CN109576522B - 一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法。本发明采用特定配比和粒度的原料制备碳化硅增强铝基复合材料，能够使材料微观上增强体颗粒呈均匀分布、宏观上“软”、“硬”相层状分布，最大限度消除增强体颗粒因微观团聚所形成的缺陷源，同时利用“软”、“硬”相层状结构阻碍受载荷下的裂纹扩展，最终使碳化硅增强铝基复合材料的塑性得到明显改善，断后延伸率与同基体成分的铝合金相当。本发明提供的制备方法中真空烧结的温度远低于碳化硅颗粒与铝基体的反应温度(约为690℃)，增强体与铝基体结合好、无Al4C3脆性相产生，热加工后延伸率高。

Description

一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀以及成型性能好等优点，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。近年来，工业设计、制造以及应用对金属材料性能的要求越来越高，以铝等轻金属为基体的碳化硅增强复合材料因其密度低，高比模量、高比强度，还兼具低热膨胀系数、耐磨等功能特性，已成为军事国防、航天航空等高技术领域不可缺少的轻量化结构材料和功能材料，并在交通、电子、能源、环境等国民经济和高新技术领域获得了越来越多的应用。但碳化硅增强铝基复合材料也存在着一直以来难以克服的缺点，那就是碳化硅颗粒容易形成微观团聚，且塑性和冲击韧性偏低，呈现脆性材料特征，因此难以用做承受动载荷的结构材料，使其应用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法，本发明提供的碳化硅增强铝基复合材料中几乎不存在碳化硅颗粒的微观团聚，碳化硅分布呈空间有序结构排布；且材料具有优异的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种碳化硅增强铝基复合材料，制备原料包括铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉，所述铝合金粗粉和铝合金细粉的质量比为(1～5)：1，所述碳化硅粉在所述碳化硅增强铝基复合材料中的质量含量为5～20％；所述铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉的粒径比为(1.5～5)：1：(0.75～3)，且所述铝合金粗粉的D50≤80μm，铝合金细粉的D50≥5μm。
优选地，所述铝合金粗粉的D50为40～60μm，铝合金细粉的D50为10～20μm，碳化硅粉的D50为10～20μm。
优选地，所述铝合金粗粉和铝合金细粉为相同牌号的铝合金粉，包括6061铝合金粉、6063铝合金粉或6082铝合金粉。
本发明提供了上述技术方案所述碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次进行等静压成型、真空烧结、挤压成型和热处理，得到碳化硅增强铝基复合材料；其中，所述真空烧结采用阶梯加热式保温方式进行，所述阶梯加热的最高温度为550～650℃。
优选地，所述混合在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速为20～30r/min。
优选地，所述等静压成型的压力为100～200MPa，保压时间为120～600s。
优选地，所述真空烧结具体包括：
由室温经第一升温速率升温至100～200℃，保温50～100min；然后经第二升温速率升温至400～500℃，保温50～100min；最后经第三升温速率升温至550～650℃，保温120～240min；所述第一升温速率、第二升温速率和第三升温速率独立地为2～5℃/min。
优选地，所述挤压成型的挤压温度为480～520℃，挤压比为20～50。
优选地，所述热处理包括依次进行的淬火和时效。
优选地，所述淬火包括在线淬火或离线淬火；所述时效的温度为160～170℃，保温时间为10～15h。
本发明提供了一种碳化硅增强铝基复合材料，制备原料包括铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉，所述铝合金粗粉和铝合金细粉的质量比为(1～5)：1，所述碳化硅粉在所述碳化硅增强铝基复合材料中的质量含量为5～20％；所述铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉的粒径比为(1.5～5)：1：(0.75～3)，所述铝合金粗粉的D50≤80μm，铝合金细粉的D50≥5μm。本发明采用上述配比和粒度的原料制备碳化硅增强铝基复合材料，能够使材料微观上增强体颗粒(碳化硅粉)呈均匀分布、宏观上“软”相(铝合金粗粉形成“软”相)与“硬”相(铝合金粗粉之间的碳化硅与铝合金细粉混合物形成“硬”相)层状分布，最大限度消除增强体颗粒因微观团聚所形成的缺陷源，同时利用“软”、“硬”相层状结构阻碍受载荷下的裂纹扩展，最终使碳化硅增强铝基复合材料的塑性得到明显改善，断后延伸率与同基体成分的铝合金相当。
本发明提供了所述碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，本发明提供的制备方法中真空烧结的温度远低于碳化硅颗粒与铝基体的反应温度(约为690℃)，增强体与铝基体结合好、无Al4C3脆性相产生，热加工后延伸率高。
附图说明
图1为本发明中铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合后所得混合物料中各组分分布示意图；
图2为本发明中等静压成型后所得压坯中各组分分布示意图；
图3为本发明中真空烧结后所得坯锭中各组分分布示意图；
图4为本发明制备得到的碳化硅增强铝基复合材料中各组分的分布示意图；
图5为本发明制备得到的碳化硅增强铝基复合材料的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种碳化硅增强铝基复合材料，制备原料包括铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉，所述铝合金粗粉和铝合金细粉的质量比为(1～5)：1，所述碳化硅粉在所述碳化硅增强铝基复合材料中的质量含量为5～20％；所述铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉的粒径比为(1.5～5)：1：(0.75～3)，且所述铝合金粗粉的D50≤80μm，铝合金细粉的D50≥5μm。
在本发明中，所述碳化硅增强铝基复合材料的制备原料包括铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉；所述铝合金粗粉和铝合金细粉的质量比为(1～5)：1，优选为(3～5)：1；所述碳化硅粉在所述碳化硅增强铝基复合材料中的质量含量为5～20％，优选为5～10％。
在本发明中，所述铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉的粒径比为(1.5～5)：1：(0.75～3)，优选为(2～4)：1：(1～2)。在本发明中，所述铝合金粗粉的D50≤80μm，优选为40～60μm；铝合金细粉的D50≥5μm，优选为10～20μm；碳化硅粉的D50优选为10～20μm，更优选为15μm。
本发明采用上述配比和粒度的原料制备碳化硅增强铝基复合材料，能够使材料微观上增强体颗粒(碳化硅粉)呈空间有序结构排布、宏观上“软”、“硬”相层状分布，最大限度消除增强体颗粒因微观团聚所形成的缺陷源，同时利用“软”、“硬”相层状结构阻碍受载荷下的裂纹扩展，最终使碳化硅增强铝基复合材料的塑性得到明显改善，断后延伸率与同基体成分的铝合金相当。
本发明对于所述铝合金粗粉和铝合金细粉的种类或牌号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铝合金粉即可；在本发明中，所述铝合金粗粉和铝合金细粉为相同牌号的铝合金粉，优选包括6061铝合金粉、6063铝合金粉或6082铝合金粉。
本发明提供了上述技术方案所述碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次进行等静压成型、真空烧结、挤压成型和热处理，得到碳化硅增强铝基复合材料；其中，所述真空烧结采用阶梯加热式保温方式进行，所述阶梯加热的最高温度为550～650℃。
本发明将铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合，得到混合物料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为20～30r/min。在本发明中，所述混合优选采用“三维混料”方式，具体是利用滚筒和搅拌桨同时转动进行混合，并控制滚筒旋转方向与搅拌浆旋转方向相反。在本发明中，所述混合过程中投料顺序优选是先将铝合金细粉和碳化硅粉混合，然后将所得体系与铝合金粗粉混合；具体是在20～30r/min搅拌速率条件下，将铝合金细粉和碳化硅粉混合2～4h，然后向所得体系中加入铝合金粗粉，继续在20～30r/min搅拌速率条件下混合2～4h。采用本发明提供的混料方式，能够保证各制备原料充分混合。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料依次进行等静压成型、真空烧结、挤压成型和热处理，得到碳化硅增强铝基复合材料。在本发明中，所述等静压成型的压力优选为100～200MPa，更优选为130～170MPa，进一步优选为150MPa；保压时间优选为120～600s，更优选为120～400s，进一步优选为120s。在本发明中，在等静压成型过程中，碳化硅粉与铝合金细粉填充在铝合金粗粉之间的空隙中，保证了压坯密度，同时碳化硅粉之间被铝合金细粉隔开，碳化硅粉分布更为均匀，无微观团聚现象。
在本发明中，真空烧结优选具体包括：由室温经第一升温速率升温至100～200℃，保温50～100min；然后经第二升温速率升温至400～500℃，保温50～100min；最后经第三升温速率升温至550～650℃，保温120～240min；所述第一升温速率、第二升温速率和第三升温速率独立地为2～5℃/min。在本发明中，所述真空烧结更优选具体包括：由室温经第一升温速率升温至130～170℃，保温50～70min；然后经第二升温速率升温至430～470℃，保温50～70min；最后经第三升温速率升温至600～650℃，保温180～240min；所述第一升温速率、第二升温速率和第三升温速率独立地为2～3℃/min。在本发明中，在真空烧结过程中，碳化硅粉在体系中形成了局部的偏聚区(“硬”相)，铝合金粗粉形成了基体区(“软”相)；但偏聚区内的碳化硅粉被铝合金细粉隔开，因此没有产生微观的碳化硅粉聚集现象。同时，真空烧结的温度远低于碳化硅颗粒与铝基体的反应温度，增强体与铝基体结合好、无Al4C3脆性相产生，热加工后延伸率高。
在本发明中，所述挤压成型的挤压温度优选为480～520℃，更优选为500～510℃；挤压比优选为20～50，更优选为30～50。在本发明中，经挤压成型后，铝合金粗粉位置形成了“软”相，铝合金粗粉间隙之间的碳化硅粉与铝合金细粉混合物形成“硬”相；同时“硬”相之中的碳化硅粉之间由于被铝合金细粉隔开，且在挤压流变的作用下，几乎不存在碳化硅粉的微观团聚，碳化硅分布呈空间有序结构排布。
在本发明中，所述热处理优选包括依次进行的淬火和时效。在本发明中，所述淬火优选包括在线淬火或离线淬火；所述时效的温度优选为160～170℃，更优选为165℃；保温时间优选为10～15h，更优选为12h。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备原料包括D50＝60μm的6061铝合金粗粉、D50＝20μm的6061铝合金细粉、D50＝20μm的碳化硅粉，质量比为7.5：1.5：1；
在30r/min搅拌速率条件下，将所述铝合金细粉与碳化硅粉混合4h，然后向所得体系中加入所述铝合金粗粉，继续在30r/min搅拌速率条件下混合4h，得到混合物料；
将所述混合物料装入硅胶包套并密封，然后在150MPa条件下保压120s进行等静压成型，得到压坯；
将所述压坯进行真空烧结，具体包括：以2℃/min升温速率由室温升温至150℃，保温50min；然后以2℃/min升温速率升温至400℃，保温50min；最后以2℃/min升温速率升温至620℃，保温240min，得到坯锭；
将所述坯锭在500℃条件下进行挤压，挤压比为30，然后采用在线淬火，最后在165℃条件下保温12h，得到碳化硅增强铝基复合材料。
图1为本发明中铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合后所得混合物料中各组分分布示意图。由图1可知，各制备原料充分混合在一起。
图2为本发明中等静压成型后所得压坯中各组分分布示意图。由图2可知，碳化硅粉与铝合金细粉填充在铝合金粗粉之间的空隙中，保证了压坯密度，同时碳化硅粉之间被铝合金细粉隔开，碳化硅粉分布更为均匀，无微观团聚现象。
图3为本发明中真空烧结后所得坯锭中各组分分布示意图。由图3可知，碳化硅粉和铝合金细粉在体系中形成了局部的偏聚区(“硬”相)，铝合金粗粉形成了基体区(“软”相)；但偏聚区内的碳化硅粉被铝合金细粉隔开，因此没有产生微观的碳化硅粉聚集现象。
图4为本发明制备得到的碳化硅增强铝基复合材料中各组分的分布示意图。由图4可知，本发明中经挤压成型后，铝合金粗粉位置形成了“软”相，铝合金粗粉间隙之间的碳化硅粉与铝合金细粉混合物形成“硬”相；同时“硬”相之中的碳化硅粉之间由于被铝合金细粉隔开，且在挤压流变的作用下，几乎不存在碳化硅粉的微观团聚，碳化硅呈空间有序结构排布。
图5为本发明制备得到的碳化硅增强铝基复合材料的XRD图。由图5可知，本发明提供的碳化硅增强铝基复合材料中没有Al4C3脆性相，这是因为本发明在制备过程中所述真空烧结的温度远低于碳化硅颗粒与铝基体的反应温度，不会产生脆性的Al4C3。因此，本发明提供的复合材料中增强体与铝基体结合好、无Al4C3脆性相产生，热加工后延伸率高。
按照GB/T288.1-2010规定的方法对本实施例制备的碳化硅增强铝基复合材料(6061+10％SiC)T6态力学性能进行测试，并与相同基体成分的铝合金(6061)进行比较，结果见表1。由表1可知，与相同基体成分的铝合金相比，本实施例制备的碳化硅增强铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量均提升30％左右，延伸率基本相当。
表1碳化硅增强铝基复合材料与相同基体成分铝合金的力学性能测试结果
Figure BDA0001954481470000071
实施例2
制备原料包括D50＝40μm的6061铝合金粗粉、D50＝10μm的6061铝合金细粉、D50＝10μm的碳化硅粉，质量比为7.5：1.5：1；
在30r/min搅拌速率条件下，将所述铝合金细粉与碳化硅粉混合4h，然后向所得体系中加入所述铝合金粗粉，继续在30r/min搅拌速率条件下混合4h，得到混合物料；
将所述混合物料装入硅胶包套并密封，然后在200MPa条件下保压120s进行等静压成型，得到压坯；
将所述压坯进行真空烧结，具体包括：以2℃/min升温速率由室温升温至200℃，保温50min；然后以2℃/min升温速率升温至400℃，保温50min；最后以2℃/min升温速率升温至630℃，保温240min，得到坯锭；
将所述坯锭在510℃条件下进行挤压，挤压比为30，然后采用在线淬火，最后在165℃条件下保温12h，得到碳化硅增强铝基复合材料。
按照实施例1的方法对本实施例制备的碳化硅增强铝基复合材料进行表征和性能测试，结果与实施例1基本一致。
实施例3
制备原料包括D50＝60μm的6061铝合金粗粉、D50＝20μm的6061铝合金细粉、D50＝20μm的碳化硅粉，质量比为6：2：2；
在20r/min搅拌速率条件下，将所述铝合金细粉与碳化硅粉混合2h，然后向所得体系中加入所述铝合金粗粉，继续在20r/min搅拌速率条件下混合2h，得到混合物料；
将所述混合物料装入硅胶包套并密封，然后在150MPa条件下保压120s进行等静压成型，得到压坯；
将所述压坯进行真空烧结，具体包括：以2℃/min升温速率由室温升温至150℃，保温50min；然后以2℃/min升温速率升温至500℃，保温50min；最后以2℃/min升温速率升温至620℃，保温180min，得到坯锭；
将所述坯锭在510℃条件下进行挤压，挤压比为30，然后采用在线淬火，最后在165℃条件下保温12h，得到碳化硅增强铝基复合材料。
按照实施例1的方法对本实施例制备的碳化硅增强铝基复合材料进行表征和性能测试，结果与实施例1基本一致。
实施例4
制备原料包括D50＝40μm的6061铝合金粗粉、D50＝20μm的6061铝合金细粉、D50＝15μm的碳化硅粉，质量比为15.2：3.8：1；
在20r/min搅拌速率条件下，将所述铝合金细粉与碳化硅粉混合2h，然后向所得体系中加入所述铝合金粗粉，继续在20r/min搅拌速率条件下混合2h，得到混合物料；
将所述混合物料装入硅胶包套并密封，然后在200MPa条件下保压120s进行等静压成型，得到压坯；
将所述压坯进行真空烧结，具体包括：以2℃/min升温速率由室温升温至200℃，保温50min；然后以2℃/min升温速率升温至500℃，保温50min；最后以2℃/min升温速率升温至620℃，保温240min，得到坯锭；
将所述坯锭在510℃条件下进行挤压，挤压比为30，然后采用在线淬火，最后在165℃条件下保温12h，得到碳化硅增强铝基复合材料。
按照实施例1的方法对本实施例制备的碳化硅增强铝基复合材料进行表征和性能测试，结果与实施例1基本一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳化硅增强铝基复合材料，制备原料包括铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉，所述铝合金粗粉和铝合金细粉的质量比为（1~5）：1，所述碳化硅粉在所述碳化硅增强铝基复合材料中的质量含量为5~20%；所述铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉的粒径比为（1.5~5）：1：（0.75~3），且所述铝合金粗粉的D50为40~60μm，铝合金细粉的D50为10~20μm，碳化硅粉的D50为10~20μm。
2.根据权利要求1所述的碳化硅增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金粗粉和铝合金细粉为相同牌号的铝合金粉。
3.根据权利要求2所述的碳化硅增强铝基复合材料，其特征在于，所述相同牌号的铝合金粉包括6061铝合金粉、6063铝合金粉或6082铝合金粉。
4.权利要求1~3任一项所述碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将铝合金粗粉、铝合金细粉和碳化硅粉混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次进行等静压成型、真空烧结、挤压成型和热处理，得到碳化硅增强铝基复合材料；其中，所述真空烧结采用阶梯加热式保温方式进行，所述阶梯加热的最高温度为550~650℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速为20~30r/min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述等静压成型的压力为100~200MPa，保压时间为120~600s。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结具体包括：
由室温经第一升温速率升温至100~200℃，保温50~100min；然后经第二升温速率升温至400~500℃，保温50~100min；最后经第三升温速率升温至550~650℃，保温120~240min；所述第一升温速率、第二升温速率和第三升温速率独立地为2~5℃/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述挤压成型的挤压温度为480~520℃，挤压比为20~50。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括依次进行的淬火和时效。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述淬火包括在线淬火或离线淬火；所述时效的温度为160~170℃，保温时间为10~15h。
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