CN109822077A - 一种挤压浸渗法制备SiC3D/Al复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料的方法，采用可溶性陶瓷作为制备复合材料的辅助模具，利用挤压浸渗技术，将熔融Al快速填充至多孔SiC预制体的孔隙中并施以较高的机械压力，待液态Al凝固后冷却至室温，再投入到足量热水中并附加机械振动，利用可溶性陶瓷辅助模具在水中易溃散的特性，完成脱模，最后去除多余的Al料，即得到SiC_3D/Al复合材料。本发明所述的方法能够提高了SiC_3D/Al复合材料的生产效率，而可溶性陶瓷辅助模具的应用解决了现有辅助模具脱模困难、成本较高且在取出复合材料过程中需要大量机加工的问题。本发明为SiC_3D/Al复合材料产业化生产提供了一种有效的方法。

Description

一种挤压浸渗法制备SiC3D/Al复合材料的方法

技术领域

本发明涉及复合材料的制备技术领域，更具体地，涉及一种挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料的方法。

背景技术

三维连续网络结构SiC/Al复合材料(简称SiC_3D/Al复合材料)因具有质量轻、耐磨性好、热膨胀系数低等优良特点，在汽车工业、电子封装及军事工业等重要领域得具有良好的应用前景。

目前，SiC_3D/Al复合材料的制备主要采用熔体浸渗法，根据熔体SiC浸渗过程中有无压力和浸渗时间的长短，可将该种制备方法分为三类，即无压浸渗法、真空压力浸渗法和挤压浸渗法，而真空压力浸渗法又分为正压法及反压法。为保证制备的SiC_3D/Al复合材料具有较高的致密度，确保其具有较高的力学性能。因此，通常选用真空压力浸渗法和挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料。

相比于真空压力浸渗法，挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料具有制备效率高、工艺稳定、自动化程度高等显著优势，因此，挤压浸渗法适用于SiC_3D/Al复合材料的工业化生产。对于挤压浸渗法，除了使用钢制模具(用于构成定模和动模)外，也会使用辅助模具。辅助模具一方面能有效减缓熔融Al液对多孔SiC预制体的热冲击，另一方面在凝固冷却时可以分担一部分由Al或Al合金与SiC热膨胀系数不匹配所产生的热应力，从而抑制SiC_3D/Al复合材料的开裂，起到保护SiC_3D/Al复合材料的作用。

目前，挤压浸渗法所用使用的辅助模具材料为低碳钢，但因低碳钢辅助模具与熔融Al在挤压浸渗过程中，易形成冶金结合，使得低碳钢辅助模具脱模较为困难，需要后续大量机械加工才能实现脱模。同时，低碳钢辅助模具在制备过程中需要焊接、打孔等加工，这就增加了辅助模具的加工成本同时降低了制备效率，间接地造成SiC_3D/Al复合材料制备成本过高。因此，急需采用一种新的脱模效果好、生产效率高、制备成本较低的挤压浸渗方法来制备SiC_3D/Al复合材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料时，采用的低碳钢辅助模具脱模困难、后续机加工量大的技术不足，以可溶性陶瓷模具代替现有低碳钢辅助模具，提供一种脱模方便、工艺相对简单的挤压浸渗法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：

S1.分别制备可溶性陶瓷辅助模具，用于挤压浸渗的钢制模具；

S2.将多孔SiC预制体放入所述可溶性陶瓷辅助模具内后，转移至钢制模具的定模内，然后合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗；

S3.利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的料筒处，随后料筒移动至所述浇注系统下方；熔融Al液在料筒中锤头的推动下，填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在保持机械压力作用下，冷却凝固形成复合材料毛坯铸件；

S4.开模，取出复合材料毛坯铸件，降温冷却至室温；

S5.将所述复合材料毛坯铸件放入353～373K热水中，去除所述可溶性陶瓷辅助模具，去除复合材料毛坯铸件表面多余的Al，得到SiC_3D/Al复合材料。

进一步地，步骤S1中，所述可溶性陶瓷辅助模具采用包括以下原料制成：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、无水磷酸钠、聚乙二醇、氧化钙；所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、无水磷酸钠、聚乙二醇、氧化钙的质量比为85:10:3:10:12:3。

进一步地，所述可溶性陶瓷辅助模具采用压制烧结法制备而成；所述压制烧结法的烧结温度为1673K，烧结压力为3MPa，烧结时间为30min。

进一步地，步骤S2中，在将所述可溶性陶瓷辅助模具转移至钢制模具前，先对所述含多孔SiC预制体的可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具进行预热。

更进一步地，步骤S2中，所述SiC预制体和所述可溶性陶瓷辅助模具的预热温度为973～1073K，预热保温20～40min；所述钢制模具的钢制动模和定模模芯的预热温度为523～573K。

更进一步地，步骤S2中，所述可溶性陶瓷辅助模具转移至所述钢制模具的定模型腔内，在合模前，所述可溶性陶瓷辅助模具的温度为873～943K。

为保证多孔SiC预制体能够顺利放入，进一步地，在步骤S1中，所述可溶性陶瓷辅助模具的内壁与多孔SiC预制体间留有0.5～1.0mm间隙。

为更好地保证液态Al液能顺利地透过所述可溶性陶瓷辅助模具完成对SiC预制体的浸渗，同时，又要充分考虑到可溶性陶瓷辅助模具所受应力，进一步地，所述可溶性陶瓷辅助模具壁厚≥5mm，且所述可溶性陶瓷辅助模具的面板沿Al液的浸渗方向上设计引流孔，所述引流孔占所述可溶性陶瓷辅助模具的面板面积的20％～30％。

同样，为保证可溶性陶瓷辅助模具顺利地转移至钢制模具，进一步地，所述钢制模具定模的型腔与所述可溶性陶瓷辅助模具之间预留0.5-1.0mm的间隙。所述浇注系统还包括溢流槽、排气槽和渣包等常规挤压铸造模具部件。

进一步地，步骤S1中，根据所需SiC_3D/Al复合材料工件结构和外形尺寸，分别设计和制备可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具的结构和尺寸。

由上述方法制备得到的所述可溶性陶瓷辅助模具的三点弯曲强度≥50MPa；所述可溶性陶瓷辅助模具在≤1073K下不与熔融的Al及其合金发生显著的化学反应。所述可溶性陶瓷辅助模具能在水中溃散，便于脱模。

本发明所述熔融Al液由金属Al或Al合金熔炼而得到。其中，所述Al合金为常用铸造Al合金，常用铸造Al合金包括Al-Si合金、Al-Cu合金。进一步地，步骤S3中，所述熔炼炉子的熔炼温度为973～1073K。

进一步地，步骤S3中，所述料筒中锤头的压射速度为0.1～0.5m/s，锤头所施加的压射力为50～80MPa，并保持压力直至Al液完全凝固。

进一步地，步骤S4中，开模后，当复合材料毛坯铸件的温度降至693～753K K时，将复合材料毛坯铸件转移至保温炉内，在693～753K温度下保温10～20min，然后以2～3K/min的降温速度冷却至室温。

进一步地，所述步骤S5中，利用机加工去除复合材料毛坯铸件的料柄、渣包等大块余料后，将所述复合材料毛坯铸件投入到353～373K的足量热水中，附加以机械振动，待可溶性陶瓷辅助模具在水中溃散后，去除复合材料毛坯铸件表面多余的Al，即得到所制备的SiC_3D/Al复合材料。

进一步地，所述多孔SiC预制体的通孔孔隙率为10～50vol.％，闭孔孔隙率≤0.5vol.％，平均孔隙直径≥25μm，所述多孔SiC预制体块体厚度≤15mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明对挤压浸渗法进行改进，采用一次烧结的可溶性陶瓷作为用于制备SiC_3D/Al复合材料的辅助模具，所述可溶性陶瓷辅助模具与熔融Al液的浸润性较差，利于冷却后的脱模，同时其在水中容易溃散，与现有辅助模具相比较而言，其脱模效率大幅度提高。此外，可溶性陶瓷基辅助模具的制备原料价格低廉，其制备工艺成熟稳定，制备模具时能够一次成型，无需后续加工。因此，本发明所述方法能够有效降低SiC_3D/Al复合材料的制备成本，提高生产效率。

附图说明

图1SHC-350A间接卧式挤压铸造机挤压浸渗工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

三点弯曲强度的测试条件及方法参照《中华人民共和国航空行业标准熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第3部分：抗弯强度测的测定》(HB 5353.3-2004)。

可溶性陶瓷收缩率测试条件及方法参照《中华人民共和国航空行业标准熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第2部分：烧成收缩率的测定》(HB 5353.2-2004)。

在以下实施例中，所采用到的模具及设备的参数如下：

多孔SiC预制体尺寸为80×80×6mm³。钢制模具的定模型腔尺寸：87×92×18mm³(放置预制体处)(动模型腔尺寸为87×92×18mm³)；

可溶性陶瓷基辅助模具的配方：电熔刚玉粉(HB5347-1986)、石英粉(325目)、锆砂(HB5349-1986)、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)质量比为85:10:3:10:12:3；制备方法：压制烧结，压力为3.0MPa，烧结温度1673K，烧结时间30min。所制得的可溶性陶瓷辅助模具，收缩适中，变形小，经测试，三点弯曲强度为52.5MPa，在≤1073K下不与熔融的Al及其合金发生显著的化学反应，且易在水中溃散，能够满足挤压浸渗法的需求(收缩适中，变形小，三点弯曲强度大于50MPa)。

挤压浸渗设备：三基SCH-350A卧式挤压铸造机。卧式挤压铸造机的挤压浸渗工艺流程如图1所示。

实施例1

制备SiC_3D/Al复合材料(在本实施例中为Al为ZL102，即SiC_3D/Al复合材料为SiC_3D/ZL102)。

SiC_3D/Al复合材料按照以下步骤制备：

S1.根据所需SiC_3D/Al复合材料工件结构和外形尺寸，分别设计可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具的结构和尺寸，加工制备可溶性陶瓷辅助模具和钢制模具。

为保证多孔SiC预制体能够顺利放入，可溶性陶瓷辅助模具内壁与多孔SiC预制体间留有0.5-1.0mm间隙；可溶性陶瓷辅助模具的壁厚≥5mm而且在可溶性陶瓷辅助模具的Al液的浸渗方向上设计引流孔，引流孔所占面板的面积的20％～30％。钢制模具的型腔与辅助模具之间预留0.5-1.0mm的间隙。

S2.多孔SiC预制体放入可溶性陶瓷辅助模具内后，将其一同加热至指点温度预热；待预热保温结束后，将其迅速转移至挤压铸造机已经预热的钢制模具的定模内，然后迅速合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗。

S3.利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的倾斜的料筒处，随后料筒复位至浇注系统下方，熔融Al液在料筒中锤头的推动下，以一定速率填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在机械压力作用下冷却凝固形成复合材料毛坯铸件。

S4.待Al合金完全凝固后再开模，使得动、定模具分开，随后借助钢制模具上的顶出机构顶出复合材料毛坯铸件。然后将复合材料毛坯铸件迅速转移至保温炉内，再以一定速率降温冷却至室温。

S5.将复合材料毛坯铸件放入足量的353～373K热水中，并附加机械振动，去除可溶性陶瓷辅助模具。待可溶性陶瓷辅助模具全部在水中溃散后，然后再利用机加工方法，去除复合材料毛坯铸件表面多余的Al料，得到最终的SiC_3D/Al复合材料。

以上各步骤的参数：

在本实施例中，所使用的多孔SiC预制体的体积密度为2.86g/cm³；平均孔径为50μm，开孔孔隙率10.3vol％，闭孔孔隙率为0.3vol.％。

ZL102熔融温度：1073K。

在本实施例中，SiC预制体和辅助模具预热温度：1073K，保温40min，钢制模具预热温度：573K；合模前SiC预制体和辅助模具温度：943K。

在本实施例中，锤头移动速度：0.2m/s；压射力：70MPa。

在本实施例中，开模后SiC预制体和可溶性陶瓷辅助模具温度：693K，保温炉693K保温20min，冷速2K/min。

制备完成后，对SiC_3D/Al复合材料质量检测：表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.952，可知所得SiC_3D/Al复合材料为合格产品。

实施例2

制备SiC_3D/Al复合材料(在本实施例中为Al为ZL201，即SiC_3D/Al复合材料为SiC_3D/ZL201)。

SiC_3D/Al复合材料按照以下步骤制备：

S1.根据所需SiC_3D/Al复合材料工件结构和外形尺寸，分别设计可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具的结构和尺寸，加工制备可溶性陶瓷辅助模具和钢制模具。

为保证多孔SiC预制体能够顺利放入，可溶性陶瓷辅助模具内壁与多孔SiC预制体间留有0.5-1.0mm间隙；可溶性陶瓷辅助模具的壁厚≥5mm而且在可溶性陶瓷辅助模具的Al液的浸渗方向上设计引流孔，引流孔所占面板的面积的20％～30％。钢制模具的型腔与辅助模具之间预留0.5-1.0mm的间隙。

S2.多孔SiC预制体放入可溶性陶瓷辅助模具内后，将其一同加热至指点温度预热；待预热保温结束后，将其迅速转移至挤压铸造机已经预热的钢制模具的定模内，然后迅速合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗。

S3.利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的倾斜的料筒处，随后料筒复位至浇注系统下方，熔融Al液在料筒中锤头的推动下，以一定速率填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在机械压力作用下冷却凝固形成坯料。

S4.待Al合金完全凝固后再开模，使得动、定模具分开，随后借助钢制模具上的顶出机构顶出复合材料毛坯铸件。然后将复合材料毛坯铸件迅速转移至保温炉内，再以一定速率降温冷却至室温。

S5.将复合材料毛坯铸件放入足量的353～373K热水中，并附加机械振动，去除可溶性陶瓷辅助模具。待可溶性陶瓷辅助模具全部在水中溃散后，然后再利用机加工方法，去除复合材料毛坯铸件表面多余Al料，得到最终的SiC_3D/Al复合材料。

以上各步骤的参数：

在本实施例中，所使用的多孔SiC预制体的体积密度为1.606g/cm³；平均孔径为450μm，开孔孔隙率49.3vol％，闭孔孔隙率为0.5vol.％。

ZL201熔融温度：973K。

在本实施例中，SiC预制体和辅助模具预热温度：973K，保温30min，钢制模具预热温度：523K；合模前SiC预制体和辅助模具温度：873K。

在本实施例中，锤头移动速度：0.5m/s；压射力：80MPa。

在本实施例中，开模后SiC和可溶性陶瓷辅助模具温度：753K，转移保温炉753K保温20min，冷速3K/min。

制备完成后，对SiC_3D/Al复合材料质量检测：表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.950，可知所得SiC_3D/Al复合材料为合格产品。

实施例3

制备SiC_3D/Al复合材料(在本实施例中为Al为ZL101，即SiC_3D/Al复合材料为SiC_3D/ZL101)。

SiC_3D/Al复合材料按照以下步骤制备：

S1.根据所需SiC_3D/Al复合材料工件结构和外形尺寸，分别设计可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具的结构和尺寸，加工制备可溶性陶瓷辅助模具和钢制模具。

为保证多孔SiC预制体能够顺利放入，可溶性陶瓷辅助模具内壁与多孔SiC预制体间留有0.5-1.0mm间隙；可溶性陶瓷辅助模具的壁厚≥5mm而且在可溶性陶瓷辅助模具的Al液的浸渗方向上设计引流孔，引流孔所占面板的面积的20％～30％。钢制模具的型腔与辅助模具之间预留0.5-1.0mm的间隙。

S2.多孔SiC预制体放入可溶性陶瓷辅助模具内后，将其一同加热至指点温度预热；待预热保温结束后，将其迅速转移至挤压铸造机已经预热的钢制模具的定模内，然后迅速合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗。

S3.利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的倾斜的料筒处，随后料筒复位至浇注系统下方，熔融Al液在料筒中锤头的推动下，以一定速率填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在机械压力作用下冷却凝固形成复合材料毛坯铸件。

S4.待Al合金完全凝固后再开模，使得动定模具分开，随后借助钢制模具上的顶出机构顶出复合材料毛坯铸件。然后将复合材料毛坯铸件迅速转移至保温炉内，再以一定速率降温冷却至室温。

S5.将复合材料毛坯铸件放入足量的353～373K热水中，并附加机械振动，去除可溶性陶瓷辅助模具。待可溶性陶瓷辅助模具全部在水中溃散后，然后再利用机加工方法，去除复合材料毛坯铸件表面多余Al料，得到最终的SiC_3D/Al复合材料。

以上各步骤的参数：

在本实施例中，所使用的多孔SiC预制体的体积密度为2.60g/cm³；平均孔径为50μm，开孔孔隙率18.5vol％，闭孔孔隙率为0.3vol.％。

ZL101熔融温度：1023K。

在本实施例中，SiC预制体和辅助模具预热温度：1073K，保温40min，钢制模具预热温度：573K；合模前SiC预制体和辅助模具温度：943K。

在本实施例中，锤头移动速度：0.1m/s；压射力：50MPa。

在本实施例中，开模后SiC和可溶性陶瓷辅助模具温度：723K，转移保温炉723K保温20min，冷速2K/min。

制备完成后，对SiC_3D/Al复合材料质量检测：表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.953，可知所得SiC_3D/Al复合材料为合格产品。

对比例1～6

进一步研究原料及配比对可溶性陶瓷辅助模具性能的影响，在对比例1～6中，各对比例用于制备可溶性陶瓷辅助模具的原料及配比如下表所示：

表1

制备可溶性陶瓷辅助模具：

利用上述对比例1～6材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷辅助模具，可溶性陶瓷辅助模具的烧结工艺为：烧结压力为3.0MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。

所制得的可溶性陶瓷辅助模具的性能参数如下表所示，

表2

	收缩/变形情况	三点弯曲强度
			对比例1	收缩率大，变形大	22MPa
对比例2	收缩率大，变形大	17.5MPa
			对比例3	收缩率大，变形大	13.1MPa
对比例4	收缩率小，变形小	11.1MPa
			对比例5	收缩率小，变形小	12.1MPa
对比例6	收缩率大，变形大	19.5MPa

通过上述对比例1～6的性能参数可知，材料的组分及配比对可溶性陶瓷辅助模具的性能参数具有较大的影响，对比例1～6所获得的可溶性陶瓷辅助模具的变形情况和三点弯曲强度都无法满足挤压浸渗法的需求(收缩适中，变形小，三点弯曲强度大于50MPa)。

Claims (8)

1.一种挤压浸渗法制备SiC_3D/Al复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1. 分别制备可溶性陶瓷辅助模具，用于挤压浸渗的钢制模具；

S2. 将多孔SiC预制体放入所述可溶性陶瓷辅助模具内后，转移至所述钢制模具的定模内，然后合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗；

S3. 利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的料筒处，随后料筒移动至所述浇注系统下方；熔融Al液在料筒中锤头的推动下，填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在保持机械压力作用下，冷却凝固形成复合材料毛坯铸件；

S4. 开模，取出复合材料毛坯铸件，降温冷却至室温；

S5. 将所述复合材料毛坯铸件放入353~373K热水中，去除所述可溶性陶瓷辅助模具，去除复合材料毛坯铸件表面多余的Al，得到SiC_3D/Al复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述可溶性陶瓷辅助模具采用包括以下原料制成：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、无水磷酸钠、聚乙二醇、氧化钙；所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、无水磷酸钠、聚乙二醇、氧化钙的质量比为85:10:3:10:12:3。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可溶性陶瓷辅助模具采用压制烧结法制备而成；所述压制烧结法的烧结温度为1673K，烧结压力为3MPa，烧结时间为30min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，在将所述可溶性陶瓷辅助模具转移至钢制模具前，先对所述含多孔SiC预制体的可溶性陶瓷辅助模具、钢制模具进行预热。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述SiC预制体和所述可溶性陶瓷辅助模具的预热温度为 973~1073K，预热保温20~40min；所述钢制模具的钢制动模和定模模芯的预热温度为 523~573K。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述可溶性陶瓷辅助模具转移至所述钢制模具的定模的型腔内，在合模前，所述可溶性陶瓷辅助模具的温度为873~943K。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述料筒中锤头的压射速度为0.1~0.5m/s，锤头所施加的压射力为50~80MPa，并保持压力直至Al液完全凝固。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，开模后，当复合材料毛坯铸件的温度降至693~753K时，将复合材料毛坯铸件转移至保温炉内，在 693~753K 温度下保温10~20min，然后以 2~3K/min的降温速度冷却至室温。