CN114921733A - 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114921733A
CN114921733A CN202210552261.9A CN202210552261A CN114921733A CN 114921733 A CN114921733 A CN 114921733A CN 202210552261 A CN202210552261 A CN 202210552261A CN 114921733 A CN114921733 A CN 114921733A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon carbide
composite material
carbide nanowire
density
reinforced aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210552261.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114921733B (zh
Inventor
吴翌铭
武高辉
杨文澍
周畅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202210552261.9A priority Critical patent/CN114921733B/zh
Publication of CN114921733A publication Critical patent/CN114921733A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114921733B publication Critical patent/CN114921733B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C22C47/12—Infiltration or casting under mechanical pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
    • C22C49/04—Light metals
    • C22C49/06—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法，涉及一种碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法。目的是解决含高密度层错的高体积分数增强体增强的纳米铝基复合材料的制备难度大的问题，本发明对不同尺寸的碳化硅纳米线增强体进行清洗沉降自然堆积，并施加压力形成均匀分布的碳化硅纳米线预制块后，进行保护气氛下的压铸法制备致密的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；对初步制备的碳化硅纳米线增强铝基复合材料进行循环淬火，实现高密度位错的诱导，再进行高压等静压处理，在提升致密度的同时诱导位错扩展成为层错，实现纳米铝基复合材料的高效强化，并使其在强化的同时保持较好的塑性，具有更好的强度塑性匹配能力。

Description

一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料 的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法。
背景技术
随着航空航天以及国防领域的迅速发展，具有高模量、高刚度的轻量化金属基复合材料的需求日渐增强。铝及铝合金具有优异的导热和导电性能，良好的机械加工性能和较高的延展性，但其弹性模量，刚度和强度等力学性能不足。通过加入硬质陶瓷第二相形成铝基复合材料是目前公认的一种增强铝合金的方法，铝基复合材料在提升模量的同时提高强度。随着航空航天等领域的需求不断增加，铝基复合材料的性能要求也被逐渐提高，一些问题也逐渐显现出来，传统的提升铝基复合材料模量与刚度的方法主要为增加复合材料内陶瓷增强体的体积分数，随着陶瓷增强体材料的加入，铝基复合材料在获得高强度的同时，其塑性随着增强体含量的增加迅速丧失，甚至表现出一定的脆性。这种强度与塑性的冲突反而导致其强度难以进一步提升，限制了其应用范围。
传统铝基复合材料的强化机理包括载荷传递强化，固溶强化，细晶强化，第二相强化，位错强化等，均是通过增强体以及析出相阻碍位错运动来获得更高的强度，因此在获得更高强度的同时容易引入大量裂纹甚至发生脆性断裂，塑性大幅度降低。近年来，人们在对其他FCC(面心立方晶格)金属的研究中发现，层错是一种在不影响塑性的前提下增强金属力学性能的优异结构。然而铝的层错能为120-144mJ/m2，远高于其位错开动所需的能量，需要高应力的诱导和合金元素的合理调控，因此如何更好地在纳米铝基复合材料中诱导产生高密度层错是目前纳米铝基复合材料开发制备的关键性难点。
现有文献中公开了纳米铝及纳米铝基复合材料薄膜等微观材料中产生层错的方法，包括施加极端应力或者气相沉积过程中引入合金元素，但是这些方法只能制备薄膜及粉末材料，并不适用于块体的纳米铝基复合材料。
块体材料中形成高应力区的前提需要引入足够多的界面，因此需要制备均匀的高体积分数增强体增强的纳米铝基复合材料，然而高体积分数增强体增强的纳米铝基复合材料的制备目前仍然较为困难，而在块体纳米铝基复合材料中由位错扩展形成层错的研究目前仍然是空缺的。因此如何更好的制备高体积分数增强体增强的纳米铝基复合材料，如何通过合适的手段调控高密度位错的产生，如何使高密度位错扩展形成高密度层错是目前含高密度层错的纳米铝基复合材料的制备难点。
发明内容
本发明的目的是解决含高密度层错的高体积分数增强体增强的纳米铝基复合材料的制备难度大的问题，提出了一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，实现纳米铝基复合材料的高效强化，并使其在强化的同时保持较好的塑性，具有更好的强度塑性匹配能力。
本发明对不同尺寸的碳化硅纳米线增强体进行清洗沉降自然堆积，并施加压力形成均匀分布的碳化硅纳米线预制块后，进行保护气氛下的压铸法制备致密的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；对初步制备的碳化硅纳米线增强铝基复合材料进行循环淬火，实现高密度位错的诱导，再进行高压等静压处理，在提升致密度的同时诱导位错扩展成为层错。
本发明基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将碳化硅纳米线粉末置于清洗液中进行搅拌清洗，然后进行沉降，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤后进行烘干，得到碳化硅纳米线均匀分布的松装块体；松装密度为0.16～0.64g/cm3；搅拌和沉降可以使原本团聚缠绕的纳米线均匀分布在沉降的松装块以内，使松装块体中的孔洞更均匀，有利于压力浸渗过程中铝液的均匀渗入，避免细小孔洞的残留及夹铝层的产生，最终促进复合材料致密度的提升。
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对得到的松装块体施加1～100MPa的预应力形成预制体，将预制体在保护气体中加热并保温，将铝液倒入模具进行压力浸渗，使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，冷却至室温后，得到具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；所述具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料中预制体的体积分数为10％～50％；
所述融化的铝液温度为600～900℃；
所述铝液中：Si的质量分数为0％～5％；Cu的质量分数为0％～15％；Mg的质量分数为0％～25％；Zn的质量分数为0％～20％，Li的质量分数为0％～20％；Ag的质量分数为0％～45％；Mn的质量分数为0％～10％；Fe的质量分数为0％～10％；Zr的质量分数为0％～5％；Ge的质量分数为0％～5％，余量为Al；
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
对步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料进行加热、保温和淬火；
所述淬火时淬火介质为空气或水时淬火至室温，淬火介质为液氮时淬火至-196～-210℃；淬火温差越大内应力越大，降温速率越快，屈服强度就越高，塑性就越小；采用液氮淬火最终所得材料的屈服强度最高；采用空气淬火最终所得材料的塑性最好；因为含层错复合材料的塑性都不是特别高，采用水淬火最终所得材料的屈服强度和塑性适中，抗拉强度与抗压强度最高；
四、重复步骤三1～10次，具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；多次淬火过程中淬火介质可进行变化。
五、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤四得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于包套内，然后转移至等静压炉中加热，加热同时施加三向压应力并保温保压，然后降温降压，获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；步骤五工艺能够在增加致密度的同时获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料。
所述加热温度为400～620℃，三向压应力均为0.5～15Gpa，保温保压时间为15～120分钟，等静压结束后降温至室温再降压至1atm，其中降温速度为10～100℃/min，降压速度为5～100GPa/min。
本发明具备以下有益效果：
1.现有技术通过外部施加极端应力，或者使用气相沉积制备，这些制备方法导致其试样体积受限，仅能适用于薄膜或粉体，本发明可以制备具有较大尺寸的碳化硅纳米线增强铝基复合材料，可以解决目前含层错铝基复合材料尺寸限于薄膜与纳米粉体的问题。
2.本发明制备的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备简单且具有更好的均匀性，以铝及铝合金为基体原料，以碳化硅纳米线粉末为增强体材料，通过搅拌沉降，压力浸渗的方式制备大块铝基复合材料，本发明通过控制增强体预制体的致密度来实现体积分数的控制，具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料具有很好的致密度；通过调整铝基体合金成分以及浸渗压力调控碳化硅纳米线增强铝基复合材料的微观组织。
3.本发明诱导位错扩展成为层错”的原理是在高应力条件下，合金元素向位错偏聚，导致位错面附近层错能下降，在应力促进下发生位错扩展成为层错；本发明方法能够在块体铝基复合材料中实现高密度层错的诱导与调控，对不同尺寸材料可操作性强。
4.本发明通过诱导位错扩展形成层错使碳化硅纳米线增强铝基复合材料具有很好的力学性能及热稳定性，屈服强度达到300MPa～600MPa，拉伸强度达到650MPa～950MPa，延伸率达到1.5～5％，压缩强度超过1GPa，压缩变形率可以达到9～15％，高温压缩强度在300℃仍然超过700MPa，与部分钢材相当。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将碳化硅纳米线粉末置于清洗液中进行搅拌清洗，然后进行沉降，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤后进行烘干，得到碳化硅纳米线均匀分布的松装块体；松装密度为0.16～0.64g/cm3；搅拌和沉降可以使原本团聚缠绕的纳米线均匀分布在沉降的松装块以内，使松装块体中的孔洞更均匀，有利于压力浸渗过程中铝液的均匀渗入，避免细小孔洞的残留及夹铝层的产生，最终促进复合材料致密度的提升。
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对得到的松装块体施加1～100MPa的预应力形成预制体，将预制体在保护气体中加热并保温，将铝液倒入模具进行压力浸渗，使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，冷却至室温后，得到具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；所述具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料中预制体的体积分数为10％～50％；
所述融化的铝液温度为600～900℃；
所述铝液中：Si的质量分数为0％～5％；Cu的质量分数为0％～15％；Mg的质量分数为0％～25％；Zn的质量分数为0％～20％，Li的质量分数为0％～20％；Ag的质量分数为0％～45％；Mn的质量分数为0％～10％；Fe的质量分数为0％～10％；Zr的质量分数为0％～5％；Ge的质量分数为0％～5％，余量为Al；
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
对步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料进行加热、保温和淬火；
所述淬火时淬火介质为空气或水时淬火至室温，淬火介质为液氮时淬火至-196～-210℃；淬火温差越大内应力越大，降温速率越快，屈服强度就越高，塑性就越小；采用液氮淬火最终所得材料的屈服强度最高；采用空气淬火最终所得材料的塑性最好；因为含层错复合材料的塑性都不是特别高，采用水淬火最终所得材料的屈服强度和塑性适中，抗拉强度与抗压强度最高；
四、重复步骤三1～10次，具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；多次淬火过程中淬火介质可进行变化。
五、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤四得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于包套内，然后转移至等静压炉中加热，加热同时施加三向压应力并保温保压，然后降温降压，获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；步骤五工艺能够在增加致密度的同时获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料。
所述加热温度为400～620℃，三向压应力均为0.5～15Gpa，保温保压时间为15～120分钟，等静压结束后降温至室温再降压至1atm，其中降温速度为10～100℃/min，降压速度为5～100GPa/min。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式具备以下有益效果：
1.现有技术通过外部施加极端应力，或者使用气相沉积制备，这些制备方法导致其试样体积受限，仅能适用于薄膜或粉体，本实施方式可以制备具有较大尺寸的碳化硅纳米线增强铝基复合材料，可以解决目前含层错铝基复合材料尺寸限于薄膜与纳米粉体的问题。
2.本实施方式制备的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备简单且具有更好的均匀性，以铝及铝合金为基体原料，以碳化硅纳米线粉末为增强体材料，通过搅拌沉降，压力浸渗的方式制备大块铝基复合材料，本实施方式通过控制增强体预制体的致密度来实现体积分数的控制，具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料具有很好的致密度；通过调整铝基体合金成分以及浸渗压力调控碳化硅纳米线增强铝基复合材料的微观组织。
3.本实施方式诱导位错扩展成为层错”的原理是在高应力条件下，合金元素向位错偏聚，导致位错面附近层错能下降，在应力促进下发生位错扩展成为层错；本实施方式方法能够在块体铝基复合材料中实现高密度层错的诱导与调控，对不同尺寸材料可操作性强。
4.本实施方式通过诱导位错扩展形成层错使碳化硅纳米线增强铝基复合材料具有很好的力学性能及热稳定性，屈服强度达到300MPa～600MPa，拉伸强度达到650MPa～950MPa，延伸率达到1.5～5％，压缩强度超过1GPa，压缩变形率可以达到9～15％，高温压缩强度在300℃仍然超过700MPa，与部分钢材相当。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述碳化硅纳米线的直径为10～200nm，长度为1～100μm，长径比为50～1000；纳米线的平均直径越短，松装密度越低。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述搅拌清洗的速率为50～1000rpm，时间为2～8小时；所述沉降时间为4～120小时。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述烘干时温度为50～120℃，时间为24～120小时，在钢模具中进行烘干。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述预制体加热温度为500～650℃，保温1～3小时。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述保护气体为氩气，氮气或氦气。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二所述压力浸渗时施加的压力为100～200MPa，加压速度为50～500MPa/min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述冷却速度为50～100℃/h。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三所述加热温度为400～600℃，保温时间为1～3小时。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述包套材质耐高温玻璃或氮化硼，耐高温玻璃的使用温度范围为500～1200℃。包套圆筒形，具有一个底面，耐高温玻璃或氮化硼材质的包套能够使复合材料在高压下均匀变形，避免元素扩散。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤一所述清洗液为盐酸，硝酸，硫酸，氢氟酸中的一种或几种的混合物。
附图说明：
图1为实施例1中基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强纯铝的微观组织照片。
实施例1：
本实施例基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将100g直径为100～200nm(平均直径150nm)的碳化硅纳米线粉末置于盐酸、硝酸与氢氟酸按照质量比1:1:1混合的酸溶液中进行搅拌清洗，搅拌速率为200rpm，搅拌清洗4小时后充分沉降24小时，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤获得的潮湿的碳化硅纳米线放置在钢模具中，在75℃的环境下烘干48h获得均匀分布的碳化硅纳米线松装块体，其松装密度为10％；采用的盐酸浓度12mol/L，硝酸浓度12mol/L，氢氟酸浓度4mol/L；
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对步骤一烘干获得的均匀的碳化硅纳米线松装块体施加100MPa的预应力形成复合材料所需增强体体积分数40％的预制体，连同模具在保护气体氩气中加热至500℃并充分保温2h；将温度为700℃的熔融铝液(6061铝合金)倒入模具并以100MPa/min的压力的施加速度快速施加150MPa的压力使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，以50℃/h的冷却速度冷却至室温，获得具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
将步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于马弗炉中，加热至400℃并保温1小时，快速进行淬火处理至室温，淬火介质为水；重复加热、保温和淬火3次，获得具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
四、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤三得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于高温玻璃包套内，试样连同包套置于等静压炉中加热至400℃，同时施加5GPa的三向压应力，保温保压30分钟后快速降温至室温后降压至1atm，降温速度为100℃/min；降压速度为20GPa/min，在增加致密度的同时获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
本实施例获得的高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料致密性好，碳化硅纳米线与铝基体界面结合良好。图1为实施例1得到的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强纯铝的微观组织照片，图1能够看出基体内部有大量的层错。复合材料密度为2.91g/cm3，致密度为99.93％，弹性模量为162.5GPa，拉伸强度为745MPa，屈服强度为485MPa，延伸率为3％，压缩强度1.5GPa，压缩变形率为9％；复合材料中的层错密度为1.8×1011cm-2。层错密度为截面内每平方厘米中的层错数量(根数)；
实施例2：本实施例基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将100g直径为100～200nm(平均直径150nm)的碳化硅纳米线粉末置于盐酸、硝酸与氢氟酸按照质量比2:3:5混合的酸溶液中进行搅拌清洗，搅拌速率为250rpm，搅拌清洗6小时后充分沉降48小时，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤获得的潮湿的碳化硅纳米线放置在钢模具中，在80℃的环境下烘干48h获得均匀分布的碳化硅纳米线松装块体，其松装密度为10％；采用的盐酸浓度12mol/L，硝酸浓度12mol/L，氢氟酸浓度4mol/L；
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对步骤一烘干获得的均匀的碳化硅纳米线松装块体施加80MPa的预应力形成复合材料所需增强体体积分数30％的预制体，连同模具在保护气体氩气中加热至500℃并充分保温2h；将温度为620℃的熔融铝硅合金(Al-12Si合金)液倒入模具并以150MPa/min的压力的施加速度快速施加120MPa的压力使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，以50℃/h的冷却速度冷却至室温后获得具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料。
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
将步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于马弗炉中，加热至450℃并保温1小时，快速进行淬火处理至-196℃，淬火介质为液氮；重复加热、保温和淬火3次，获得具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
四、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤三得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于高温玻璃包套内，试样连同包套置于等静压炉中充分加热至450℃，同时施加10GPa的三向压应力，保温保压30分钟后快速降温至室温后降压至1atm，降温速度为50℃/min；降压速度为10GPa/min，在增加致密度的同时获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
本实施例获得的高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料致密性好，碳化硅纳米线与铝基体界面结合良好。复合材料密度为2.88g/cm3，致密度为99.95％，弹性模量为143.8GPa，拉伸强度为729MPa，屈服强度为435MPa，延伸率为5％，压缩强度1.2GPa，压缩塑性为15％。复合材料中的层错密度为2.8×1011cm-2。
实施例3：本实施例基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将100g直径为20～100nm(平均直径50nm)的碳化硅纳米线粉末置于盐酸、硝酸与氢氟酸按照质量比1:1:1混合的酸溶液中进行搅拌清洗，搅拌速率为350rpm，搅拌清洗8小时后充分沉降48小时，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤获得的潮湿的碳化硅纳米线放置在钢模具中，在50℃的环境下烘干72h获得均匀分布的碳化硅纳米线松装块体，其松装密度为5％；采用的盐酸浓度12mol/L，硝酸浓度12mol/L，氢氟酸浓度4mol/L；
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对步骤一烘干获得的均匀的碳化硅纳米线松装块体施加50MPa的预应力形成复合材料所需增强体体积分数20％的预制体，连同模具在保护气体氩气中加热至550℃并充分保温2h；将温度为650℃的熔融铝铜锌合金(Al-5Cu-3Zn合金)倒入模具并以100MPa/min的压力的施加速度快速施加150MPa的压力使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，以50℃/h的冷却速度冷却至室温后获得具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料。
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
将步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于马弗炉中，加热至400℃并保温1小时，快速进行淬火处理至室温，淬火介质为水，重复加热、保温和淬火2次，获得具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
四、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤三得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于氮化硼包套内，试样连同包套置于等静压炉中充分加热至400℃，同时施加15GPa的三向压应力，保温保压30分钟后快速降温至室温后降压至1atm，降温速度为100℃/min；降压速度为20GPa/min，在增加致密度的同时获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
本实施例获得的高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料致密性好，碳化硅纳米线与铝基体界面结合良好。复合材料密度为2.80g/cm3，致密度为99.88％，弹性模量为128.3GPa，拉伸强度为735MPa，屈服强度为335MPa，延伸率为7.5％，压缩强度1.3GPa，压缩变形率为50％。复合材料中的层错密度为3.6×1011cm-2。

Claims (10)

1.一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法按照以下步骤进行：
一、碳化硅纳米线的预处理
将碳化硅纳米线粉末置于清洗液中进行搅拌清洗，然后进行沉降，将沉降后的浆料进行抽滤，抽滤后进行烘干，得到碳化硅纳米线均匀分布的松装块体；松装密度为0.16～0.64g/cm3；
二、碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备
对得到的松装块体施加1～100MPa的预应力形成预制体，将预制体在保护气体中加热并保温，将铝液倒入模具进行压力浸渗，使融化的铝液完全渗入预制体的缝隙内，冷却至室温后，得到具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；所述具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料中预制体的体积分数为10％～50％；
所述融化的铝液温度为600～900℃；
所述铝液中：Si的质量分数为0％～5％；Cu的质量分数为0％～15％；Mg的质量分数为0％～25％；Zn的质量分数为0％～20％，Li的质量分数为0％～20％；Ag的质量分数为0％～45％；Mn的质量分数为0％～10％；Fe的质量分数为0％～10％；Zr的质量分数为0％～5％；Ge的质量分数为0％～5％，余量为Al；
三、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的位错诱导
对步骤二得到的具有高致密度的碳化硅纳米线增强铝基复合材料进行加热、保温和淬火；
所述淬火时淬火介质为空气或水时淬火至室温，淬火介质为液氮时淬火至-196～-210℃；
四、重复步骤三1～10次，具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
五、碳化硅纳米线增强铝基复合材料基体中的层错诱导
将步骤四得到的具有高密度位错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料置于包套内，然后转移至等静压炉中加热，加热同时施加三向压应力并保温保压，然后降温降压，获得具有高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料；
所述加热温度为400～620℃，三向压应力均为0.5～15Gpa，保温保压时间为15～120分钟，等静压结束后降温至室温再降压至1atm，其中降温速度为10～100℃/min，降压速度为5～100GPa/min。
2.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一所述碳化硅纳米线的直径为10～200nm，长度为1～100μm，长径比为50～1000；纳米线的平均直径越短，松装密度越低。
3.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一所述搅拌清洗的速率为50～1000rpm，时间为2～8小时；所述沉降时间为4～120小时。
4.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一所述烘干时温度为50～120℃，时间为24～120小时，在钢模具中进行烘干。
5.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤二所述预制体加热温度为500～650℃，保温1～3小时。
6.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤二所述保护气体为氩气，氮气或氦气。
7.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤二所述压力浸渗时施加的压力为100～200MPa，加压速度为50～500MPa/min。
8.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤二所述冷却速度为50～100℃/h。
9.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤三所述加热温度为400～600℃，保温时间为1～3小时。
10.根据权利要求1所述的基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤五所述包套材质耐高温玻璃或氮化硼，耐高温玻璃的使用温度范围为500～1200℃。
CN202210552261.9A 2022-05-20 2022-05-20 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法 Active CN114921733B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210552261.9A CN114921733B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210552261.9A CN114921733B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114921733A true CN114921733A (zh) 2022-08-19
CN114921733B CN114921733B (zh) 2022-11-01

Family

ID=82811615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210552261.9A Active CN114921733B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114921733B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4753690A (en) * 1986-08-13 1988-06-28 Amax Inc. Method for producing composite material having an aluminum alloy matrix with a silicon carbide reinforcement
CN106086726A (zh) * 2016-07-18 2016-11-09 哈尔滨工业大学 SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法
CN107058917A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 哈尔滨工业大学 一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法
CN108251770A (zh) * 2018-01-20 2018-07-06 南京航空航天大学 一种碳化硅纳米线增强铝基复合材料及其制备方法
CN110846597A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 哈尔滨工业大学 一种碳化硅纳米线混杂增强钨酸锆/铝复合材料及其制备方法
CN111235496A (zh) * 2020-02-19 2020-06-05 哈尔滨工业大学 一种高强度SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法
CN114231860A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 哈尔滨工业大学 一种纳米碳化硅和空心玻璃微珠混合增强多孔铝基复合材料的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4753690A (en) * 1986-08-13 1988-06-28 Amax Inc. Method for producing composite material having an aluminum alloy matrix with a silicon carbide reinforcement
CN106086726A (zh) * 2016-07-18 2016-11-09 哈尔滨工业大学 SiC纳米线增强铝基复合材料及其制备方法
CN107058917A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 哈尔滨工业大学 一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法
CN108251770A (zh) * 2018-01-20 2018-07-06 南京航空航天大学 一种碳化硅纳米线增强铝基复合材料及其制备方法
CN110846597A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 哈尔滨工业大学 一种碳化硅纳米线混杂增强钨酸锆/铝复合材料及其制备方法
CN111235496A (zh) * 2020-02-19 2020-06-05 哈尔滨工业大学 一种高强度SiC纳米线增强铝基复合材料的制备方法
CN114231860A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 哈尔滨工业大学 一种纳米碳化硅和空心玻璃微珠混合增强多孔铝基复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DENGGONG 等: ""Stable second phase: The key to high-temperature creep performance of particle reinforced aluminum matrix composite"", 《MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A》 *
胡明等: ""碳化硅晶须增强铝基复合材料强化行为的研究"", 《佳木斯大学学报(自然科学版)》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114921733B (zh) 2022-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107022691B (zh) 一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法
CN109321767B (zh) 一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法
JPH0776128B2 (ja) 炭化ほう素―アルミニウム及び炭化ほう素―反応性金属サーメット
CN111996407B (zh) 一种双模结构石墨烯增强铝基复合材料的制备方法
CN112267038B (zh) 一种BN纳米片/1060Al复合材料的制备方法
CN107058917B (zh) 一种基于半固态挤压制备定向排列SiC纳米线增强铝基复合材料的方法
CN112410688B (zh) 硼酸铝晶须增强稀土镁合金复合材料及其制备方法
CN115595477B (zh) 一种铝基复材及其制备方法
CN111690840B (zh) 一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及制备
CN115386813A (zh) 一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法
Birsen et al. Microstructure and wear characteristics of hybrid reinforced (ex-situ SiC–in-situ Mg2Si) Al matrix composites produced by vacuum infiltration method
CN114921733B (zh) 一种基体内含高密度层错的碳化硅纳米线增强铝基复合材料的制备方法
CN117721357A (zh) MAX/MXene复合增强金属基复合材料及制备方法
CN116574936A (zh) 一种原位自生氮化硅增强铝基复合材料的制备方法
CN115341114B (zh) 一种预氧化Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN107937840B (zh) 一种钛铝合金复合材料及其制备方法
AU2010284750B9 (en) A process for producing a metal-matrix composite of significant deltaCTE between the hard base-metal and the soft matrix
CN116408435B (zh) 一种高通量制备金刚石/金属复合材料的方法
CN116987924B (zh) 一种SiC/Al复合材料的制备方法
CN113957288B (zh) 一种低成本高性能的TiBw/Ti复合材料及其制备方法与应用
CN110863160A (zh) 一种sialon晶须增强型铝基复合材料及其制备方法
WO2024140393A1 (zh) 增强体增强铝基复合材料及其制备方法
CN114438427A (zh) 一种室温下小尺度机械形变诱导晶粒纳米化的方法
CN116984607A (zh) 一种铝碳复合材料及其制备方法
CN118516590A (zh) 一种高强耐热铝铁硅合金及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant