CN115354197A - 一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制作方法，包括：陶瓷颗粒5‑20%；铝锰合金80‑95%；其中，铝锰合金的质量份组成为：锰10‑25%；铝75‑90%。本发明制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料工艺简单，生产成本低，复合材料具有致密度高、增强相分布均匀，与常规材料相比，本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的耐磨性和高温强度获得了大幅提高，材料具有一定延展性。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷颗粒增强铝基复合材料技术领域，具体为一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制作方法。
背景技术
陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有轻质、高比强度和比刚度、耐疲劳度、耐磨性，和较低的热膨胀系数等综合性能，可以组合特定的力学和物理性能以满足产品的需要，例如航空航天领域的航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料，飞机零部件、金属镜光学体系、汽车零部件、机器人零部件、电子封装材料等，随着现有技术的进步使这类材料获得了更加深入和广泛的实际应用。
但是，现行标准的铝合金基体材料在一些特定环境下的使用受到限制，特别是高温强度，例如在300°C温度保温1小时后，上述所有材料的抗拉强度都低于100MPa的问题，为此，我们提出一种实用性更高的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制作方法，解决了现有的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，包括：
陶瓷颗粒5-20%；
铝锰合金80-95%；
其中，铝锰合金的质量份组成为：
锰10-25%；
铝75-90%；
其中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的铝基体的质量分数组成为：锰(锰)10-25%、其余铝(Al)，锰范围为10-25%，当锰数量高于10%时，由于产生出大量的金属间化合物Al6锰，使陶瓷颗粒增强铝基复合材料的强度和硬度得以提升，尤其是高温强度和耐磨性；而当锰高于25时，陶瓷颗粒增强铝基复合材料的延展性急剧下降，材料变脆，加工性受到削弱，因此锰范围为10-25%。
优选的，所述陶瓷颗粒可选取SiC、
、
、
其中的一种或多种组合，在本发明的耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料中，陶瓷颗粒可以选取碳化物、氧化物、氮化物或硼化物其中的一种或几种组合，按可获取性和成本选择，可选取SiC、
、
、
其中的一种或多种组合，这些陶瓷颗粒的粒度为0.5-40µm，优选粒度为10-30µm；另外，陶瓷颗粒增强铝基复合材料所含的陶瓷颗粒数量为5-20%，如果所含数量低于5%，则对铝基体的增强效果不够(例如耐磨性和刚性)；而所含数量高于20%，则削弱了铝基体的延展性和加工性能，因此，陶瓷颗粒的数量范围为5-20%。
优选的，所述陶瓷颗粒的粒度为1-40µm。
优选的，所述铝锰合金进一步的包括：
总量0-3%的Ni、Co或Fe中的一种或多种元素，铝锰合金中含上述范围的Ni、Co或Fe时，可以与锰和Al形成三元单斜粒子类型的金属间化合物，起到协同增强效果，而这些元素超过范围的上限，则陶瓷颗粒增强铝基复合材料的延展性急剧下降，加工性受到削弱。
优选的，所述铝锰合金进一步的包括：
总量0-1%的Ti、V、Cr、Y、Zr、La、Ce中的一种或多种元素，铝锰合金中存在这些数量的元素有利于晶粒细化，但超过1%的水平，细化效果不能获得进一步提升，反而降低了陶瓷颗粒增强铝基复合材料的延展性。
优选的，所述铝锰合金包含Ni、Co、Fe、Ti、V、Cr、Y、Zr、La或Ce至少一种合金化元素时，铝锰合金中的合金化元素总量范围为10-25%。
一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制作方法，包括以下步骤：
S1、在
的急速冷却条件下制作铝合金粉末；
S11、在800-1150℃的温度下的熔炼炉中熔化上述成分的铝锰合金；
S12、将熔体铝锰合金转移至中间包，由中间包下部的孔流出熔体铝锰合金，熔体进入惰性气体(氮气)气氛的雾化室；
S13、以4-8MPa氮气气流、气流流量5-10m3/min对准熔体铝锰合金流束破碎成飞行液滴；冷却获得铝锰合金粉末，筛选出70µm以细铝锰合金粉末，作为下一步骤的原料。
S2、将步骤S1制备铝锰合金粉末与SiC颗粒均匀混合；
S3、将步骤S2的混合粉末装入铝包套中，在400℃、真空度低于1×10-3Pa条件下抽真空封套；并在500-550℃、压力100-200MPa、时间2-10小时下热等静压，获得SiC颗粒增强铝基复合材料坯体；
S4、对步骤S3的坯体脱皮，机加工成SiC-颗粒增强铝基复合材料成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料工艺简单，生产成本低，复合材料具有致密度高、增强相分布均匀，与常规材料相比，本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的耐磨性和高温强度获得了大幅提高，材料具有一定延展性。
由于由于本发明采用了102-108K/sec的惰性气体雾化的急速冷却条件，使得铝锰合金基体获得了金属间化合物的晶粒细化，晶粒尺寸范围处于20-1000nm范围内，由于铝锰合金获得了晶粒细化的结果，使本发明的SiC颗粒增强铝基复合材料具有延展性(非脆性)。
铝锰合金的锰数量处于发明范围下，使铝合金固相线最低为658℃，在室温至该温度区间中，金属间化合物Al6锰稳定，极大的提升了SiC-增强铝基复合材料的热稳定性，尽管随温度上升而抗拉强度下降，但降幅缓慢，在300℃温度保温1小时后的抗拉强度至少达200MPa以上。
大量细的高硬度金属间化合物提高了铝锰合金基体的硬度的强度，转而提高了铝基体对SiC颗粒的把持能力，尤其在热摩擦条件下，防止了SiC颗粒的脱落，因此提高了SiC-颗粒增强铝基复合材料的耐磨性。
与常规SiC-颗粒增强铝基复合材料相比(如背景技术说明的复合材料)，相同SiC装载量下，本发明的SiC-颗粒增强铝基复合材料具有更高的室温/高温强度、更高的硬度、更高的耐磨性、和适度的延展性，因此，本发明的SiC-颗粒增强铝基复合材料扩大了实际应用范围，尤其是高温应用场合。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施案例一
步骤一、在950°C的温度下的熔炼炉中熔化成分的Al-10%Mn合金；将熔体铝锰合金转移至中间包，由中间包下部的孔流出熔体铝锰合金，进入惰性气体(氮气)气氛的雾化室；以8MPa氮气气流、气流流量8m3/min对准熔体铝合金流束破碎成飞行液滴；冷却获得铝合金粉末，筛选出70µm以细铝锰合金粉末待用；
步骤二、使用20µm的SiC，按SiC颗粒与Al-10%Mn合金粉末按重量比20∶80%，投放入双锥混合机，在氮气气氛下混合10小时，真空干燥10小时制备出均匀的粉末混合料；
步骤三、将所制备的混合粉末装入铝包套中，在400°C、真空度低于1×10-3Pa条件下抽真空封套；并在520℃、压力180MPa、时间4小时下热等静压，获得20%-SiC颗粒增强铝基复合材料坯体；
步骤四、坯体脱皮，用套料刀在坯体上截取棒料，机加工成SiC-颗粒增强铝基复合材料实验样件。
对实验样件进行测试，获得的抗拉强度350MPa，(300℃)高温抗拉强度210MPa、硬度(Hv)240、延伸率大于等于1.3%。
实施案例二
按实施案例一的相同方式制作SiC-颗粒增强铝基复合材料，只是铝锰合金成分为铝锰20-Ni1.5-Ti0.8；熔练温度1100℃；SiC与铝锰合金的质量分数比例为10∶90；
对实验样件进行测试，抗拉强度320MPa，(300℃)抗拉强度230MPa、硬度(Hv)260、延伸率1%；
从以上获得的室温机械性能(室温下强度)、高温机械性能(300℃下保温1hr后的强度)和延展性结果表明，本发明SiC-颗粒增强铝基复合材料具有优异的室温强度和高温(300℃)强度和硬度，并具有一定延展性。
对SiC-颗粒增强铝基复合材料的各样件进行循环加热300次(300°C)后测量样件的抗拉强度和硬度，发现尽管SiC-颗粒增强铝基复合材料经历多次加热，但受热后力学性能变化相差甚微，事实表明了合金具有优异的热稳定性。
合金组织表明金属间化合物相的平均晶粒尺寸为10-750nm，金属间化合物均匀而细致的分散于合金组织，经历循环加热300次(300°C)后观察，金相稳定，未出现晶粒粗化现象，SiC颗粒均匀分布于铝合金基体。
由于颗粒增强复合材料具有高耐热性和合理的延展性，使得复合材料即使受到后续热加工(热锻、热挤压等)的影响，也保留了急速凝固法获得优异性能特征和热加工获得的性能特征。
本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有优异的室温或高温硬度和强度、以及延伸率和高比强度，由合金制备的致密化和固结陶瓷颗粒增强复合材料具有优异的加工性，适合于高可靠度要求的结构材料和摩擦材料。
Claims (8)
1.一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，包括：
陶瓷颗粒5-20％；
铝锰合金80-95％；
其中，铝锰合金的质量份组成为：
锰10-25％；
铝75-90％。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒可选取SiC、AI2O3、B4C、ZrO2其中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒的粒度为1-40μm。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝锰合金进一步的包括：
总量0-3％的Ni、Co或Fe中的一种或多种元素。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝锰合金进一步的包括：
总量0-1％的Ti、V、Cr、Y、Zr、La、Ce中的一种或多种元素。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝锰合金包含如权利要求4或5所述的至少一种合金化元素时，铝锰合金中的合金化元素总量范围为10-25％。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在102-108K/sec的急速冷却条件下制作铝锰合金粉末；
S2、陶瓷颗粒与铝锰合金粉末混合；
S3、混合粉末抽真空封套并热等静压；
S4、脱皮，机加工成成品。
8.根据权利要求7所述的一种耐高温陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制作方法，其特征在于，采用喷射沉积法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20221118 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |