CN113046677B - 一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法，属于陶瓷‑金属连接技术领域，所述复合材料包括片状陶瓷及铝合金层，片状陶瓷包覆于铝合金层内部；片状陶瓷及铝合金层之间还包括Ti‑Al合金过渡层；所述制备方法包括：在片状陶瓷表面等离子喷涂Ti‑Al合金，形成过渡层，之后浇铸铝合金，热处理后得到所述复合材料；本发明通过将Ti‑Al合金作为陶瓷片和金属铝连接的过渡层，使得复合材料抗弯强度和抗变形能力显著提高；同时本发明将片状陶瓷封装于合金内部，封装金属的存在使得陶瓷被紧紧固定在原位，断裂的陶瓷在使用过程中不会有迸溅现象，有效的封装了陶瓷。

Description

一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷-金属连接技术领域，具体涉及一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法。
背景技术
工程陶瓷是高性能结构材料，但陶瓷件塑性差、不耐冲击，使其应用受到限制。金属则具有高强度、延展性和耐高温等性能，但有时刚度较低。将金属与陶瓷结合起来，成为理想的复合材料，从而发挥陶瓷与金属各自的优良性能。因此，一些陶瓷和金属的连接技术得到了发展，如固相键合、钎焊、前驱体聚合物连接、陶瓷粉体与金属浇铸复合以及玻璃氧化物连接和扩散结合等。
目前常通过金属浇铸多孔陶瓷，将增强材料(例如SiC)和缓冲材料(例如Al)粘结在一起，多孔不利于金属的流动填充，界面处存在大量空隙或气孔，使得多孔陶瓷金属复合材料强度明显低于块体陶瓷。而采用块体陶瓷和金属进行连接，由于材料的热学性能和机械性能的差异，在制造期间以及在随后的热处理，会在界面处产生残余应力。但当材料发生弯曲时，首先要平衡材料中的残余压应力，故达到断裂的最大挠度需要更大的力，这进一步证明材料中表层残余压应力对材料的常规力学性能有着显著的影响。由于该应力作用在二者的结合界面处，对于界面的稳定性有较高的要求，简单的界面机械结合在材料受力后残余应力会立刻释放。同时不均一的残余应力会引起应力集中，导致界面连接断裂，并可能导致陶瓷内部开裂。只有解决了金属和陶瓷界面的冶金结合问题，块状陶瓷金属复合材料强度才会得以提高。对于目前几种连接方法来说，无论是固相键合、钎焊，还是其他几种连接方法，过程都较为复杂，界面结合性能较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法，通过在片状陶瓷和铝合金之间增设Ti-Al过渡层，使得复合材料抗弯强度和抗变形能力显著提高。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种片状陶瓷/铝合金复合材料，包括片状陶瓷及铝合金层，所述复合材料为三明治层状结构，片状陶瓷包覆于铝合金层内部；所述片状陶瓷及铝合金层之间还包括Ti-Al合金过渡层。
进一步地，所述片状陶瓷为SiC、B4C、Si3N4及Al2O3中的一种，所述铝合金为Al-Mg-Si-Ni合金。
进一步地，所述铝合金中，Mg含量为1～5wt％，Si含量为5～10％，Ni含量为1～5wt％。
进一步地，所述Ti-Al合金过渡层的厚度为10～100μm。
进一步地，所述Ti-Al合金过渡层中，Al的含量为20～30wt％。
本发明还提供了上述片状陶瓷/铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：在片状陶瓷表面等离子喷涂Ti-Al合金，形成过渡层，之后浇铸铝合金，热处理后得到所述复合材料。
进一步地，所述片状陶瓷表面等离子喷涂Ti-Al合金前还包括对片状陶瓷表面进行预处理，具体步骤为：依次使用有机溶剂、氢氟酸对片状陶瓷进行清洗，之后对片状陶瓷表面进行粗糙化处理。
更进一步地，所述粗糙化处理为：采用10～20目白刚玉，对清洗完成的片状陶瓷表面进行喷砂处理，喷砂压强为0.8MPa。
进一步地，所述等离子喷涂的电流为580～650A；电压55～65V；喷涂距离8～12cm；送粉电压3～6V；送粉载气150～220L/h；枪速90～110mm/s。
片状陶瓷等离子喷涂Ti-Al合金后，通过对陶瓷与合金反应生成的过渡层厚度的调整，可实现界面压应力的调整，进而调整复合材料的抗弯和变型能力。
进一步地，所述浇铸为真空浇铸，浇铸温度为680～720℃。
进一步地，所述热处理温度为300～600℃，压力为100～200MPa，时间为5～10h。
采用浇铸的方法形成金属-陶瓷-金属层状结构，再进行加压热处理，使得片状陶瓷与金属之间产生冶金结合。
由于金属和陶瓷之间热膨胀系数及晶格常数的差异，导致其结合时会产生界面压应力(100～200MPa)，而简单的界面机械结合在材料受力后界面残余应力会立刻得以释放，导致界面连接断裂，并可能导致陶瓷内部开裂，因此在材料受力发生弯曲时首先要平衡材料中的残余压应力，以达到提高复合材料的抗弯强度的目的。本发明对陶瓷片表面等离子喷涂处理后形成钛合金膜，成为陶瓷片和金属间的钛合金过渡层，改善了陶瓷片-金属的结合性质；同时通过浇铸的方式复合铝合金，并采用加压热处理，从而实现了陶瓷与金属之间压应力的调整，压应力在复合材料受力过程中首先可以被平衡掉，实现了复合材料抗弯强度和抗变型能力的提高。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过将Ti-Al合金作为陶瓷片和铝合金连接的过渡层，Ti-Al合金与陶瓷片和铝合金的反应强烈，结合紧密，从而改善了陶瓷片-金属的结合性质，提高了其力学性能，过渡层在复合材料受力过程中可起到平衡界面压应力的作用，使得复合材料抗弯强度和抗变形能力显著提高；
(2)本发明将片状陶瓷封装于合金内部，封装金属的存在使得陶瓷被紧紧固定在原位，断裂的陶瓷在使用过程中不会有迸溅现象，有效的封装了陶瓷；
(3)本发明制备过程简单，易操作，适于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2的工艺流程图。
图2为实施例2步骤(2)喷涂Ti-Al合金后所得的SiC陶瓷片、步骤(3)真空浇铸后的样品及步骤(4)热处理后的样品的三点弯曲实验结果对比图。
图3为实施例2步骤(4)所得样品在不同放大倍数下喷涂钛合金SiC陶瓷片与Al-Mg-Si-Ni合金的界面结合形貌图。
图4为X-ray测试实施例2步骤(3)及步骤(4)所得样品中界面处铝合金晶格参数热处理前后的变化图。
图5为实施例2样品三点弯曲试验示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的SiC陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性，然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)对步骤(1)表面粗糙化后的陶瓷片进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚为50μm；喷涂参数为：电流620A，电压60V，喷涂距离10cm，送粉电压5V，送粉载气200L/h，枪速100mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为25wt％；
(3)使用模具将步骤(2)所得SiC陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为1wt％，Si含量为5wt％，Ni含量为1wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为700℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对SiC陶瓷片进行真空浇铸；
(4)待步骤(3)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在400℃下加压100MPa保温5h，随炉冷却后取出。
本实施例中，Ti与SiC可能的反应如下：
3SiC+5Ti＝Ti5Si3+3C；
5SiC+5Ti＝5TiC+5Si；
5Ti+3Si＝Ti5Si3；
5Ti+5Si＝5TiSi；
5Ti+10Si＝5TiSi2；
实施例2
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，步骤如下：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的SiC陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性，然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)对步骤(1)表面粗糙化后的陶瓷片进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚为30μm；喷涂参数为：电流600A，电压65V，喷涂距离8cm，送粉电压6V，送粉载气180L/h，枪速90mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为20wt％；
(3)使用模具将步骤(2)所得SiC陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用纯度都大于99.9％的Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为3wt％，Si含量为10wt％，Ni含量为2wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为720℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对SiC陶瓷片进行真空浇铸；
(4)待步骤(3)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在600℃下加压120MPa保温10h，随炉冷却后取出。
本实施例的工艺流程图如图1所示。
将步骤(2)喷涂Ti-Al合金后所得的SiC陶瓷片、步骤(3)真空浇铸后的样品及步骤(4)热处理后的样品进行切割处理，制成21*21*40mm样品，使用三点弯曲测试仪测试其弯曲强度，对两次三点弯曲测试结果进行对比，如图2所示，其中“SiC”代表步骤(2)喷涂Ti-Al合金后所得的SiC陶瓷片，“Al-Mg3％-Si10％-Ni2％”代表步骤(3)真空浇铸后的样品，“Al-Mg3％-Si10％-Ni2％热处理”代表步骤(4)热处理后的样品。再将步骤(4)所得样品切割打磨抛光对其界面进行扫描电镜分析，如图3所示，其中图(a)、(b)、(c)、(d)分别为不同放大倍数下喷涂钛合金SiC陶瓷片与Al-Mg-Si-Ni合金的界面结合形貌图。由图3可以看出过渡层Ti-Al合金与铝合金、SiC陶瓷片存在大量连接，界面处存在明显的冶金结合。
X-ray测试步骤(3)及步骤(4)所得样品中铝合金界面晶格参数，如图4所示，其中“SiC-Al-原始”代表步骤(3)所得的样品，“SiC-Al-热处理”代表步骤(4)所得的样品。由图4可以看出：步骤(3)和步骤(4)所得样品衍射峰存在明显偏移，样品晶格参数发生了变化，证明压应力的存在。
根据压应力公式，表层为压应力的3层材料的抗弯强度，裂纹首先出现界面处，界面压应力公式为：
Figure BDA0002974786140000061
式中d2为SiC陶瓷厚度，d为样品总厚度，三点弯曲试验示意图如图5所示。ν为Al的泊松比，E为弹性模量，△ε为形变量，可根据xrd检测(如图4所示)热处理前后晶格常数的差异来计算△ε.。
Figure BDA0002974786140000062
而d值可将图4所示的衍射角代入布拉格衍射方程得到。
实施例3
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的B4C陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性，然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)对步骤(1)表面粗糙化后的陶瓷片进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚为100μm；喷涂参数为：电流650A，电压55V，喷涂距离12cm，送粉电压3V，送粉载气220L/h，枪速110mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为30wt％；
(3)使用模具将步骤(2)所得B4C陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用纯度都大于99.9％的Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为1wt％，Si含量为10wt％，Ni含量为1wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为680℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对B4C陶瓷片进行真空浇铸；
(4)待步骤(3)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在300℃下加压200MPa保温5h，随炉冷却后取出。
本实施例中，Ti与B4C可能的反应如下：
B4C+3Ti＝2TiB2+TiC；
2B+2Ti＝TiB2；
C+Ti＝TiC；
金属Ti熔化成液体，铺展包覆在B4C的表面，先与B4C发生反应形成TiB2和TiC，多量的Ti又与游离硼发生反应形成TiB2，与游离碳发生反应形成TiC。
实施例4
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的Si3N4陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性。然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)对步骤(1)表面粗糙化后的陶瓷片进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚大概为10μm。喷涂参数为：电流580A；电压55V；喷涂距离8cm；送粉电压3V；送粉载气150L/h；枪速80mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为20wt％
(3)使用模具将步骤(2)所得Si3N4陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用纯度都大于99.9％的Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为2wt％，Si含量为5wt％，Ni含量为3wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为700℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对Si3N4陶瓷片进行真空浇铸；
(4)待步骤(3)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在500℃下加压200MPa保温5h，随炉冷却后取出。
实施例5
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的Al2O3陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性，然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)对步骤(1)表面粗糙化后的陶瓷片进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚为50μm；喷涂参数为：电流620A，电压60V，喷涂距离10cm，送粉电压5V，送粉载气200L/h，枪速100mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为25wt％；
(3)使用模具将步骤(2)所得Al2O3陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用纯度都大于99.9％的Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为5wt％，Si含量为10wt％，Ni含量为5wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为700℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对Al2O3陶瓷片进行真空浇铸；
(4)待步骤(3)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在600℃下加压200MPa保温10h，随炉冷却后取出。
对比例1
同实施例1，区别在于，将步骤(2)中的Ti-Al合金替换为Ti金属粉。
对比例2
同实施例1，区别在于，将步骤(2)中的Ti-Al合金替换为Al金属粉。
对比例3
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的SiC陶瓷片，对其进行等离子喷涂Ti-Al合金：使用等离子喷涂设备对陶瓷片表面喷涂Ti-Al合金，形成薄膜，膜厚为50μm；喷涂参数为：电流620A，电压60V，喷涂距离10cm，送粉电压5V，送粉载气200L/h，枪速100mm/s；
所述Ti-Al合金中，Al含量为25wt％；
(2)使用模具将步骤(1)所得SiC陶瓷片固定在模具中部，然后使用真空浇铸炉，采用纯度都大于99.9％的Al、Mg-Ni合金和Al-Si合金进行配料，其中Mg含量为1wt％，Si含量为5wt％，Ni含量为1wt％，将上述原料放入真空浇铸炉中，熔炼温度为700℃，熔炼时间为0.5小时，熔炼完成后对SiC陶瓷片进行真空浇铸；
(3)待步骤(2)浇铸好的样品冷却后，将样品放入真空热压炉进行热处理，在400℃下加压100MPa保温5h，随炉冷却后取出。
对比例4
同实施例1，区别在于，不包括步骤(2)。
对比例5
同实施例1，区别在于，不包括步骤(4)。
对比例6
片状陶瓷/铝合金复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)选用无压烧结纯度大于99％的SiC陶瓷片，使用丙酮溶液进行超声清洗，去除陶瓷表面油性，然后使用氢氟酸清洗，之后采用10～20目白刚玉，在0.8MPa下对陶瓷片表面进行喷砂处理，将陶瓷片表面粗糙化，之后去除刚玉砂砾；
(2)将Ti-Al合金熔化后，涂覆于步骤(1)所得陶瓷片表面，形成薄膜，膜厚为50μm；
所述Ti-Al合金中，Al含量为25wt％；
(3)采用钎焊工艺，以步骤(2)陶瓷片表面采用的Ti-Al合金为钎料，将Al-Mg-Si-Ni合金焊接在陶瓷片上，将样品放入真空热压炉进行热处理，在400℃下加压100MPa保温5h，随炉冷却后取出。
效果验证
1.使用X-ray测试并计算实施例1～5及对比例1～6制备得到的复合材料的界面压应力，结果如表1所示。
2.将采用的SiC、B4C、Si3N4及Al2O3陶瓷片原料、实施例1～5及对比例1～6制备得到的复合材料进行切割处理，制成21*21*40mm样品，使用三点弯曲测试仪测试其弯曲强度，结果如表1所示。
3.将采用的SiC、B4C、Si3N4及Al2O3陶瓷片原料、实施例1～5及对比例1～6制备得到的复合材料进行切割处理，制成21*21*40mm样品，对其抗变型能力进行测试，得出陶瓷发生断裂时的型变量如表1所示。
表1
Figure BDA0002974786140000101
Figure BDA0002974786140000111
由表1可以看出，本发明制备得到的片状陶瓷/铝合金复合材料的抗弯强度和抗变形能力均显著高于片状陶瓷原料及对比例制备得到的复合材料；由实施例1及对比例6的结果可以看出，采用金属浇铸的方式得到的复合材料的性能更佳，这是由于金属浇铸的方式可以使Ti-Al合金与铝合金的反应更加强烈，界面结合力更强，使其结合更加紧密；由实施例1及对比例5可以看出，经过热处理得到的复合材料的性能更佳，这是由于界面压应力通过热处理作用得以均一分布，避免复合材料由于压应力集中或者过大出现微裂纹，同时避免过大应力使得材料在首次使用时冶金结合的界面失效，压应力会迅速释放，无法发挥冶金界面结合与压应力的协同作用。通过热处理使得界面原子充分扩散，界面冶金结合强度提升，界面压应力对抗弯强度的提升发挥了重要作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种片状陶瓷/铝合金复合材料，其特征在于，包括片状陶瓷及铝合金层，所述复合材料为三明治层状结构，片状陶瓷包覆于铝合金层内部；所述片状陶瓷及铝合金层之间还包括Ti-Al合金过渡层；
所述Ti-Al合金过渡层中，Al的含量为20～30wt％；所述片状陶瓷/铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：在片状陶瓷表面等离子喷涂Ti-Al合金，形成过渡层，之后浇铸铝合金，热处理后得到所述复合材料；
所述热处理温度为300～600℃，压力为100～200MPa，时间为5～10h；
所述片状陶瓷为SiC、B4C、Si3N4及Al2O3中的一种，所述铝合金为Al-Mg-Si-Ni合金。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述铝合金中，Mg含量为1～5wt％，Si含量为5～10％，Ni含量为1～5wt％。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述Ti-Al合金过渡层的厚度为10～100μm。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述片状陶瓷表面等离子喷涂Ti-Al合金前还包括对片状陶瓷表面进行预处理，具体步骤为：依次使用有机溶剂、氢氟酸对片状陶瓷进行清洗，之后对片状陶瓷表面进行粗糙化处理。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述等离子喷涂的电流为580～650A；电压55～65V；喷涂距离8～12cm；送粉电压3～6V；送粉载气150～220L/h；枪速90～110mm/s。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述浇铸为真空浇铸，浇铸温度为680～720℃。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103057207A (zh) * 2013-01-29 2013-04-24 安徽工业大学 一种三明治结构复合耐磨衬板
CN104404434A (zh) * 2014-11-05 2015-03-11 昆明理工大学 一种金属材料表面的陶瓷涂层及其制备方法
CN108048685A (zh) * 2017-12-18 2018-05-18 河北工业大学 一种TiC/SiC/Al复合材料
CN111302833A (zh) * 2020-04-06 2020-06-19 上海电机学院 改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59232979A (ja) * 1983-06-17 1984-12-27 日本特殊陶業株式会社 セラミツクとアルミニウム合金の複合体
CN1015995B (zh) * 1987-12-18 1992-03-25 大连海运学院 铝合金表面离子沉积(Ti，Al)N硬质膜的方法
DE10125814C1 (de) * 2001-05-26 2002-07-25 Daimler Chrysler Ag Metall-Keramik-Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
CN201538070U (zh) * 2009-08-03 2010-08-04 李新桥 一种金属/陶瓷三层复合材料
CN102700192B (zh) * 2012-06-21 2014-12-17 北京理工大学 一种金属陶瓷复合材料的制备方法
CN104015423B (zh) * 2014-05-20 2016-03-02 中南大学 一种发热复合材料及其制备方法
CN104209498B (zh) * 2014-07-24 2017-02-15 昆明理工大学 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法
CN108165836B (zh) * 2018-01-10 2019-09-27 昆明理工大学 一种SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法及装置
CN111136243B (zh) * 2020-01-13 2021-06-18 中北大学 陶瓷/金属复合层的铸造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103057207A (zh) * 2013-01-29 2013-04-24 安徽工业大学 一种三明治结构复合耐磨衬板
CN104404434A (zh) * 2014-11-05 2015-03-11 昆明理工大学 一种金属材料表面的陶瓷涂层及其制备方法
CN108048685A (zh) * 2017-12-18 2018-05-18 河北工业大学 一种TiC/SiC/Al复合材料
CN111302833A (zh) * 2020-04-06 2020-06-19 上海电机学院 改善铝对氧化铝陶瓷润湿性的方法

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