CN109852848A

CN109852848A - 一种SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料

Info

Publication number: CN109852848A
Application number: CN201711241498.0A
Authority: CN
Inventors: 高明超
Original assignee: Shenyang East Green Technology Co Ltd
Current assignee: Shenyang East Green Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-07

Abstract

为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种SiC颗粒增强Al‑Cu‑Mg基复合材料。采用Al‑CuMg合金粉末和SiC粉末为原料，所制得的SiC颗粒增强Al‑Cu‑Mg基复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。其中，不同粒径的SiC颗粒对基体析出相的影响不同，小颗粒增强相因为在基体中广泛分布，引起的塑形变形以及残余应力更大，会加速析出相的形核析出。大尺度SiC增强复合材料只能在较少的范围内促进析出相形核。不同粒径的SiC颗粒对复合材料的时效硬化有显著影响。小尺度SiC颗粒增强复合材料随时效时间延长，析出相不会明显粗化，使复合材料出现峰时效的时间延长。本发明能够为制备高性能的Al‑Cu‑Mg基复合材料提供一种新的生产工艺。

Description

一种SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强金属或合金基体的金属基复合材料统称，是一种较容易批量制造、加工、成形和成本较低的金属基复合材料。也是研究发展较成熟的复合材料。这类复合材料的组成范围宽广，可根据工作的工况要求选择基体金属和增强颗粒，常选用的颗粒有碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼及石墨等，常用的制造方法有粉末冶金法、铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法。可以直接做成零件，也可做成铸锭后进行热挤压、锻造、轧制等。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还可以制成高级耐火材料，脱氧剂，电热元件硅碳棒等。

发明内容

本发明的目的是为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备原料包括：平均粒径为40μm的Al-CuMg合金粉末，纯度为99.5%，平均粒径分别为5μm和50μm的SiC粉末。

SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨时间为46h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，随后放入真空烧结炉中进行烧结。

SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的检测步骤为：密度采用阿基米德方法测定，硬度采用布氏硬度计测量，物相组成采用D250X射线衍射仪测定，微观结构采用Quan250扫描电镜进行表征。

所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，挤压能够有效促进小颗粒增强相在基体中的均匀分布，而对与基体粉末粒径相当的增强相的分布没有显著影响。

所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，不同粒径的SiC颗粒对基体析出相的影响不同，小颗粒增强相因为在基体中广泛分布，引起的塑形变形以及残余应力更大，会加速析出相的形核析出。大尺度SiC增强复合材料只能在较少的范围内促进析出相形核。

所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，不同粒径的SiC颗粒对复合材料的时效硬化有显著影响。小尺度SiC颗粒增强复合材料随时效时间延长，析出相不会明显粗化，使复合材料出现峰时效的时间延长，大尺度SiC颗粒增强复合材料因为在部分区域发生析出相的明显长大，可在较短的时间内出现峰时效。

所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，挤压能够将小颗粒增强复合材料和大颗粒增强复合材料的密度分别提高11%和3%，硬度分别提高57%和63%。在时效时间为1~12h时，小颗粒增强复合材料的硬度提高17%，而大颗粒增强复合材料的硬度先增大后减小。

本发明的有益效果是：

采用Al-CuMg合金粉末和SiC粉末为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料。其中，挤压能够有效促进小颗粒增强相在基体中的均匀分布，不同粒径的SiC颗粒对复合材料的时效硬化有显著影响。所制得的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的Al-Cu-Mg基复合材料提供一种新的生产工艺。

具体实施方式

实施案例1：

SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备原料包括：平均粒径为40μm的Al-CuMg合金粉末，纯度为99.5%，平均粒径分别为5μm和50μm的SiC粉末。SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨时间为46h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，随后放入真空烧结炉中进行烧结。SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的检测步骤为：密度采用阿基米德方法测定，硬度采用布氏硬度计测量，物相组成采用D250X射线衍射仪测定，微观结构采用Quan250扫描电镜进行表征。

实施案例2：

对于烧结态和挤压态的复合材料，衍射峰中均主要存在Al和SiC峰，只有很微弱的Al2CuMg峰，其它的物相峰如Al4C3和Si并没有出现。采用不同粒度的SiC作为增强相对烧结态和挤压态复合材料中的物相组成并没有很大的影响。经挤压后的复合材料中有大量的析出相，样品烧结和挤压后的冷却速度均较低，增强相和基体之间因为热膨胀系数差异引起的塑形变形不够充分，减少了析出相的形核，以至于析出相的数量较少。

实施案例3：

采用体积分数为16%、平均粒径为6μm的SiC作为增强相的复合材料在烧结态时SiC团聚非常严重，在基体中基本没有析出相。该复合材料经挤压后，SiC增强体在Al基体中的分布明显改善，增强相在基体中均匀分布，相比于烧结态的复合材料，基体中有明显的析出相出现。该析出相在基体中呈亮白色，析出相中铜含量较高。采用体积分数为17%、平均粒径为60μm的SiC的复合材料中，SiC无明显的团聚现象，但在基体中有少量的析出相存在，由于SiC粒径可以引起附近的基体发生足够的塑形变形，使得析出相在复合材料烧结后的冷却过程中便开始析出。该复合材料经挤压后，SiC在基体中依然均匀分布，但有少许的析出相发生长大。

实施案例4：

影响增强相在基体中的分布均匀性及团聚的因素很多，比如不同种类颗粒之间的界面能，混料时间，以及不同种类颗粒在粒度、密度和形貌方面的差异等。当增强相颗粒与基体粉末粒径相当时，增强相可更均匀地分布在基体中。当基体与增强相的粒径相当时，增强相均匀分布在基体中，而当基体的粒径比增强体粒径大很多时，增强体就会团聚在基体粉末颗粒表面以降低表面能。挤压对消除较小颗粒的团聚现象非常有效。经挤压后的5μm-5h复合材料出现了大范围的析出相，当复合材料从570℃冷却时，由于增强体与基体的热膨胀系数差异产生很高的热应力，使得析出相形核能降低，大量的析出相得以析出。

实施案例5：

随时效时间延长，大尺寸的析出相明显增多，析出相在基体中分布不是很均匀。Cu和Mg元素没有在个别区域发生明显的富集，在时效的过程中析出相发生均匀形核，在粗大的固溶残留析出相中，Cu和Mg元素与基体中此类元素有更大的浓度差，在时效处理时，析出相更容易沿着原有的析出相继续形核析出，使得析出相进一步长大。

实施案例6：

挤压可促进2种复合材料的致密化及硬化。挤压能够明显改善复合材料中SiC在基体中的分布以及促进铝合金基体塑性变形，这会使得增强体颗粒之间间距减小，并且减少增强相间直接接触的可能性，使得在承受载荷时增强相能够有效强化基体。相比挤压态，时效2h后复合材料的硬度有所下降，这主要是因为基体的回复使得复合材料发生软化。在3h的时效期内，随时效时间延长，复合材料的硬度增加，并没有出现峰时效。而复合材料在13h的时效期内，随时效时间延长，复合材料的硬度先增大后减小，出现了峰时效。含有不同粒径增强相的复合材料具有不同的时效动力学，这可能是由复合材料中位错密度不均匀所致，高位错密度区域会促进第二相的非均匀形核，进而加速时效过程。当复合材料从固溶温度冷却下来时，基体和SiC的热膨胀系数差异会导致错配应力的产生，因为热错配应力，塑性变形将会发生，特别是在SiC颗粒附近产生很高的位错密度。

实施案例7：

体积分数时小颗粒增强的位错密度更高，增强相分布均匀，位错密度也更为均匀，但是大颗粒增强的复合材料中增强相附近的基体与其它位置相比具有更高的位错密度差。因此在时效过程中，大颗粒增强复合材料中的析出相更容易发生不均匀长大，而小颗粒增强复合材料中的析出相呈现均匀长大。另外，6μm-6h复合材料固溶后，由于基体中的Cu和Mg元素没有发生明显的富集，能够发生较均匀的形核，减缓了析出相的长大速度，从而降低了时效硬化速度。而60μm-20h复合材料中，在较少的区域存在的大尺寸析出相附近，由于固溶会使得残留析出相附近的Cu和Mg较其它区域的浓度更高，这会进一步促进溶质原子在大尺寸析出相附近析出，促进析出相进一步长大，从而加速复合材料的时效硬化，出现峰时效。

Claims

1.SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备原料包括：平均粒径为40μm的Al-CuMg合金粉末，纯度为99.5%，平均粒径分别为5μm和50μm的SiC粉末。

2.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，其特征是SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，球磨时间为46h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒，将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，随后放入真空烧结炉中进行烧结。

3.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，其特征是SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料的检测步骤为：密度采用阿基米德方法测定，硬度采用布氏硬度计测量，物相组成采用D250X射线衍射仪测定，微观结构采用Quan250扫描电镜进行表征。

4.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，其特征是所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，挤压能够有效促进小颗粒增强相在基体中的均匀分布，而对与基体粉末粒径相当的增强相的分布没有显著影响，所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，不同粒径的SiC颗粒对基体析出相的影响不同，小颗粒增强相因为在基体中广泛分布，引起的塑形变形以及残余应力更大，会加速析出相的形核析出，大尺度SiC增强复合材料只能在较少的范围内促进析出相形核，所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，不同粒径的SiC颗粒对复合材料的时效硬化有显著影响，小尺度SiC颗粒增强复合材料随时效时间延长，析出相不会明显粗化，使复合材料出现峰时效的时间延长，大尺度SiC颗粒增强复合材料因为在部分区域发生析出相的明显长大，可在较短的时间内出现峰时效，所述的SiC颗粒增强Al-Cu-Mg基复合材料，挤压能够将小颗粒增强复合材料和大颗粒增强复合材料的密度分别提高11%和3%，硬度分别提高57%和63%，在时效时间为1~12h时，小颗粒增强复合材料的硬度提高17%，而大颗粒增强复合材料的硬度先增大后减小。