CN107201486A - 低压加压法制作SiC陶瓷纤维/粒子强化Al‑基合金复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳化硅陶瓷纤维/粒子强化Al‑基复合材料其界面反应对耐磨性能的影响。通过低压加压法制作SiC陶瓷纤维/粒子强化Al‑基合金复合材料,添加Al粒子与熔融态Al‑基合金互溶,与传统的固相法、液相法相比具有低成本,效率高等优点。有效的控制了SiC/Al之间的界面反应的生成。复合材料在摩擦时,薄膜状的界面生成物可以组织裂纹地扩散,增强了强化材料与基体之间的结合力,提高了材料的耐磨性能。本发明制备的碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料与现有的金属基复合材料相比,材料的耐磨性能更优异,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及低压下制作SiC陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料,特别是强化Al-基合金复合材料。
背景技术
近年来,金属基复合材料(Metal Material Composite:MMC)因其具有高比强度、比模量以及耐磨等优点使其在机车、航空等领域上得到了广泛的应用。而随着金属基复合材料的问世,各种制作工艺如高压加压铸造法和粉末冶金法等技术被开发了出来。然而这两种方法均存在缺陷。
碳化硅(SiC)由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途,因其具有高强度,高模量的性能被机车、航空领域得到认可。在日本丰田汽车的刹车盘上SiC粒子强化金属合金复合材料已得到了应用。但是,目前的研究中Al-基合金与SiC在高温下将发生界面反应,而一般情况下发生界面反应对材料的机械性能起到负作用,界面反应的种类越多,对机械性能的负面影响越大,违背添加刚性粒子提高金属合金机械性能的初衷。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明通过低压加压法(Lowpressure infiltration:LPI)制备SiC陶瓷纤维/粒子强化Al-基合金复合材料,铸造时间短,通过抑制SiC/Al之间的界面反应,使合金表面形成薄膜,阻止裂纹的扩散,提高了强化材料和基材的结合力使之复合材料的机械性、耐磨性得到提高。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案。
SiC陶瓷纤维/粒子强化Al-基合金复合材料制备方法如下:
(1)向装有乙醇的烧杯中加入粘合剂,待粘合剂完全溶解后添加纯Al粒子、SiC粒子和SiC纤维,使液体与SiC纤维/粒子均匀附着;
(2)将步骤(1)所得试料放入试管内,同时压缩试管两端,制成高度为1~2cm圆柱体,将圆柱体放置在773K电炉内加热,使粘合剂全分解后取出,得到SiC陶瓷胚体;
(3)将陶瓷珠粒,SiC陶瓷胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管中,通过高周波加热器加热至Al-基合金完全熔化,从试管上方加入Ar气0.2~0.4MPa到液体合金表面,使液体合金渗透到SiC陶瓷胚体中;当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压,冷却得到Al-基合金复合材料。
优选的,纯Al粒子直径为18μm,SiC粒子直径为20-50μm,SiC纤维为剪切长度在0.5mm,直径20μm的纤维。在该尺寸范围下,颗粒之间分布更均匀,颗粒间缝隙不大,试样的耐磨性最佳。
优选的,步骤(2)具体为:将步骤(1)所得试料放入直径为15mm的试管内,两端同时压缩成高为1cm圆柱体。在温度773K的电炉内加热1小时,使PEG完全分解后取出,得到SiC陶瓷胚体。
优选的,步骤(3)具体为:将直径为1mm的陶瓷珠粒、SiC陶瓷的胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管中,通过高周波加热器加热至1173K使Al-基合金完全熔化,从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面15s后停止加压,冷却得到Al-基合金复合材料。
优选的,所述Al-基合金为Cu含量为4mass%的铜铝合金或Mg含量为4mass%的镁铝合金或Si含量为12mass%的硅铝合金。
优选的,所述粘合剂为聚乙烯乙二醇(PEG)。
开口直径过大加压时将会使液体合金瞬间流出,过小将会提高对压力值要求而无法达到低压加压的状态。陶瓷珠粒的加入可有效防止液体受到加压后直接喷出,作为优选,陶瓷珠粒直径为1mm。
本发明采用低压加压法在非常低的压强下(0.2MPa)即可完成,铸造时间一般在15秒,由于时间短,速度快,有效地抑制了界面反应的生成,在合金表面形成了一层厚度在1μm以下的薄膜。该薄膜一方面可以保护强化材料如碳化硅的表面,避免其受到损伤,另一方面该薄膜有效防止碳化硅在摩擦时脱落,阻止裂纹的扩散。提高了碳化硅和基材的结合力使复合材料的耐磨性得到提高。本发明与传统的固相法、液相法相比具有制备工艺简单、低成本,效率高等优点。
附图说明
图1为本发明金属基复合材料的摩擦磨损测试对比结果;
图2为SiC/Al-Si金属基复合材料摩擦后界面组织扫描电镜照片;
图3a为SiC/Al-Cu摩擦后界面组织扫描电镜照片;
图3b为SiC/Al-Cu摩擦后界面组织透射电镜照片;
图4a为SiC/Al-Mg摩擦后结构组织扫描电镜照片;
图4b为SiC/Al-Mg摩擦后结构组织透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步的说明,但本发明不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述实验方法如无特殊说明,均为常规方法,如无特殊说明,所述化学试剂和材料,均可从商业途径获得。
本发明中涉及到SiC/Al-Cu代表该复合材料是以Al-4mass%Cu(Cu含量是4mass%)为基材,与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料;
SiC/Al-Si代表以Al-12mass%Si(Si含量是12mass%)为基材,与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料;;
SiC/Al-Mg代表以Al-4mass%Mg(Mg含量是4mass%)为基材,与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料;
实施例1
向装有20ml乙醇的烧杯中加入2g粘合剂PEG,待完全溶解后,添加纯Al粒子(直径:18μm)0.8g,体积分数7.5vol.%的SiC粒子(直径50μm),体积分数12.5vol.%的SiC纤维(直径:20μm,剪切长度0.5mm),放入烧杯中搅拌,使液体混合物与SiC粒子和SiC纤维附着。将混合后的试料放入直径15mm的试管中,同时压缩试管的两端,将其压缩成高为1cm的圆柱体并放入773K电炉中加热1小时,使PEG完全分解后取出制得SiC陶瓷坯体。
以Al-4mass%Cu为母材,将直径为1mm的陶瓷珠粒,SiC陶瓷胚体和Al-4mass%Cu合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管。陶瓷珠粒作用是防止液体金属在加压后瞬间流光,本实施例使用的是直径1mm的氧化铝珠粒。通过高周波加热器将实验管加热到1173K使合金完全熔化。从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面,使合金渗透到SiC陶瓷胚体中,当液体合金与Al粒子接触后,Al粒子立即熔化,加压时间15s。当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压。待冷却后得到MMC试料。
实施例2
向装有20ml乙醇的烧杯中加入2g粘合剂PEG,待完全溶解后,添加纯Al粒子(直径:18μm)0.8g,体积分数7.5vol.%的SiC粒子(直径50μm),体积分数12.5vol.%的SiC纤维(直径:20μm,剪切长度0.5mm),放入烧杯中搅拌,使液体混合物与SiC粒子和SiC纤维附着。将混合后的试料放入直径15mm的试管中,同时压缩试管的两端,将其压缩成高为1cm的圆柱体并放入773K电炉中加热1小时,使PEG完全分解后取出制得SiC陶瓷坯体。
以Al-4mass%Mg为母材,将直径为1mm的陶瓷珠粒,SiC陶瓷胚体和Al-4mass%Mg合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管。陶瓷珠粒作用是防止液体金属在加压后瞬间流光,本实施例使用的是直径1mm的氧化铝珠粒。通过高周波加热器将实验管加热到1173K使合金完全熔化。从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面,使合金渗透到SiC陶瓷胚体中,当液体合金与Al粒子接触后,Al粒子立即熔化,加压时间15s。当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压。待冷却后得到MMC试料。
实施例3
向装有20ml乙醇的烧杯中加入2g粘合剂PEG,待完全溶解后,添加纯Al粒子(直径:18μm)0.8g,体积分数7.5vol.%的SiC粒子(直径50μm),体积分数12.5vol.%的SiC纤维(直径:20μm,剪切长度0.5mm),放入烧杯中搅拌,使液体混合物与SiC粒子和SiC纤维附着。将混合后的试料放入直径15mm的试管中,同时压缩试管的两端,将其压缩成高为1cm的圆柱体并放入773K电炉中加热1小时,使PEG完全分解后取出制得SiC陶瓷坯体。
以Al-12mass%Si为母材,将直径为1mm的陶瓷珠粒,SiC陶瓷胚体和Al-12mass%Si合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管。陶瓷珠粒作用是防止液体金属在加压后瞬间流光,本实施例使用的是直径1mm的氧化铝珠粒。通过高周波加热器将实验管加热到1173K使合金完全熔化。从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面,使合金渗透到SiC陶瓷胚体中,当液体合金与Al粒子接触后,Al粒子立即熔化,加压时间15s。当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压。待冷却后得到MMC试料。
对实施例1、实施2和实施例3制备的复合材料进行性能测试,按照GB/T 4340采用国家维氏硬度标准氏硬度测试器,在1kg负荷下进行的测试Al-4mass%Cu,Al-4mass%Mg,Al-12mass%Si三种合金的维氏硬度依次为42,54,68。对于实施例3中Si的含量为12%时为共晶点,拥有较高的机械性能。对上述三个材料通过摩擦磨损实验测试三种复合材料的耐磨性,耐磨性结果如图1所示。横轴为摩擦距离,竖轴为质量损失,随着摩擦距离的增加磨损越小,耐磨性能越好,由SiC/Al-Cu制得的金属基复合材料的磨损减量最小,其耐磨性最好。SiC/Al-Mg复合材料的耐磨性能比SiC/Al-Si好,但是比SiC/Al-Cu差,这是因为SiC/Al-Mg之间的界面反应提高了强化材料与基体之间的结合力,而SiC/Al-Mg存在两种界面反应物。由于反应物种类的增加,对界面之间的结合又起到了负作用。经测试实施例1Al-4mass%Cu基合金复合材料的硬度最低,但Al-4mass%Cu基合金复合材料的耐磨性最好。
通过扫描电子显微镜与透射电子显微镜观测实施例1、对比例1和对比例2制备的复合材料中SiC与Al基之间的界面反应情况。结果如图2~4所示。通过图2可以看出SiC/Al-Si合金之间平滑,无界面反应发生,图3a中可以看出SiC/Al-Cu合金之间有界面反应发生,从图3b中确认界面反应物为Al4C3,可见在界面上发生式(1)反应:
3SiC(S)+4Al(L)→Al4C3(S)+3Si(L) (1)
从图4a中可以看出SiC/Al-Mg合金之间有界面反应发生,从图4b中确认界面反应物有Al4C3和Mg2Si两种,即在对比例1中合金之间发生式(2)反应
4Al(L)+3SiC(S)+6Mg(L)→Al4C3(S)+Mg2Si(S) (2)
综上所述,SiC/Al-Cu生成界面物Al4C3,SiC/Al-Mg生成界面物Al4C3与Mg2Si,SiC/Al-Si之间无界面反应发生。
Claims (8)
1.碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的低压加压制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向装有乙醇的烧杯中加入粘合剂,待粘合剂完全溶解后添加纯Al粒子、SiC纤维和粒子,使液体与SiC纤维/粒子均匀附着;
(2)将步骤1所得试料放入试管内,同时压缩试管两端,制成高度为1~2cm圆柱体,将圆柱体放置在电炉内加热,使粘合剂全分解后取出,得到SiC陶瓷胚体;
(3)将陶瓷珠粒,SiC陶瓷胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5~0.8mm的实验管中,通过高周波加热器加热至Al-基合金完全熔化,从试管上方加入Ar气体0.2~0.4MPa到液体合金表面,使液体合金渗透到SiC陶瓷胚体中;当液体合金从试管口中缓慢流出后停止加压,待冷却后得到金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述粘合剂为聚乙烯乙二醇。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,纯Al粒子直径为18μm,SiC纤维直径为20μm;长0.5mm,SiC粒子直径为20-50μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中加热温度为773K。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中陶瓷珠粒直径为1mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Al-基合金为Cu含量为4mass%的铝铜合金,Mg含量为4mass%的铝镁合金与Si含量12mass%的铝硅合金。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中加热器加热温度为1173K。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中加热器加压压为0.2Mpa。
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Application publication date: 20170926 Assignee: DALIAN WEIERBO ALLOY TECHNOLOGY CO.,LTD. Assignor: DALIAN University Contract record no.: X2023980049256 Denomination of invention: Preparation of SiC ceramic fiber/particle reinforced Al based alloy composite materials by low-pressure compression method Granted publication date: 20180925 License type: Common License Record date: 20231130 |
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