CN109732077B

CN109732077B - 一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭及其制备方法

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Publication number: CN109732077B
Application number: CN201910062136.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Ningbo Hesheng New Material Co ltd
Current assignee: Ningbo Hesheng New Material Co ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109732077A

Abstract

本发明涉及金属材料粉末冶金技术领域，具体涉及一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭及其制备方法。本发明采用三种不同粒径的铝合金粉搭配使用，铝合金超细粉和铝合金细粉能够填充铝合金粗粉之间的间隙，通过控制三者的配比，有利于提升坯锭的致密度；同时，铝合金超细粉和铝合金细粉与铝合金粗粉相比，具有更大的表面能，在特定配比范围内更有利于通过烧结法制备得到致密度高的坯锭。另外，本发明采用特定粒度和配比的碳化硅粉与铝合金粉搭配使用，能够更好地实现碳化硅在复合材料中的均匀分布，最大程度上提高增强效果。

Description

一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料粉末冶金技术领域，具体涉及一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭及其制备方法。

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。

目前，碳化硅增强铝基复合材料的制备方法包括铸造搅拌法、浸渗法或粉末冶金法，其中，粉末冶金法制备的碳化硅增强铝基复合材料存在致密度低的问题，现有技术中采用热压或热等静压的方式提高致密度，但却增加了工序，降低了生产效率，极大提高了设备资产投入，使制造成本大幅增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭及其制备方法，本发明提供的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的相对密度高达99％。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，由包括铝合金粉、碳化硅粉和烧结助剂的制备原料依次经球磨、冷等静压成型和真空无压烧结制备得到；

所述铝合金粉包括铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉，所述铝合金超细粉的D50为1～5μm，铝合金细粉的D50为8～12μm，铝合金粗粉的D50为20～60μm；所述铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉的质量比为(60～80)：(7～15)：(7～15)；

所述碳化硅粉的D50为0.4～20μm，添加量为所述铝合金粉质量的5～15％；

所述烧结助剂的添加量为所述铝合金粉质量的0.05～0.2％。

优选地，所述碳化硅粉包括碳化硅超细粉、碳化硅细粉和碳化硅粗粉，所述碳化硅超细粉的D50<6μm，碳化硅细粉的D50为6～12μm，碳化硅粗粉的D50>12μm。

优选地，以所述碳化硅粉的质量为100％计，所述碳化硅超细粉的质量含量为0～50％，所述碳化硅细粉的质量含量为50～100％，所述碳化硅粗粉的质量含量为0～20％。

优选地，所述烧结助剂包括Zn粉、SnCu合金粉和AlZn合金粉中的一种或两种。

优选地，所述坯锭的相对密度为97～99％。

本发明提供了上述技术方案所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金粉、碳化硅粉和烧结助剂进行球磨，得到混合球磨料；

将所述混合球磨料进行冷等静压成型，得到压坯；

将所述压坯进行真空无压烧结，得到全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭。

优选地，所述球磨的球料体积比为(1～4)：1，转速为15～40r/min，时间为2～6h。

优选地，所述冷等静压成型的压力为100～250MPa，保压时间为2～8min。

优选地，所述压坯的相对密度为75～85％。

优选地，所述真空无压烧结具体包括：

由室温经第一升温速率升温至200～300℃，保温30～120min；然后经第二升温速率升温至350～550℃，保温30～120min；最后经第三升温速率升温至600～640℃，保温120～600min；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。

本发明提供了一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，由包括铝合金粉、碳化硅粉和烧结助剂的制备原料依次经球磨、冷等静压成型和真空无压烧结制备得到；所述铝合金粉包括铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉，所述铝合金超细粉的D50为1～5μm，铝合金细粉的D50为8～12μm，铝合金粗粉的D50为20～60μm；所述铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉的质量比为(60～80)：(7～15)：(7～15)；所述碳化硅粉的D50为0.4～20μm，添加量为所述铝合金粉质量的5～15％；烧结助剂的添加量为所述铝合金粉质量的0.05～0.2％。本发明采用三种不同粒径的铝合金粉搭配使用，所述铝合金超细粉和铝合金细粉能够填充铝合金粗粉之间的间隙，通过控制三者的配比，有利于提升坯锭的致密度；同时，铝合金超细粉和铝合金细粉与铝合金粗粉相比，具有更大的表面能，在上述配比范围内更有利于通过烧结法制备得到致密度高的坯锭。另外，本发明采用上述粒度和添加量范围的碳化硅粉与铝合金粉搭配使用，能够更好地实现碳化硅在复合材料中的均匀分布，最大程度上提高增强效果。实施例的结果表明，本发明提供的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭在相对密度达99％基础上，其规格尺寸可达φ500×1000mm。

本发明提供了所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的制备方法，与现有工艺相比，无需进行热压烧结或热等静压致密化，从而降低了设备投入、简化了工序、提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明冷等静压成型过程中压坯密度与粉末间隙的关系示意图。

具体实施方式

所述烧结助剂的添加量为所述铝合金粉质量的0.05～0.2％。

本发明采用三种不同粒径的铝合金粉搭配使用，所述铝合金超细粉和铝合金细粉能够填充铝合金粗粉之间的间隙，通过控制三者的配比，有利于提升坯锭的致密度；同时，铝合金超细粉和铝合金细粉与铝合金粗粉相比，具有更大的表面能，在上述配比范围内更有利于通过烧结法制备得到致密度高的坯锭。另外，本发明采用上述粒度和添加量范围的碳化硅粉与铝合金粉搭配使用，能够更好地实现碳化硅在复合材料中的均匀分布，保证碳化硅与铝基体的界面之间具有良好的润湿性，最大程度上提高增强效果。

本发明提供的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的制备原料包括铝合金粉。本发明对于所述铝合金粉的具体种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铝合金粉即可；在本发明中，所述铝合金粉优选为铝硅镁系变形铝合金粉。在本发明中，所述铝合金粉包括铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉，所述铝合金超细粉的D50为1～5μm，优选为3～5μm，进一步优选为5μm；铝合金细粉的D50为8～12μm，优选为9～11μm，进一步优选为10μm；铝合金粗粉的D50为20～60μm，优选为20～40μm，进一步优选为20μm。在本发明中，所述铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉的质量比为(60～80)：(7～15)：(7～15)，优选为(63～72)：(9～13.5)：(9～13.5)。

本发明提供的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的制备原料包括碳化硅粉，所述碳化硅粉的D50为0.4～20μm，添加量为所述铝合金粉质量的5～15％，优选为8～12％。在本发明中，所述碳化硅粉优选包括碳化硅超细粉、碳化硅细粉和碳化硅粗粉，所述碳化硅超细粉的D50优选<6μm，更优选为4～5μm；碳化硅细粉的D50优选为6～12μm，更优选为8～10μm；碳化硅粗粉的D50优选>12μm，更优选为14～15μm。

在本发明中，以所述碳化硅粉的质量为100％计，所述碳化硅超细粉的质量含量优选为0～50％，更优选为20～50％；所述碳化硅细粉的质量含量优选为50～100％，更优选为50～80％，所述碳化硅粗粉的质量含量优选为0～20％，更优选为5～15％。

在本发明中，所述烧结助剂优选包括Zn粉、SnCu合金粉和AlZn合金粉中的一种或两种，更优选包括Zn粉、SnCu合金粉或AlZn合金粉。在本发明中，所述烧结助剂的粒度优选为5～40μm，更优选为15～30μm。

本发明提供的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的相对密度优选为97～99％。

将所述混合球磨料进行冷等静压成型，得到压坯；

本发明将铝合金粉、碳化硅粉和烧结助剂进行球磨，得到混合球磨料。在本发明中，所述球磨的球料体积比优选为(1～4)：1，更优选为(2～3)：1；转速优选为15～40r/min，更优选为30～40r/min；时间优选为2～6h，更优选为4～6h。

在本发明中，铝合金粉表面易形成氧化膜，阻隔了不同粉末金属之间的原子扩散，不易获得致密的烧结坯锭；本发明通过球磨将铝合金粉表面的氧化铝膜剥离并冷焊到铝合金中，露出新鲜的表层金属，提高了铝合金粉的表面活性，活化后的铝合金粉表面有利于烧结过程中粉末表面之间的原子扩散；但是如果铝合金粉在球磨过程中变形、冷焊严重，会导致铝合金粉球形度变差，进而降低铝合金粉的流动性，不利于获得致密度较高的坯锭。本发明在上述操作参数范围内进行球磨，能够保证各制备原料充分混合，同时还能够最大程度的保证铝合金粉的表面活性和球形度，为后续制备高致密度的坯锭奠定基础。

得到混合球磨料后，本发明将所述混合球磨料进行冷等静压成型，得到压坯。在本发明中，所述冷等静压成型的压力优选为100～250MPa，更优选为150～200MPa，保压时间优选为2～8min，更优选为2～5min。在本发明中，所述压坯的相对密度优选为75～85％。

在本发明中，所述压坯的相对密度关系到后续真空无压烧结后所得坯锭相对密度的高低，压坯密度如果过低会使得粉末之间间隙较大，后续烧结过程中烧结径难以长大、闭合和缩小(如图1a所示)；压坯密度如果过高会使得粉末之间的微小间隙完全变成闭孔，间隙间的空气和粉末表面吸附的微量结晶水难以顺利排出(如图1b所示)。本发明在上述制备原料的粒度和配比基础上，通过控制冷等静压成型的压力和保压时间，能够保证所述压坯的相对密度在75～85％范围内(如图1c所示)，保证后续能够获得最佳密度的坯锭。

得到压坯后，本发明将所述压坯进行真空无压烧结，得到全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭。在本发明中，所述真空无压烧结优选具体包括：由室温经第一升温速率升温至200～300℃，保温30～120min；然后经第二升温速率升温至350～550℃，保温30～120min；最后经第三升温速率升温至600～640℃，保温120～600min；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，所述真空无压烧结更优选具体包括：由室温经第一升温速率升温至200～250℃，保温30～50min；然后经第二升温速率升温至400～500℃，保温30～50min；最后经第三升温速率升温至630～640℃，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2～3℃/min。

在本发明中，所述真空无压烧结包括三个烧结阶段，首先在低温段保温，排出压坯中少量的水蒸气、结晶水及油类物质等；然后在中温段保温，使压坯受热均匀，并且有低温液相(SnCu液相、AlZn液相、Zn液相等)形成以促进烧结；最后将温度提升至高温段保温，压坯中形成足够多的液相，保证原子的充分扩散和烧结径的闭合长大，使烧结后的坯锭相对密度达到99％以上的全致密。

在本发明中，在所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的相对密度达99％基础上，其规格尺寸可达φ500×1000mm，解决了粉末冶金法制备大规格尺寸碳化硅增强铝基复合材料坯锭致密度低的难题。在本发明中，所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭可进行二次热加工(如挤压)，得到相对密度达100％的高性能铝合金复合材料构件。本发明对于所述热加工的操作参数没有特殊的限定，根据实际需要选择合适的操作参数即可。

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

按照表1中制备原料进行配料；

将配好的制备原料在滚筒式球磨机中进行球磨，得到混合球磨料；其中，球料体积比为3:1，转速为40r/min，球磨时间为4h；

将所述混合球磨料装入硅胶包套并密封，在150MPa条件下进行冷等静压成型，保压120s，得到压坯，相对密度为80％；

将所述压坯进行真空无压烧结，具体是以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，得到全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，相对密度为98.5％，规格尺寸为φ500×1000mm。

表1实施例1中制备原料配料表

实施例2

按照表2中制备原料进行配料；

将配好的制备原料在滚筒式球磨机中进行球磨，得到混合球磨料；其中，球料体积比为4:1，转速为40r/min，球磨时间为6h；

将所述混合球磨料装入硅胶包套并密封，在200MPa条件下进行冷等静压成型，保压120s，得到压坯，相对密度为75％；

将所述压坯进行真空无压烧结，具体是以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630℃，保温240min，得到全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，相对密度为97％，规格尺寸为φ500×1000mm。

表2实施例2中制备原料配料表

实施例3

按照表3中制备原料进行配料；

将配好的制备原料在滚筒式球磨机中进行球磨，得到混合球磨料；其中，球料体积比为2:1，转速为30r/min，球磨时间为4h；

将所述混合球磨料装入硅胶包套并密封，在200MPa条件下进行冷等静压成型，保压120s，得到压坯，相对密度为85％；

将所述压坯进行真空无压烧结，具体是以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，得到全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，相对密度为99％，规格尺寸为φ500×1000mm。

表3实施例3中制备原料配料表

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

1.一种全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，由包括铝合金粉、碳化硅粉和烧结助剂的制备原料依次经球磨、冷等静压成型和真空无压烧结制备得到；

所述铝合金粉包括铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉，所述铝合金超细粉的D50为1~5µm，铝合金细粉的D50为8~12µm，铝合金粗粉的D50为20~60µm；所述铝合金超细粉、铝合金细粉和铝合金粗粉的质量比为（60~80）：（7~15）：（7~15）；

所述碳化硅粉的D50为0.4~20µm，添加量为所述铝合金粉质量的5~15%；

所述烧结助剂的添加量为所述铝合金粉质量的0.05~0.2%；

所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的相对密度为97~99%。

2.根据权利要求1所述的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，其特征在于，所述碳化硅粉包括碳化硅超细粉、碳化硅细粉和碳化硅粗粉，所述碳化硅超细粉的D50<6µm，碳化硅细粉的D50为6~12µm，碳化硅粗粉的D50>12µm。

3.根据权利要求2所述的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，其特征在于，以所述碳化硅粉的质量为100%计，所述碳化硅超细粉的质量含量为0~50%，所述碳化硅细粉的质量含量为50~100%，所述碳化硅粗粉的质量含量为0~20%。

4.根据权利要求1所述的全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭，其特征在于，所述烧结助剂包括Zn粉、SnCu合金粉和AlZn合金粉中的一种或两种。

5.权利要求1~4任一项所述全致密碳化硅增强铝基复合材料坯锭的制备方法，包括以下步骤：

将所述混合球磨料进行冷等静压成型，得到压坯；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料体积比为（1~4）：1，转速为15~40r/min，时间为2~6h。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冷等静压成型的压力为100~250MPa，保压时间为2~8min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述压坯的相对密度为75~85%。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空无压烧结具体包括：

由室温经第一升温速率升温至200~300℃，保温30~120min；然后经第二升温速率升温至350~550℃，保温30~120min；最后经第三升温速率升温至600~640℃，保温120~600min；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。