CN110157940A - 一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料以金属铝为基体，以激光熔覆合成碳化硅涂层为增强体；首先通过CVI法在碳泡沫基体上沉积SiC，得到SiC多孔陶瓷胚体、通过PIP法进一步得到SiC多孔陶瓷，然后通过高压浸渗制备SiC增强铝基复合材料，最后通过激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料。本发明提供了一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料，其组织致密、成型性好、无裂纹，激光熔覆合成碳化硅涂层既可保证复合材料的强度又提高了复合材料的耐磨性和抗氧化性能。本发明解决了传统碳化硅增强铝基复合材料的表面凹凸不平、耐磨性差、抗氧化差等问题，可广泛应用于航空航海领域的结构件。

Description

一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料
技术领域
本发明涉及铝基复合材料制备领域，特别涉及一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料。
背景技术
随着当今工业的飞速发展，人们物质生活得到极大的便利与满足，但同时也衍生出诸多问题，环境的污染以及治理成为人们需要面对的主要问题之一。为达到节能减排的目的，人们转向去寻求新型复合材料以实现汽车轻量化。同时技术时代日新月异的发展，传统材料的性能也渐渐不能够满足科学技术的需要。为应对各种材料需求领域的挑战，研究人员纷纷投入寻找新型先进材料的大潮；经过大量地投入与沉淀，研究者革新了各种材料系统，并且对更加先进的材料领域进行探索。其中一个最突出的材料系统就是是金属基复合材料。例如，轻型结构材料在汽车和航空航天工业中的应用是最重要的。部分原因是执行新的排放法规和燃料成本的上涨。传统材料如铝或钛无法克服目前普通材料面临的挑战。通过对两种或两种以上具有不同物化性质的材料进行组合，以期获得具有各物相优点性能抑制各组分缺点的材料称为复合材料；材料的性能在相对较低的温度下显著恶化，反过来限制了它们在关键部件中的可用性。复合材料通常可以表示为基体加上增强体，若以金属作为基体即是金属基复合材料。金属基复合具有许多优良的性能，其最显著的特点是可以根据需求如低密度，高比强度、比刚度，优异的高温性能和耐磨损性能来对材料进行设计定制；这些优良的性能使得MMCs被广泛应用于汽车材料、航空领域，体育运动用品，电子产品等生活中诸多地方。在众多金属基复合材料中，铝基复合材料又是最受研究者欢迎的；因为铝合金具有重量轻，良好的导电导热性能，优异的耐蚀性与阻尼性能以及可析出强化的特点使其在众多基体材中脱颗而出。
采用轻质的铝合金或铝基复合材料替换传统的铸铁材料将起到很好的减重效果(减重40％以上)，但是刹车鼓苛刻的使用要求是单一铝合金难以满足的。单一铝合金(如锻造铝合金和超硬铝合金)虽然能够保证结构件优异的综合力学性能，但是不能满足局部耐磨性能的要求。因此将高强铝合金和耐磨陶瓷相SiC结合起来，组成一种SiC增强铝基复合材料，这样就可以充分发挥两种材料在热物理性能、力学性能、摩擦磨损性能和可加工性能等方面的优异特性，克服了各自的缺点，同时还保留了铝合金轻量化的重要优势，将这种复合材料简称为SiC/Al复合材料。
授权专利号为CN102676883A的中国发明专利公开了一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法，选用合适的粒度配合的碳化硅粉末和Al-30Si合金粉末通过压制烧结紧密结合，避免了气孔、裂纹等缺陷的，可以提高复合材料的致密性。但该发明工序较为复杂，耗时耗力，虽然能解决材料内部的部分缺陷，但是材料表面的均匀性较差无法满足抗氧化性和耐磨性的需求。授权号CN107034378A的中国发明专利公开了一种空心氧化铝球/碳化硅协同增强铝基复合材料的制备方法，是通过采用空心氧化铝球和不同尺寸微米级碳化硅为增强体，在保证力学性能和低膨胀系数的前提下降低复合材料整体密度能够最大限度提高增强体的体积分数，从而提高复合材料力学强度，使铝的韧性和增强体的刚性达到最佳配比。但是制备出的材料表面抗氧化性较差，仍不能满足苛刻环境的需求。
传统方法制备的铝基复合材料表面会存在一些不平整的表面，与基体的结合力不强，使材料更多的暴露在氧化环境中，抗氧化性能较差，所以提高铝基复合材料表面的质量急需解决。近年来，出现了大功率CO2激光器在结晶器铜板表面进行激光熔覆工艺的研究，激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基体工作表面添加熔覆材料，并利用高功率密度的激光束使之与基体工作表面薄层一起熔凝的方法，在基体工作表面形成与其为冶金结合且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面涂层。该技术可以将高熔点的合金材料或陶瓷材料熔覆在低熔点的基体工作表面，以较低的成本在基体上制备出高性能的表面。除此之外激光熔覆工件前处理工艺简单，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，是一种比较理想的表面改性技术，解决了传统他碳化硅增强铝基复材表面凹凸不平，致密性和抗氧化性较差等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，旨在提供一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料；
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料，其特征在于所述激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料的基体为金属铝，增强相为激光熔覆碳化硅涂层；
激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料及其制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤；
(1)将超声清洗烘干后的三聚氰胺泡棉放置于管式炉中，在40-80ml/min的Ar气氛中以5-10℃加热到600℃后保温3h得到碳泡棉基体；
(2)将(1)得到碳泡棉基体的放置于管式炉的恒温区，抽真空后以4-8℃/min的升温速率加热到1000-1200℃，将Ar，H2，CH3SiCl3，依次通入管式炉子，保持比例为(8-10∶8-10∶1)，然后保温10-12h，以4-6℃/min的速率降至室温，取出的得到碳化硅多孔陶瓷胚体；
(3)将得到的碳化硅多孔陶瓷胚体置于高压真空浸渍罐中，浸渍液为(2-4)g/ml的聚碳硅烷/二甲苯溶液，抽真空至6-8pa，然后用氮气加压到4-6Mpa，保持压力2-4h。
(4)泄压，取出浸渍后的多孔陶瓷胚体，放入80-100℃的烘箱中交联固化10-16h，之后放入1250℃的管式炉中高温裂解3h，升温速率为3-5℃/min，随炉冷却得到碳化硅多孔陶瓷；
(5)将制备好的碳化硅多孔陶瓷置于定制的磨具中，磨具放置于高压浸渍罐中，用真空泵将真空罐抽到6-8pa的真空状态，并预热至400-600℃保温2-3h，之后通过压力差将除杂后的铝液从进口出吸入高压真空泵内并充满模具，用预热后的Ar加压到4-6Mpa，高温保压4-6h，随炉冷却得到碳化硅增强铝基复合材料；
(6)将Si粉、石墨粉和Al2O3熔融助剂充分混合并干燥作为熔覆材料，采用同步送粉激光熔覆方式，在Ar的保护气氛下，控制熔覆工艺参数，使碳化硅增强铝基复合材料基体表面原位反应合成碳化硅涂层；
本发明一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料及其制备方法，包括以下
有益效果：
本发明提供了一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料，其组织致密、成型性好、无裂纹，激光熔覆合成碳化硅涂层既可保证复合材料的强度又提高了复合材料的耐磨性和抗氧化性能，本发明解决了传统碳化硅增强铝基复合材料的表面凹凸不平、耐磨性、抗氧化差等问题，可广泛应用于航空航海领域的结构件。
附图说明
图1为激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料示意图(其中a为碳化硅涂层，b为SiC多孔陶瓷，c为金属Al基体)
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)将超声清洗烘干后的三聚氰胺泡棉放置于管式炉中，在40ml/min的Ar气氛中以5℃加热到600℃后保温3h得到碳泡棉基体；
(2)将(1)得到碳泡棉基体的放置于管式炉的恒温区，抽真空后以4℃/min的升温速率加热到1000℃，将Ar，H2，CH3SiCl3，依次通入管式炉子，保持比例为(8∶8∶1)，然后保温10h，以4℃/min的速率将至室温，取出的得到碳化硅多孔陶瓷胚体；
(3)将得到的碳化硅多孔陶瓷胚体置于高压真空浸渍罐中，浸渍液为2g/ml的聚碳硅烷/二甲苯溶液，抽真空至6pa，然后用氮气加压到4Mpa，保持压力2h。
(4)泄压，取出浸渍后的多孔陶瓷胚体，放入80℃的烘箱中交联固化10h，之后放入1250℃的管式炉中高温裂解3h，升温速率为3℃/min，随炉冷却得到碳化硅多孔陶瓷；
(5)将制备好的碳化硅多孔陶瓷置于定制的磨具中，磨具放置于高压浸渍罐中，用真空泵将真空罐抽到6pa的真空状态，并预热至400℃保温2h，之后通过压力差将除杂后的铝液从进口出吸入高压真空泵内并充满模具，用预热后的Ar加压到4Mpa，高温保压4h，随炉冷却得到碳化硅增强铝基复合材料；
(6)将Si粉、石墨粉和Al2O3熔融助剂充分混合并干燥作为熔覆材料，采用同步送粉激光熔覆方式，在Ar的保护气氛下，控制熔覆工艺参数，使碳化硅增强铝基复合材料基体表面原位反应合成碳化硅涂层；
按上述方案：激光熔覆工艺参数为：激光功率为1500W、光斑直径Φ为3m、光斑移动速度为10mm/s、激光熔覆过程采用侧吹10L/min的Ar保护熔覆区域。
实施例2
(1)将超声清洗烘干后的三聚氰胺泡棉放置于管式炉中，在60ml/min的Ar气氛中以8℃加热到600℃后保温3h得到碳泡棉基体；
(2)将(1)得到碳泡棉基体的放置于管式炉的恒温区，抽真空后以6℃/min的升温速率加热到1100℃，将Ar，H2，CH3SiCl3，依次通入管式炉子，保持比例为(9∶9∶1)，然后保温11h，以5℃/min的速率降至室温，取出的得到碳化硅多孔陶瓷胚体；
(3)将得到的碳化硅多孔陶瓷胚体置于高压真空浸渍罐中，浸渍液为3g/ml的聚碳硅烷/二甲苯溶液，抽真空至7pa，然后用氮气加压到5Mpa，保持压力3h。
(4)泄压，取出浸渍后的多孔陶瓷胚体，放入90℃的烘箱中交联固化13h，之后放入1250℃的管式炉中高温裂解3h，升温速率为4℃/min，随炉冷却得到碳化硅多孔陶瓷；
(5)将制备好的碳化硅多孔陶瓷置于定制的磨具中，磨具放置于高压浸渍罐中，用真空泵将真空罐抽到7pa的真空状态，并预热至500℃保温2h，之后通过压力差将除杂后的铝液从进口出吸入高压真空泵内并充满模具，用预热后的Ar加压到5Mpa，高温保压5h，随炉冷却得到碳化硅增强铝基复合材料；
(6)将Si粉、石墨粉和Al2O3熔融助剂充分混合并干燥作为熔覆材料，采用同步送粉激光熔覆方式，在Ar的保护气氛下，控制熔覆工艺参数，使碳化硅增强铝基复合材料基体表面原位反应合成碳化硅涂层；
按上述方案：激光熔覆工艺参数为：激光功率为2000W、光斑直径Φ为3m、光斑移动速度为15mm/s、激光熔覆过程采用侧吹10L/min的Ar保护熔覆区域。
实施例3
(1)将超声清洗烘干后的三聚氰胺泡棉放置于管式炉中，在80ml/min的Ar气氛中以10℃加热到600℃后保温3h得到碳泡棉基体；
(2)将(1)得到碳泡棉基体的放置于管式炉的恒温区，抽真空后以8℃/min的升温速率加热到1200℃，将Ar，H2，CH3SiCl3，依次通入管式炉子，保持比例为(10∶10∶1)，然后保温12，以6℃/min的速率降至室温，取出的得到碳化硅多孔陶瓷胚体；
(3)将得到的碳化硅多孔陶瓷胚体置于高压真空浸渍罐中，浸渍液为4g/ml的聚碳硅烷/二甲苯溶液，抽真空至8pa，然后用氮气加压到6Mpa，保持压力4h。
(4)泄压，取出浸渍后的多孔陶瓷胚体，放入100℃的烘箱中交联固化16h，之后放入1250℃的管式炉中高温裂解3h，升温速率为5℃/min，随炉冷却得到碳化硅多孔陶瓷；
(5)将制备好的碳化硅多孔陶瓷置于定制的磨具中，磨具放置于高压浸渍罐中，用真空泵将真空罐抽到8pa的真空状态，并预热至600℃保温3h，之后通过压力差将除杂后的铝液从进口出吸入高压真空泵内并充满模具，用预热后的Ar加压到6Mpa，高温保压6h，随炉冷却得到碳化硅增强铝基复合材料；
(6)将Si粉、石墨粉和Al2O3熔融助剂充分混合并干燥作为熔覆材料，采用同步送粉激光熔覆方式，在Ar的保护气氛下，控制熔覆工艺参数，使碳化硅增强铝基复合材料基体表面原位反应合成碳化硅涂层；
按上述方案：激光熔覆工艺参数为：激光功率为2500W、光斑直径Φ为4m、光斑移动速度为20mm/s、激光熔覆过程采用侧吹15L/min的Ar保护熔覆区域。
上述仅为本发明的三个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料，其特征在于所述激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料的基体为金属铝，增强相为激光熔覆碳化硅涂层。
2.激光熔覆合成碳化硅涂层增强铝基复合材料及其制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：
(1)将超声清洗烘干后的三聚氰胺泡棉放置于管式炉中，在40-80SCCM的Ar气氛中以5-10℃加热到600℃后保温3h得到碳泡棉基体。
(2)将(1)得到碳泡棉基体的放置于管式炉的恒温区，抽真空后以4-8℃/min的升温速率加热到1000-1200℃，将Ar，H2，CH3SiCl3，依次通入管式炉子，保持比例为(8-10∶8-10∶1)，然后保温10-12h，以4-6℃/min的速率降至室温，取出的得到碳化硅多孔陶瓷胚体。
(3)将得到的碳化硅多孔陶瓷胚体置于高压真空浸渍罐中，浸渍液为(2-4)g/ml的聚碳硅烷/二甲苯溶液，抽真空至6-8pa，然后用氮气加压到4-6Mpa，保持压力2-4h。
(4)泄压，取出浸渍后的多孔陶瓷胚体，放入80-100℃的烘箱中交联固化10-16h，之后放入1250℃的管式炉中高温裂解3h，升温速率为3-5℃/min，随炉冷却得到碳化硅多孔陶瓷。
(5)将制备好的碳化硅多孔陶瓷置于定制的磨具中，磨具放置于高压浸渍罐中，用真空泵将真空罐抽到6-8pa的真空状态，并预热至400-600℃保温2-3h，之后通过压力差将除杂后的铝液从进口出吸入高压真空泵内并充满模具，用预热后的Ar加压到4-6Mpa，高温保压4-6h，随炉冷却得到碳化硅增强铝基复合材料。
(6)将Si粉、石墨粉和Al2O3熔融助剂充分混合并干燥作为熔覆材料，采用同步送粉激光熔覆方式，在Ar的保护气氛下，控制熔覆工艺参数，使碳化硅增强铝基复合材料基体表面原位反应合成碳化硅涂层。
3.根据权利要求2所述，熔覆材料的质量百分比含量为，Si粉为40-50％，石墨粉为20-30％，其余为熔融助剂，三者粒度都为300目。
4.根据权利要求书2所述，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1500-2500W、光斑直径Φ为3-4m、光斑移动速度为10-20mm/s、激光熔覆过程采用侧吹10-15L/min的Ar保护熔覆区域。
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