯曲强度提高268MPa，热膨胀系数降低0.7×10-6K-1(25～100℃)，性能得到较大的改善。
实施例1-8采用粉末冶金工艺制备复合材料，得到大尺寸、薄壁化、具有高弹性模量、高抗弯强度、低热膨胀系数、低热导率，高致密性综合性能的铝基复合材料，复合材料外形尺寸为900mm×700mm×60mm，孔隙率仅为0.01～0.02％，弹性模量203～219GPa，抗弯强度600～620MPa，热膨胀系数7.0～9.0×10-6K-1(25～100℃)，热导率186～200W/m·K，该材料的优异综合性能可以较好的满足航天光学遥感器光机结构件的使用要求。
Claims (10)
1.一种高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，其特征在于：该复合材料由碳化硅颗粒增强相和铝合金基体组成，碳化硅颗粒的体积分数为55～60vol.％，铝合金基体为40～45vol.％；所述的铝合金基体为Al-Cu-Si合金。
2.根据权利要求1所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，其特征在于：所述的铝合金基体中含有3.5～4.5wt.％的Cu，4～6wt.％的Si，其余为Al。
3.一种高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硅颗粒进行烘干处理；
(2)将烘干处理后的碳化硅颗粒、Al粉、Cu粉和Si粉放入球磨机中进行混粉，其中碳化硅颗粒SiCp含量为55～60vol.％，Al-Cu-Si基体粉末含量为40～45vol.％；
(3)将球磨后的复合粉体装入冷等静压包套进行冷等静压成型，之后将冷等静压坯锭进行真空除气；
(4)对真空除气后的坯锭进行热等静压烧结成型；
(5)通过机械加工去除热等静压坯锭表面的包套，得到铝基复合材料坯锭；
(6)采用超声无损探伤设备对机械加工后的坯锭进行组织缺陷无损检测。
4.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：碳化硅颗粒的平均粒径为20-40μm；所述的烘干处理在箱式保温箱内进行，烘干温度为120～180℃，保温时间12～24h。
5.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：Al-Cu-Si基体粉末中，Cu为3.5～4.5wt.％，Si为4～6wt.％，其余为Al；Al粉的粒径为15-20μm，Cu粉的粒径为5-10μm，Si粉的粒径为5-10μm。
6.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：球磨混粉时，球磨机转速为120-180转/分钟，球磨时间为14-18h，球料比为5:1，混粉过程为干混。
7.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的冷等静压包套为橡胶包套，尺寸为1200mm×900mm×100mm；所述的冷等静压成型的成型压力为180-220MPa，保压时间为10-30min；然后将冷等静压坯锭进行真空除气，除气结束真空度小于10-3Pa。
8.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热等静压温度为560-580℃，压力90-110MPa，保压时间1.5-3h。
9.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，其特征在于：采用脉冲反射式超声无损检测法对坯锭进行无损检测，所用超声设备为德国产USM35XDAC超声波探伤仪。
10.权利要求1或2所述的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料在航天光学遥感器光机结构件中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410740013.2A CN105714137B (zh) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410740013.2A CN105714137B (zh) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105714137A true CN105714137A (zh) | 2016-06-29 |
| CN105714137B CN105714137B (zh) | 2017-11-14 |
Family
ID=56144113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410740013.2A Active CN105714137B (zh) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105714137B (zh) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106521251A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-22 | 西安工业大学 | 一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备及其方法 |
| CN106555093A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-05 | 北京宝航新材料有限公司 | 一种碳纳米管增强铝碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN106702218A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-05-24 | 北京宝航新材料有限公司 | 一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN106735189A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-31 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法 |
| CN106917009A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-04 | 武汉理工大学 | 一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法 |
| CN107513634A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-12-26 | 湖南金马铝业有限责任公司 | 一种制备高体分SiCp/Al复合材料的致密化工艺 |
| CN109702185A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-03 | 宁波合盛专用车辆有限公司 | 一种铝基复合材料锻压件及其制备方法 |
| CN109721356A (zh) * | 2017-10-27 | 2019-05-07 | 辽宁法库陶瓷工程技术研究中心 | 热障涂层用大尺寸氧化锆陶瓷靶材的制备方法 |
| CN109868381A (zh) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 北京有色金属研究总院 | 一种高体积分数钨颗粒增强铝基复合材料的制备方法 |
| CN109943755A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-06-28 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 一种电子封装用铝基复合材料的制备方法 |
| CN111172433A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-19 | 珠海亿特立新材料有限公司 | 一种高体积分数SiC/Cu颗粒增强Al基金属复合材料及其制备方法 |
| CN111719066A (zh) * | 2019-03-19 | 2020-09-29 | 江西宝航新材料有限公司 | 一种用于金属3D打印的AlSiC复合材料的制备方法及其应用 |
| CN111940738A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-11-17 | 有研金属复材技术有限公司 | 铝基复合材料筒体及其制备方法 |
| CN113957281A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-21 | 河南瀚银光电科技股份有限公司 | 一种宏量化中高体分铝基复合材料及其高压制备工艺 |
| CN117165802A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种多尺度颗粒增强耐磨铝基复合材料的制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1472354A (zh) * | 2002-07-31 | 2004-02-04 | ������ɫ�����о���Ժ | 颗粒增强铝基复合材料及其零部件和零部件的近净成形工艺 |
| CN101733497A (zh) * | 2009-11-30 | 2010-06-16 | 河南理工大学 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与可伐合金异种材料的硬钎焊方法 |
| CN102114541A (zh) * | 2009-12-30 | 2011-07-06 | 北京有色金属研究总院 | 一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺 |
| CN102658411A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-09-12 | 哈尔滨工业大学 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法 |
| CN102806335A (zh) * | 2011-05-31 | 2012-12-05 | 比亚迪股份有限公司 | 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN103194630A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-10 | 兰州理工大学 | 高体积分数SiCp/Al复合材料的制备方法 |
| CN103602869A (zh) * | 2013-11-18 | 2014-02-26 | 湖南金马铝业有限责任公司 | 粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法 |
-
2014
- 2014-12-05 CN CN201410740013.2A patent/CN105714137B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1472354A (zh) * | 2002-07-31 | 2004-02-04 | ������ɫ�����о���Ժ | 颗粒增强铝基复合材料及其零部件和零部件的近净成形工艺 |
| CN101733497A (zh) * | 2009-11-30 | 2010-06-16 | 河南理工大学 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与可伐合金异种材料的硬钎焊方法 |
| CN102114541A (zh) * | 2009-12-30 | 2011-07-06 | 北京有色金属研究总院 | 一种高体积分数硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺 |
| CN102806335A (zh) * | 2011-05-31 | 2012-12-05 | 比亚迪股份有限公司 | 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN102658411A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-09-12 | 哈尔滨工业大学 | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法 |
| CN103194630A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-10 | 兰州理工大学 | 高体积分数SiCp/Al复合材料的制备方法 |
| CN103602869A (zh) * | 2013-11-18 | 2014-02-26 | 湖南金马铝业有限责任公司 | 粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘晓丰等: ""遥感仪器光机系统用高体分SiCp/Al复合材料的疲劳研究"", 《红外》 * |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106555093A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-05 | 北京宝航新材料有限公司 | 一种碳纳米管增强铝碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN106702218A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-05-24 | 北京宝航新材料有限公司 | 一种铝基碳化硅复合材料及其制备方法 |
| CN106735189A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-31 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法 |
| CN106735189B (zh) * | 2016-11-24 | 2019-01-15 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法 |
| CN106521251A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-22 | 西安工业大学 | 一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备及其方法 |
| CN106917009A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-04 | 武汉理工大学 | 一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法 |
| CN106917009B (zh) * | 2017-03-15 | 2018-11-23 | 武汉理工大学 | 一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法 |
| CN107513634A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-12-26 | 湖南金马铝业有限责任公司 | 一种制备高体分SiCp/Al复合材料的致密化工艺 |
| CN107513634B (zh) * | 2017-08-21 | 2019-07-16 | 湖南金马铝业有限责任公司 | 一种制备高体分SiCp/Al复合材料的致密化工艺 |
| CN109721356A (zh) * | 2017-10-27 | 2019-05-07 | 辽宁法库陶瓷工程技术研究中心 | 热障涂层用大尺寸氧化锆陶瓷靶材的制备方法 |
| CN109868381A (zh) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 北京有色金属研究总院 | 一种高体积分数钨颗粒增强铝基复合材料的制备方法 |
| CN109868381B (zh) * | 2017-12-04 | 2020-12-18 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种高体积分数钨颗粒增强铝基复合材料的制备方法 |
| CN109702185A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-03 | 宁波合盛专用车辆有限公司 | 一种铝基复合材料锻压件及其制备方法 |
| CN109702185B (zh) * | 2019-01-23 | 2021-04-06 | 宁波合盛新材料有限公司 | 一种铝基复合材料锻压件及其制备方法 |
| CN111719066A (zh) * | 2019-03-19 | 2020-09-29 | 江西宝航新材料有限公司 | 一种用于金属3D打印的AlSiC复合材料的制备方法及其应用 |
| CN109943755A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-06-28 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 一种电子封装用铝基复合材料的制备方法 |
| CN111172433A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-19 | 珠海亿特立新材料有限公司 | 一种高体积分数SiC/Cu颗粒增强Al基金属复合材料及其制备方法 |
| CN111940738A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-11-17 | 有研金属复材技术有限公司 | 铝基复合材料筒体及其制备方法 |
| CN111940738B (zh) * | 2020-07-15 | 2022-04-08 | 有研金属复材技术有限公司 | 铝基复合材料筒体及其制备方法 |
| CN113957281A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-21 | 河南瀚银光电科技股份有限公司 | 一种宏量化中高体分铝基复合材料及其高压制备工艺 |
| CN117165802A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种多尺度颗粒增强耐磨铝基复合材料的制备方法 |
| CN117165802B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-01-16 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种多尺度颗粒增强耐磨铝基复合材料的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105714137B (zh) | 2017-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105714137A (zh) | 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN103773997B (zh) | 一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| Tian et al. | Porous structure design and fabrication of metal-bonded diamond grinding wheel based on selective laser melting (SLM) | |
| CN109439949B (zh) | 一种采用消失模铸造多孔陶瓷/镁合金复合材料的方法 | |
| CN109482886B (zh) | 一种3d打印陶瓷与纤维复合增强铝基材料的制备方法 | |
| CN105154702A (zh) | 一种铝基非晶/高熵合金复合材料及制备方法 | |
| CN104388759A (zh) | 一种铝基复合材料及其粉末冶金制备方法 | |
| CN103710554B (zh) | 一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法 | |
| CN114231779B (zh) | 一种玻璃微珠增强多孔铝基复合材料的制备方法 | |
| CN104878233A (zh) | 一种铝钛硼合金锭的制备方法 | |
| CN110273078A (zh) | 一种磁性(FeCoNi1.5CuBmREn)P/Al复合材料及其制备方法 | |
| CN106811613B (zh) | 一种高体积分数B4C与Si颗粒混合增强的铝基复合材料及其制备工艺 | |
| Wang et al. | Preparation and compressive performance of an A356 matrix syntactic foam | |
| CN103725909B (zh) | 一种粉末液相模锻制备铝合金的方法 | |
| CN108165789A (zh) | 一种钼铜合金板的静压渗透制备方法 | |
| Tian et al. | Preparation and forming technology of particle reinforced aluminum matrix composites | |
| CN109702187A (zh) | 一种石墨烯增韧的钨合金复合粉末及其制备方法和应用 | |
| Lieberman et al. | Three-dimensional microstructural characterization of discontinuously reinforced Ti64–TiB composites produced via blended elemental powder metallurgy | |
| Jamshidi et al. | Netshape centrifugal gel-casting of high-temperature sialon ceramics | |
| Hu et al. | Effects of Fast Shot Speed and Wall Thickness on the Microstructures and Mechanical Properties of the High Pressure Die-casting 6061-SiC Composites | |
| CN109277578A (zh) | 制备高体积分数Si颗粒增强铝基复合材料的粉末冶金工艺 | |
| CN114231860B (zh) | 一种纳米碳化硅和空心玻璃微珠混合增强多孔铝基复合材料的制备方法 | |
| Tokunaga et al. | Fabrication of carbon fiber oriented Al–based composites by hot extrusion and evaluation of their thermal conductivity | |
| CN106676433A (zh) | 氧化铝陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的低压加压制备方法 | |
| Guler et al. | A novel method for Al/SiC composite fabrication: Lost foam casting |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190621 Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Research Institute of engineering and Technology Co., Ltd. Address before: No. 2, Xinjie street, Xicheng District, Beijing, Beijing Patentee before: General Research Institute for Nonferrous Metals |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210603 Address after: 101407 No.11, Xingke East Street, Yanqi Economic and Technological Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Youyan metal composite technology Co.,Ltd. Address before: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee before: YOUYAN ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |