CN1246113C - 晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法 - Google Patents

Abstract

晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，它涉及一种用压力铸造法制备亚微米晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的工艺。它是这样实现的：a.将晶须与蒸馏水混合；b.将纳米颗粒与有机溶剂混合后加入分散剂超声分散；c.把颗粒与晶须的混合溶液进行机械搅拌和超声分散；d.将混合液倒入预制块制备模具中过滤水分后双面受压成型；e.将预制块从模具中退出并烘干；f.将预制块和专用石墨模具放入压铸模具中预热，同时将铝或铝合金加热至熔化；g.将液态铝或铝合金浇入下模，压力铸造。采用本发明可以将晶须的体积份数控制在15～20%，纳米颗粒体积份数可控范围为2～7%，实现了降低材料成本，提高材料性能的目的。

Description

晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法

技术领域：

本发明涉及一种用压力铸造方法制备混杂增强金属基复合材料的工艺，具体涉及一种应用于亚微米晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造制备工艺。

背景技术：

铝基复合材料是金属基复合材料中最受注意的一类材料，早期人们主要致力于连续长纤维增强的铝基复合材料，连续长纤维增强的金属基复合材料表现出令人满意的性能，由于成本方面的原因，一直没有得到广泛的应用。近年来，非连续增强的铝基复合材料受到人们的极大重视，其增强体价格较长纤维要低得多，而且在制备上可以利用现有的金属材料加工方法和设备，因此材料的成本大为降低。混杂复合材料不仅组成成分具有可设计性，而且由于各种增强材料不同性质的相互补充，特别是由于产生混杂效应将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能，同时也大大降低复合材料的原料费用。

纳米材料的诞生为常规的复合材料的研究增加了新的内容，极小的纳米颗粒尺寸可以造成较高的平均位错密度，同时晶粒的均匀与细小也使纳米颗粒增强铝基复合材料具有较大的变形抗力。晶须价格较高，但晶须增强铝基复合材料的强度和韧性比较好。所以，利用晶须与颗粒各自的优势制备混杂增强铝基复合材料是实现复合材料高性能、低成本的重要途径。

在制备方法上，纳米颗粒的引入是搅拌铸造法难以做到的，在粉末冶金方法中存在制造成本高和均匀性差的问题。粉末冶金法制备复合材料常选用机械混合混粉。机械混合分散法的不足是不能保证两相组分分散的均匀性，特别是球磨本身不能完全避免颗粒，尤其是细小颗粒间的团聚。在球磨之后的干燥过程中，还由于已分散颗粒的团聚和沉降进一步造成不均匀性。

压力铸造法已经成为一种成熟的复合材料制备方法，并且被广泛地应用于颗粒、短纤维和晶须增强的金属基复合材料的制备，且效果很好，可获得组织致密、界面结合好和性能优异的特点，已经在航空航天领域得到应用。而用湿成型法制备预制块时，可以采用在机械混合的基础上辅以超声波振动从而破坏颗粒间的团聚，或者调整体系的PH值使粉末分散后的悬浮颗粒的双电层结构具有静电稳定性，也可以使用适当的有机溶剂和分散剂，以改善增强体表面的润湿性。由晶须与纳米颗粒组成的预制块中有大量的细小通道，液态铝合金可以通过这些通道进入预制块。因而，此工艺为制备混杂增强复合材料提供了可能。

目前，关于压力铸造工艺制备非连续混杂增强金属基复合材料的研究甚少，而用压力铸造工艺制备亚微米晶须和纳米颗粒混杂增强铝基复合材料尚未见报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，它通过采用湿成型法制备混杂增强体的预制块，最终通过压力铸造工艺制备出体积份数在一定范围内可控的亚微米晶须和纳米颗粒混杂增强铝基复合材料，来实现混杂效应所要达到的高性能、低成本的目的。本发明的压力铸造方法包括以下步骤：a、将晶须用蒸馏水洗涤后与蒸馏水混合备用；b、将纳米颗粒与有机溶剂混合，然后加入重量浓度为1～2％的分散剂，对该混合溶液进行2～4个周期的超声分散，每个周期10～15分钟；c、把颗粒与晶须的混合溶液进行混合，在机械搅拌的条件下进行超声分散2～4个周期，每个周期10～15分钟；d、然后再将混合液倒入预制块制备模具中过滤水分，当上部看不到液体的时候，将压头放入模具中；e、预制块双面受压成型后，保压10～20分钟，然后将预制块从模具中退出，并把预制块阴干一天后置于烘干箱中烘干；f、将预制块和专用石墨模具一同放入压铸模具中，预热至500～520℃并保温，与此同时，将铝或铝合金加热到750～800℃；g、将液态铝或铝合金浇入下模，对上模施加3～6MPa浸渗压力，然后施加50～70MPa冷却压力，保压5～10分钟后退模，得到铸态铝基复合材料，其中晶须和纳米颗粒的体积份数分别占总体积15～20％、2～7％。对于单纯的颗粒增强的铝基复合材料，在用湿法制备预制块时，往往需要加入有机粘结剂或无机粘结剂来保证预制块的成型性，而本申请混杂增强体的预制块中由于晶须所占的百分比较大，所以预制块的成型性较好，且晶须的存在有利于颗粒的分散，所以无需加入粘结剂。在混杂预制块的制备过程中，最不易解决的就是晶须与颗粒均匀分布的问题，本申请通过选用适当的有机溶剂和分散剂，使分散后的悬浮颗粒的双电结构具有静电稳定性，改善了增强体表面的润湿性，并且在机械混合的基础上辅以适当周期的超声波振动以破坏增强体之间的团聚，促进纳米颗粒在晶须表面的均匀分布。压力铸造采用二次加压工艺—低压浸渗，高压保压冷却。对于临界渗入压力，其值取决于增强体的形状、尺寸、体积份数以及液态合金的温度及性质。假设铝合金与基体不润湿，对于单一增强体的复合材料可以用公式(1)来粗略估算临界渗入压力：

$P_c=\frac{{4V}_f\mathrm{\γ}}{d_f(1-V_f)}$

其中，V_f是增强体的体积份数，γ是液态合金的表面能(本文取0.8J/m²)，d_f是颗粒或晶须的平均直径。由于本实验增强体组成复杂，为简化计算我们假设若增强体都为晶须，则P_c在1.8～2.4MPa；若增强体都为纳米颗粒，则P_c在25～32MPa。所以对于混杂增强复合材料来说，由于纳米颗粒尺寸的细小而引起颗粒之间间距的减小，进而增大了液态金属渗入预制块的阻力。理论上混杂增强复合材料的临界渗入压力应高于单一晶须增强的复合材料。实验结果表明，采用压力≥2MPa就可以渗透50mm高的预制块，这比理论值要低，且与制备晶须增强复合材料的临界渗入压力基本相等，主要有两方面的原因：一方面，公式假定增强体与基体合金不润湿，实际上如果发生润湿，就存在一定的润湿角θ，实际的临界渗入压力值等于公式(1)与cosθ的乘积；另一方面，由于本实验所加纳米颗粒体积份数较小，且均匀分散在晶须表面，对液态合金渗入的阻力贡献不明显。另外，在压应力作用下混杂增强预制块的变形行为与短纤维增强预制块的相似，且与含相同体积份数的颗粒增强预制块的变形抗力相差较大。所以，对于本申请所制备的混杂增强预制块，其临界渗入压力在2～3MPa就可以使液态合金顺利渗入预制块。二级压力主要是降低复合材料的孔隙率，而对于纳米复合材料来说，目前普遍认为致密的纳米材料才能真正反映其独特的性能。压力铸造法的优点之一就是选择适当的压力就可以得到组织致密的复合材料，但是二级压力不宜过高，否则会提高界面反应程度，试验表明二级压力在50～70MPa，可以达到较好的效果，保压5分钟，模具预热温度为500～520℃时浸渗效果较好。采用本发明可以将晶须的体积份数控制在15％～20％，纳米颗粒体积份数可控范围为2～7％。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式是这样实现的：一、制备混杂增强体预制块：a、将晶须用蒸馏水洗涤后与蒸馏水混合备用；b、将纳米颗粒与有机溶剂相混合后，然后加入重量浓度为1～2％的分散剂，并对该混合溶液进行2～4个周期的超声分散，每个周期10～15分钟；c、把颗粒与晶须的混合溶液进行混合，在机械搅拌的条件下进行超声分散2～4个周期，每个周期1 0～1 5分钟；d、然后再将混合液倒入预制块制备模具中过滤水分，当上部看不到液体的时候，将压头放入模具中；e、预制块双面受压成型后，保压10～20分钟，然后将预制块从模具中退出，并把预制块阴干一天后置于烘干箱中烘干；二、压力铸造：f、将预制块和专用石墨模具一同放入压铸模具中，预热至500～520℃并保温，与此同时，将铝或铝合金加热到750～800℃；g、将液态铝或铝合金浇入下模，对上模施加3～6MPa浸渗压力，然后施加50～70MPa冷却压力，保压5～10分钟，在上模施加压力的同时尽量控制压头下降速率，液态铝合金在压力的作用下自上而下地渗入预制块，同时将预制块中的空气从石墨垫块的孔隙排出，得到晶须和纳米颗粒的体积份数分别占总体积15～20％、2～7％的铝基复合材料。三、热挤压：h、将铸态材料放在挤压模具中并加热，在温度为400～500℃的条件下保温30～60分钟后对铸态材料进行正挤压，挤压比为(10～36)∶1。所述有机溶剂为无水乙醇或甲醇；所述纳米颗粒为SiC、C、Al₂O₃、TiB、TiC、AlN、B₄C或Si₃N₄；所述纳米颗粒的粒径为20～100nm；所述晶须为SiC、C、Al₂O₃或Si₃N₄；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或聚丙烯酸钠等阴离子表面活性剂。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它还包括h步骤：h、将铸态材料放在挤压模具中并加热，在温度为400～500℃的条件下保温30～60分钟后对铸态材料进行正挤压，挤压比为(10～36)∶1。其他工艺过程和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式以制备直径为56mm、高为50mm的(SiCw+SiCp)/2024Al为例，按照增强体体积百分含量称出所需的SiC晶须和纳米SiC颗粒重量，将晶须用蒸馏水洗涤后与蒸馏水混合备用；将纳米颗粒与无水乙醇相混合后，加入1％的十二烷基苯磺酸钠，并对其进行2个周期的超声分散，每个周期10～15分钟；然后把颗粒与晶须的混合溶液进行混合，在机械搅拌的基础上加上2个周期的超声分散后再将混合液倒入预制块制备模具中过滤水分，当上部看不到液体的时候，将压头放入模具中；预制块双面受压成型后，保压10分钟将预制块从模具中退出，并把预制块阴干一天后置于烘干箱中烘干；将预制块和专用石墨模具一同放入压铸模具中，预热至500～520℃并保温，与此同时，将铝合金加热到750～800℃，使之熔化并保温，以备浇铸；压力铸造时将液态铝合金浇入下模，在上模施加压力的同时尽量控制压头下降速率，液态铝合金在压力的作用下自上而下地渗入预制块，同时将预制块中的空气从石墨垫块的孔隙排出，一次加压的浸渗压力为5MPa，二次加压冷却的压力为60MPa，保压5分钟后退模，再将铸态材料随炉升温到450℃保温30分钟后进行正挤压，挤压比为16∶1。该发明制备的(20％SiCw+7％SiCp)/2024Al复合材料的室温力学性能优异，强度达到620MPa，经热挤压后，纵向拉伸强度达到754MPa，其强度值均高于27％SiCw/2024Al复合材料。铸态和挤压态(SiCw+SiCp)/2024Al材料的拉伸性能分别见表1和表2。

表1

材料	抗拉强度(MPa)	弹性模量(GPa)	最大延伸率(％)
				2024Al	296	70	17.10
20％SiCw/2024Al	500	112	1.46
				(20％SiCw+2％SiCp)/2024Al	513	124	0.83
(20％SiCw+5％SiCp)/2024Al	540	126	0.80
				(20％SiCw+7％SiCp)/2024Al	620	127	0.77
27％SiCw/2024Al	613	126	0.80

表2

材料	抗拉强度(MPa)	弹性模量(GPa)	最大延伸率(％)
				2024Al	453	72	19.30
20％SiCw/2024Al	576	116	0.88
				(20％SiCw+2％SiCp)/2024Al	602	118	1.21
(20％SiCw+5％SiCp)/2024Al	672	120	1.29
				(20％SiCw+7％SiCp)/2024Al	754	126	1.45
27％SiCw/Al	704	128	0.90

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所得铝基复合材料中Si₃N₄晶须和纳米Al₂O₃p颗粒的体积份数为别占总体积20％、2％。其他步骤和参数与具体实施方式二相同。

Claims (7)

1、晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于它是这样实现的：a、将晶须用蒸馏水洗涤后与蒸馏水混合备用；b、将纳米颗粒与有机溶剂混合，然后加入重量浓度为1～2％的分散剂，对该混合溶液进行2～4个周期的超声分散，每个周期10～15分钟；c、把颗粒与晶须的混合溶液进行混合，在机械搅拌的条件下进行超声分散2～4个周期，每个周期10～15分钟；d、然后再将混合液倒入预制块制备模具中过滤水分，当上部看不到液体的时候，将压头放入模具中；e、预制块双面受压成型后，保压10～20分钟，然后将预制块从模具中退出，并把预制块阴干一天后置于烘干箱中烘干；f、将预制块和专用石墨模具一同放入压铸模具中，预热至500～520℃并保温，与此同时，将铝或铝合金加热到750～800℃；g、将液态铝或铝合金浇入下模，对上模施加3～6MPa浸渗压力，然后施加50～70MPa冷却压力，保压5～10分钟，得到晶须和纳米颗粒的体积份数分别占总体积15～20％、2～7％的铝基复合材料。

2、根据权利要求1所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于所述纳米颗粒为SiC、C、Al₂O₃、TiB、TiC、AlN、B₄C或Si₃N₄。

3、根据权利要求1或2所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于所述纳米颗粒的粒径为20～100nm。

4、根据权利要求1所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于所述晶须为SiC、C、Al₂O₃或Si₃N₄。

5、根据权利要求1所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或聚丙烯酸钠阴离子表面活性剂。

6、根据权利要求1所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的压力铸造方法，其特征在于所述有机溶剂为无水乙醇或甲醇。

7、根据权利要求1所述的晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的挤压铸造方法，其特征在于它还包括h步骤：h、将铸态材料放在挤压模具中并加热，在温度为400～500℃的条件下保温30～60分钟后对铸态材料进行正挤压，挤压比为(10～36)∶1。