CN108149182A - 粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳化硅粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，由喷涂前对衬底表面进行预处理；采用电弧喷涂工艺，以碳化硅粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压氩气作为雾化推进气体，在衬底表面形成碳化硅铝基复合材料；喷涂至一定厚度，关闭电弧电源，关闭高压氩气源；热挤压四个步骤组成。本发明所使用的碳化硅粉芯铝丝材易加工制作，碳化硅铝基复合材料中碳化硅含量易于控制，偏析程度大大降低；同时，工业纯氩气市场供应充足，成本低廉，且该方法具有工艺简单，操作简便、适用性强的特点，便于推广使用。

Description

粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳化硅粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法。

背景技术

SiC颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料因其比强度高、比模量高、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、尺寸稳定性高、可设计性强等优异性能，显示出单一铝合金、陶瓷或高分子材料所不可比拟的优异性能，成为国内外铝基复合材料领域的研究重点，在航空航天、汽车制造、精密仪表、电子封装、体育器材等领域应用前景广阔。

SiCp/Al复合材料是由SiC颗粒与Al基材料复合而成，其制备方法有很多种，目前常用的方法有搅拌铸造法、熔体浸渗法、粉末冶金法、喷射沉积法等。搅拌铸造法是将SiC颗粒加入到铝合金熔体中，通过机械搅拌的方式使固相和液相混合均匀，然后浇铸成锭坯、铸件等。搅拌铸造法所需的工艺设备简单，成本低，适用于多种基体和增强体颗粒，可批量生产；但在搅拌过程中SiC颗粒易偏聚，如何使SiC颗粒均匀分布于铝基体中成为制约这一工艺的瓶颈性问题，且非真空搅拌铸造时易引入气体，产生气孔。熔体浸渗法一般分为压力浸渗法和无压浸渗法两种。前者是先将SiC颗粒制成预制块，然后将加热的预制块放入挤压模中，预热到一定温度，浇入铝合金液并加压使合金液浸渗到预制块中，最后制成所需要的复合材料；后者是将SiC颗粒制成的预制体与铝合金放置在通入流动氮气的加热炉中，加热使基体合金熔化，熔化的合金液自发浸渗到网络状的增强材料预制体中，形成复合材料。压力浸渗法的工艺简单，生产周期短，易于工业化生产；但容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，且复杂零件的生产比较困难。无压浸渗生产成本低，工艺简单，性能优良，容易实现大批量生产；但浸渗速度较慢，浸渗条件难以控制，重复性差。粉末冶金法是一种成熟的制备工艺，将增强体颗粒与基体粉末按比例进行机械混合，然后经冷压、烧结或直接用混合粉进行热压、热挤、热轧等工艺。粉末冶金的制备过程中体积分数控制简单，所制备的复合材料中增强体分布均匀、晶粒较细；但生产成本高，制备周期长，工艺较为繁琐，且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险。喷射沉积法是将合金液在高压惰性气体喷射流的作用下雾化，同时将增强相喷入合金液流中，混合后共同喷射到基板上，并快速凝固。喷射沉积工艺所需的增强体的体积分数、粒度不受限制，界面反应少，界面结合强度高；但设备昂贵，增强体颗粒利用率低、成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有SiCp/Al复合材料制备方法存在的上述问题，提供一种SiC粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法。

本发明采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压氩气作为雾化推进气体，将雾化后的铝基材料和SiC颗粒沉积到经预处理过的衬底上，最终形成SiCp/Al复合材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对衬底表面进行除油除锈处理；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压氩气作为雾化推进气体在喷涂电压30V~35V，喷涂电流120A~220A，喷涂距离120mm~200mm，雾化推进气体压力0.5MPa~0.9MPa，喷涂角度75°~90°条件下制备碳化硅铝基复合材料；

第三步、按第二步的方法和条件喷涂至以实际工况条件确定喷涂复合材料的厚度，关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至400℃~420℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

进一步，所述第一步中衬底为钢制衬底。

进一步，所述第二步中喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径Φ为2mm~3 mm。

进一步，所述第二步中喷涂材料SiC粉芯铝丝材中SiC颗粒尺寸为20nm~200nm，含量占SiC粉芯铝丝材的15vol.%~30vol.%。

进一步，所述第二步中雾化推进气体为工业纯氩气。

进一步，所述第二步中工艺参数为喷涂电压32V~34V，喷涂电流140A~200A，喷涂距离140mm~180mm，雾化推进气体压力0.6MPa~0.8MPa。

进一步，所述第二步中工艺参数为喷涂电压33V，喷涂电流170A，喷涂距离160mm，雾化推进气体压力0.7MPa。

进一步，所述第三步中喷涂厚度5mm~25mm。

进一步，所述第四步中，将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至410℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明采用的碳化硅粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，工艺简单，采用工业纯氩气雾化，可以控制工艺气氛，最大程度地减少氧化，沉积坯中氧含量低，SiC偏析程度小，坯件致密度一般为理论密度的80~90%。该法可近终成形，直接形成接近零件实际形状的挤压、锻造或轧制坯件，甚至可直接作为零件使用。

（2）本发明碳化硅粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，所使用的碳化硅粉芯铝丝材加工制作容易，工业纯氩气市场供应充足，且该方法具有操作简便、适用性强的特点，便于推广使用。

（3）本发明充分利用了粉芯铝丝材制备碳化硅铝基复合材料能够合理控制SiC含量的优势，通过控制粉芯铝丝材中SiC含量，进而控制碳化硅铝基复合材料中SiC的含量，克服了喷射沉积方法SiC含量误差大且易偏析的不足，克服了粉末冶金方法需要粉末压制、烧结等繁琐工序以及设备成本较高等缺点；所使用的SiC粉芯铝丝材易于加工制作，价格低廉，丝材心部的SiC粉，增强了丝材的挺度，有利于电弧喷涂工艺的实施；使用纯氩气作为雾化推进气体，可以最大限度降低氧化；随后进行的热挤压工序，能够减少喷涂沉积的孔隙率及逐层扫描形成的层状组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

下述实施例中所用SiC粉芯铝丝材中SiC颗粒尺寸为20nm~200nm，含量占SiC粉芯铝丝材的15vol.%~30vol.%。

实施例1

厚度为10mm，边长尺寸为100mm×100mm的钢制衬底，在其表面以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压工业纯氩气作为雾化推进气体，电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对钢制衬底表面进行除油除锈，使之露出洁净的金属表面；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径为Φ2mm；用高压工业纯氩气作为雾化推进气体制备碳化硅铝基复合材料；喷涂工艺参数为：喷涂电压32V，喷涂电流130A，喷涂距离140mm，雾化推进气体压力0.6MPa，喷涂角度75°~90°；

第三步、按第二步的方法和条件重复喷涂，本实施例复合材料的厚度至8mm~10mm，关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至400℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

本发明实施例中对钢制衬底表面进行除油除锈处理可以采用现有对金属表面除油除锈处理的技术，例如可以采用碱溶液进行除油处理，采用喷丸进行除锈处理，该技术为现有技术，本文不再赘述。

实施例2

厚度为15mm，长、宽尺寸为150mm×100mm的钢制衬底，在其表面以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压工业纯氩气作为雾化推进气体，电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对钢制衬底表面进行除油除锈，使之露出洁净的金属表面；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径为Φ3mm；用高压工业纯氩气作为雾化推进气体制备碳化硅铝基复合材料；喷涂工艺参数为：喷涂电压33V，喷涂电流160A，喷涂距离160mm，雾化推进气体压力0.7MPa，喷涂角度75°~90°；

第三步、按第二步的方法和条件重复喷涂，本实施例复合材料的厚度至13mm~15mm；关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至410℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

实施例3

厚度为20mm，长、宽尺寸为200mm×150mm的钢制衬底，在其表面以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压工业纯氩气作为雾化推进气体，电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对钢制衬底表面进行除油除锈，使之露出洁净的金属表面；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径为Φ3mm；用高压工业纯氩气作为雾化推进气体制备碳化硅铝基复合材料；喷涂工艺参数为：喷涂电压34V，喷涂电流180A，喷涂距离180mm，雾化推进气体压力0.8MPa，喷涂角度75°~90°；

第三步、按第二步的方法和条件重复喷涂，本实施例复合材料的厚度至20mm~22mm；关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至420℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

实施例4

厚度为15mm，长、宽尺寸为150mm×150mm的钢制衬底，在其表面以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压工业纯氩气作为雾化推进气体，电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对钢制衬底表面进行除油除锈，使之露出洁净的金属表面；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径为Φ2mm；用高压工业纯氩气作为雾化推进气体制备碳化硅铝基复合材料；喷涂工艺参数为：喷涂电压30V，喷涂电流120A，喷涂距离120mm，雾化推进气体压力0.5MPa，喷涂角度75°~90°；

第三步、按第二步的方法和条件重复喷涂，本实施例复合材料的厚度至15mm~17mm；关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至400℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

实施例5

厚度为20mm，长、宽尺寸为200mm×200mm的钢制衬底，在其表面以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压工业纯氩气作为雾化推进气体，电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对钢制衬底表面进行除油除锈，使之露出洁净的金属表面；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径为Φ3mm；用高压工业纯氩气作为雾化推进气体制备碳化硅铝基复合材料；喷涂工艺参数为：喷涂电压35V，喷涂电流220A，喷涂距离200mm，雾化推进气体压力0.9MPa，喷涂角度75°~90°；

第三步、按第二步的方法和条件重复喷涂，本实施例复合材料的厚度至22mm~25mm；关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至420℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、对衬底表面进行除油除锈处理；

第二步、采用电弧喷涂工艺，以SiC粉芯铝丝材作为喷涂材料，用高压氩气作为雾化推进气体在喷涂电压30V~35V，喷涂电流120A~220A，喷涂距离120mm~200mm，雾化推进气体压力0.5MPa~0.9MPa，喷涂角度75°~90°条件下制备碳化硅铝基复合材料；

第三步、按第二步的方法和条件喷涂至以实际工况条件确定喷涂复合材料的厚度，关闭电弧电源，关闭高压氩气源；

第四步、将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至400℃~420℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第一步中衬底为钢制衬底。

3.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第二步中喷涂材料SiC粉芯铝丝材直径Φ为2mm~3 mm。

4.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第二步中喷涂材料SiC粉芯铝丝材中SiC颗粒尺寸为20nm~200nm，含量占SiC粉芯铝丝材的15vol.%~30vol.%。

5.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第二步中雾化推进气体为工业纯氩气。

6.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第二步中工艺参数为喷涂电压32V~34V，喷涂电流140A~200A，喷涂距离140mm~180mm，雾化推进气体压力0.6MPa~0.8MPa。

7.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第二步中工艺参数为喷涂电压33V，喷涂电流170A，喷涂距离160mm，雾化推进气体压力0.7MPa。

8.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第三步中喷涂厚度5mm~25mm。

9.根据权利要求1所述的粉芯铝丝材电弧喷涂制备碳化硅铝基复合材料的方法，其特征在于，所述第四步中，将第三步制备好的碳化硅铝基复合材料加热至410℃进行热挤压，即获得碳化硅铝基复合材料。