CN1075562C - 碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，将增强的铝基复合材料加热熔化后，保持在620-650℃，将固态发泡剂(由反应剂TiH2和分散剂Al粉组成)加入熔体中，立即以高转速搅拌1-2分钟，冷却后得到泡沫材料。本发明通过发泡剂加入量，发泡剂中反应剂和分散剂的配比，发泡时间和温度可控制孔隙率和孔径大小。
Description
本发明涉及一种轻质、高强度碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，它使泡沫材料的使用性能及应用领域都得到了很大程度上的提高和扩大。
泡沫金属材料是近几十年内发展起来的一种新型功能材料，由于其多孔结构和金属特征，具有重量轻，和许多优良的功能特性如减振、吸音、防火和可渗透性。在航空、航天、运输、建筑等领域有广泛地应用前景。如利用减振特性，用于制估精密仪器的基义攻防护罩，运输包装箱内衬；利用吸音特性，制做高速列车发动机室的隔音墙，汽车发动机消音器；以及用做新型的防火、隔音建筑装饰材料。也可作为轻质结构材料，如飞机夹层材料，空心支撑体的增强添料。
一般泡沫铝或铝合金材料的强度和刚度非常低，在一些场合下，不能满足应用要求。同时，低的力学性能也限制了其各种独特功能性能的发挥。如30-60％孔隙率的ZL104胞状铝抗拉强度仅为3-4MPa，抗压强度为7-11MPa，而基体ZLi04合金可达300MPa。泡沫金属材料的力学性能(模量、强度等)存在以下的关系：X=C·Xs·(ρ/ρs)n，式中，X、Xs分别为胞状材料和基体合金的某一力学性能，C为几何形态参数，ρ、ρs分别状材料和基体合金的密度，指数n是形变模式的特征参数。可见高强度基体对提高胞状材料的强度是有益的。对于提高泡沫铝的强度，已经采取了一些措施，如：(1)使用某些含氧的增稠剂，使胞状铝中形成金属氧化物，增加其强度；(2)对于含Cu、Mg的泡沫铝，通过热处理强化；(3)在泡沫中添加玻璃或金属增强纤维等。
SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料是近年来发展的一种新的金属基复合材料。在普通的铝合金中加入高强度、高硬度的陶瓷颗粒，由于碳化硅颗粒的增强作用，使材料的室温和力学性能如抗的强度、屈服强度和刚度明显提高。具备提高其泡沫材料力学性能的内在潜力。同时与其它类型的金属基材料相比，SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料成本低、制备工艺简单，已经形成规模生产能力，具备了被广泛应用的前提。
本发明的目的正是根据SiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料的性能特点提出了一种轻质、高强度碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，该种方法不需要采用任何熔体增粘剂。
本发明的目的是通过以下措施来实现的：
首先，该种适用于制造泡沫金属材料的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，在铝合金中加入了SiC增强颗粒，其加入量的体积百分为15-20％。
采用上述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造泡沫金属材料的方法，所采取的工艺步骤及其特点为：
1．采用搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料铸锭，使SiC颗粒与铝合金熔体充分润湿，浇注材料铸锭；
2．将铸锭放在坩埚中升温熔化，设置炉温720-740℃，铸锭熔化后马上降低温度，并在620-650℃下使熔体保温，并用工具上下搅拌熔体，以使SiC颗粒在熔体中均匀分布；
3．将重量百分比0.5-1.5％的发泡剂加入到熔体中，发泡剂是由TiH2粉(反应剂)+Al粉(分散剂)混合而成，发泡剂中TiH2粉与Al粉比例为1∶(0.5-1.5)，之后，立即以500-1000rpm转速搅拌1-2分钟，使发泡剂均匀弥散分布于熔体中；
4．搅拌停止后，使熔体随炉冷却，30分钟内可完成发泡过程。此外，发泡过程可以在预热的模具中完成，搅拌停止后，立即将熔体浇注到600℃下预热的模具中，封闭模具开口，并留适当间隙，然后在熔点附近即580-600℃下保温30分钟，发泡过程体积增加将充填整个模具型腔，得到一定形状的泡沫材料制件。
上述发泡剂中的TiH2粉与A1粉比例为1∶(0.5-1.5)。当发泡剂中的TiH2粉∶Al粉=1∶0.5时，发泡剂的加入量与孔隙率的一般关系如表1所示。
表1固态发泡剂加入量与胞状材料孔隙率的关系
| 固态发泡剂加入量(wt％) | 孔隙率(％) |
| 1.4 | 80 |
| 1.1 | 70 |
| 0.9 | 62 |
以下将结合实施例对本发明作进一步的详述：
实施例1
15Vol％SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg复合材料1kg。该种复合材料是在铝合金中加入了SiC增强颗粒，其加入量为铝合金基体材料体积百分比的15％，将SiC颗粒与铝合金熔体充分润湿，浇注出复合材料铸锭；在采用该复合材料制造泡沫金属时采用的是直接发泡方法。直接发泡工艺是将固态发泡剂如TiH2、ZrH2等加入金属熔体，分解产生气体。由于气体易于从熔体中逃脱，所以在添加发泡剂时施加高速搅拌(转速达1000rpm)，这种方法使用效果比较好。将4克TiH2粉+6克Al粉，在150℃下烘干2小时，充分均匀混合，用铝薄抱裹，制成发泡剂。铸锭在石墨坩埚中重熔，炉温设置720℃。熔化后，设置温度降到645℃，并有工具上下搅拌复合熔体，以使SiC颗粒在熔体中均匀分布。加入发泡，750rpm搅拌2分钟，使发泡剂均匀弥散分布于熔体中，起出搅拌杆，发泡在坩埚中进行，坩埚在炉中随炉冷却，30分钟内可完成发泡过程。得到的泡沫材料的孔隙率为70％。
发泡过程在预热的模具中完成时，上述工序中，搅拌停止后，立即将熔体浇注到600℃下预热的模具中，封闭模具开口，并留适当间隙，然后在熔点附近即580-600℃下保温30分钟，发泡过程体积增加将充填整个模具型腔，得到一定形状的泡沫材料制件。
表2：SiC颗粒增强Al-7Si-0.4Mg铸铝基复合材料泡沫金属的拉、压强度
| 孔隙率(％) | 平均孔径(mm) | 20Vol％SiC | 15Vol％SiC | ||||
| 拉伸强度(MPa) | 压缩强度(MPa) | 压缩模量(OPa) | 拉伸强度(MPa) | 压缩强度(MPa) | 压缩模量(Gpa) | ||
| 85 | 4.5 | 3.58 | 5.78 | 0.43 | 3.36 | 4.74 | 0.28 |
| 75 | 3 | 4.32 | 12.78 | 1.14 | 4.23 | 7.84 | 0.58 |
| 70 | 2.5 | 7.47 | 16.25 | 1.72 | 6.99 | 13.35 | 1.65 |
| 65 | 2.5 | 9.16 | 25.34 | 2.57 | 7.78 | 23.36 | 1.98 |
表3：孔径大小对85％孔隙率的15Vol％SiC颗粒增强铸造铝基复合材料泡沫拉、压强度的影响
| 平均孔径(mm) | 拉伸强度(MPa) | 压缩强度(MPa) |
| 4.5 | 3.36 | 4.74 |
| 2.5 | 3.77 | 7.74 |
实施例2
20Vol％SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg复合材料1.25kg。将具有180X180X40内腔的模具在600℃下预热。12克TiH2粉+6克Al粉，在150℃下烘干2小时，充分均匀混合，用铝薄抱裹。铸锭在石墨坩埚中重熔，炉温设置720℃。熔化后，设置温度降到640℃。加入发泡剂，以600rpm搅拌2分钟，起出搅拌杆，立即浇到预热的模具中，将模具加上盖，放到600℃下保温。30分钟后发泡完成，打开炉门降温。得到块状泡材料的孔隙率为80％。
孔隙率和孔洞尺寸主要是通过固态发泡剂的加入量、搅拌速度、发泡剂中TiH2和分散剂Al粉配比来控制。对于完全自由发泡过程，发泡剂的加入量与孔隙率的一般关系可见表1，其中发泡剂中的TiH2粉∶Al粉=1∶0.5。
制备的泡沫材料力学性能与孔隙率、孔洞尺寸有关。表2是15Vol％和20Vol。％SiC颗粒增强的Al-7Si-0.4Mg(ZLi01)复合材料泡沫在不同孔隙率和孔径下的抗拉和抗压强度。表3是孔径大小对性能的影响。
本发明目的是提供了一种新型的轻质、高强度泡沫金属材料的铝基复合材料，并采用了一种与之相适应的直接发泡工艺生产出了高质量的铝基泡沫金属，因而具有更广泛的应用性。它具有更高的抗压，抗拉强度和抗变形能力，由于复合材料熔体自身粘度较大，直接发泡工艺简单，不需要采用任何增粘措施。分散剂的加入，使反应物TiH2更均匀地弥散到熔体中，同时可以减缓反应速度，使泡沫材料中的孔洞大小和分布更均匀。
Claims (2)
1．一种碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于：该种方法所采取的工艺步骤为：
1)．采用搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料铸锭，将SiC颗粒与铝合金熔体充分润湿，浇注材料铸锭，SiC的加入量为铝合金基体材料体积百分比的15-20％；
2)．将铸锭放在坩埚中升温熔化，设置炉温720-740℃，铸锭熔化后马上降低温度，并在620-645℃下使熔体保温，并用工具上下搅拌复合熔体，以使SiC颗粒在熔体中均匀分布；
3)．将重量百分比0.5-1.5％的发泡剂加入到熔体中，发泡剂是由TiH2粉(反应剂)+Al粉(分散剂)混合而成，发泡剂中TiH2粉与Al粉的比例为1∶(0.5-1.5)，之后，立即以500-1000rpm转速搅拌1-2分钟，使发泡剂均匀弥散分布于熔体中；
4)．搅拌停止后，使熔体随炉冷却，30分钟内可完成发泡过程。
2．根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于：发泡过程是在预热的模具中完成，上述第4)项步骤为，搅拌停止后，立即将熔体浇注到600℃下预热的模具中，封闭模具开口，并留适当间隙，然后在熔点附近即580-600℃下保温30分钟，发泡过程体积增加将充填整个模具型腔，最后得到一定形状的泡沫材料制件。
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