CN1796589A - 一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料，其特征在于：该复合材料由碳化硅颗粒、原位形成的针状碳化铝弥散粒子和铝基体组成，碳化铝弥散粒子的体积含量在3.7－14.8％，直径为0.01－0.05微米、长度0.1－0.4微米，碳化硅颗粒的体积含量在5－25％，尺寸为3.5－15微米。其制备方法是使用铝和石墨粉高能球磨1－3小时，在550－650℃热处理1－2小时，再加入碳化硅粉末高能球磨0.5－2小时，混合粉末冷压成密度达85－95％的坯料，然后挤压成型。本发明提供的复合材料具有高的强度、模量和良好的高温性能，可用于各种要求高温性能的场合。

Description

一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别提供了一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料。
背景技术：
机械合金化制备的原位生长碳化铝弥散粒子弥散强化铝复合材料具有良好的高温强度和热稳定性，可用于制备一些在高温条件下服役的部件，然而这种材料的弹性模量只有70MPa(与铝基体相当)，在一定程度上局限了它在工业领域的广泛应用。在另一方面，陶瓷颗粒、晶须不连续增强铝基复合材料由于具有高的强度和模量而被认为是很有应用前景的工程结构材料，然而在200℃以上，由于铝基体的软化，不连续增强铝基复合材料的抗拉强度急剧降低，限制了这类复合材料在高温条件下的应用。如果采用细小弥散粒子和陶瓷颗粒复合强化铝基体，就可望获得具有高强度、高模量和良好高温性能的一种全新的复合材料。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料及其制备方法，其具有高的强度、模量和良好的高温性能，可用于各种要求高温性能的场合。
本发明提供了一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料，其特征在于：该复合材料由碳化硅颗粒、原位形成的针状碳化铝弥散粒子和铝基体组成，碳化铝弥散粒子的体积含量在3.7-14.8％，直径为0.01-0.05微米、长度0.1-0.4微米，碳化硅颗粒的体积含量在5-25％，尺寸为3.5-15微米。
本发明还提供了上述双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下：
——采用高能球磨方法把10-150μm的铝和0.5-5μm石墨粉末机械合金化，在550-650℃热处理1-2小时，再加入3.5-15μm的碳化硅粉末继续球磨0.5-2小时，铝、碳化硅和石墨的重量比为93∶6∶1到16∶8∶1；
——混合粉末冷压成密度达85-95％的坯料；
——冷压锭在400-450℃以10∶1-40∶1的挤压比挤压成型。
测试表明所获得的碳化硅颗粒和碳化铝弥散粒子复合强化铝基复合材料具有良好的室温和高温机械性能。
本发明设计了一个全新的复合体系，铝-石墨-碳化硅。在该体系中，原位生成的纳米尺寸碳化铝弥散粒子和微米级碳化硅颗粒复合增强铝基复合材料，碳化铝弥散粒子弥散强化铝基体，降低铝基体在高温下的软化速度，而碳化硅颗粒则通过载荷传递来提高材料的强度和模量。同文献(Scripta Metall.Mater.，vol.29，No.1(1993)p.63-68和Composites Sci.Technol.，vol.27，No.7(1999)p.1117-1125)提供的数据相比可以发现，原位碳化铝弥散粒子和碳化硅颗粒复合强化铝基复合材料的蠕变抗力较碳化铝弥散强化铝复合材料提高大约4个数量级，较碳化硅颗粒增强铝基复合材料提高大约8个数量级。此外，在陶瓷增强相体积分数基本相同的情况下，碳化铝弥散粒子和碳化硅颗粒复合强化铝基复合材料在350℃的抗拉强度(170MPa)远远高于碳化硅晶须增强LY12铝复合材料(95MPa)。通过以上比较说明双尺寸碳化铝和碳化硅粒子显著提高了铝基体的高温性能。有理由相信碳化铝弥散粒子和碳化硅颗粒复合强化铝作为一种新型抗高温复合材料会有广阔的应用前景。
具体实施方式：
实施例1
10vol.％碳化硅和11vol.％碳化铝复合强化铝复合材料制造工艺：将重量比为97∶3的铝和石墨粉末高能球磨1.5小时，在600℃热处理1小时后再混入10vol.％的10微米碳化硅颗粒球磨1小时，球磨后的混合粉在高压下冷压成密度90％的坯料，冷压坯在420℃以25∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为458MPa，室温弹性模量90GPa，在300℃的拉伸强度是246MPa，在450℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为1×10-7s-1。
比较例1
在铝-碳化硅-碳化铝体系中固定碳化铝的含量，减少碳化硅的加入量到零，在相同的制备工艺条件下，所制备复合材料为11vol.％碳化铝增强铝复合材料，其室温拉伸强度为399MPa，室温弹性模量为70GPa，在300℃的拉伸强度是190MPa，在450℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为1×10-3s-1。
实施例2
10vol.％碳化硅和7.4vol.％碳化铝复合强化铝复合材料制造工艺：将重量比为98∶2的铝和石墨粉末高能球磨2小时，在600℃热处理1.5小时后再混入10vol.％的10微米碳化硅颗粒球磨1小时，球磨后的混合粉在高压下冷压成密度92％的坯料，冷压坯在430℃以20∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为377MPa，在350℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为3×10-9s-1。
比较例2
在铝-碳化硅-碳化铝体系中固定碳化铝的含量，减少碳化硅的加入量到零，在相同的工艺条件下制备7.4vol.％碳化铝弥散粒子强化铝，在350℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为2×10-5s-1。
实施例3
10vol.％碳化硅和3.7vol.％碳化铝复合强化铝复合材料制造工艺：将重量比为99∶1的铝和石墨粉末高能球磨2小时，在600℃热处理1小时后再混入10vol.％的10微米碳化硅颗粒球磨1.5小时，球磨后的混合粉在高压下冷压成密度95％的坯料，冷压坯在420℃以30∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为322MPa，在300℃的拉伸强度是138MPa，在350℃、80MPa的施加应力下其蠕变速率约为1×10-7s-1。
比较例3
在铝-碳化硅-碳化铝体系中固定碳化铝的含量，减少碳化硅的加入量到零，在相同的工艺条件下制备3.7vol.％碳化铝弥散粒子强化铝，在350℃、80MPa的施加应力下其蠕变速率约为3×10-4s-1。
比较例4
采用常规的粉末冶金方法制备10vol.％的10μm碳化硅增强铝复合材料，该复合材料的室温拉伸强度为129MPa，在300℃的拉伸强度是45MPa，在350℃、50MPa的施加应力下其蠕变速率约为7×10-3s-1。
实施例4
15vol.％碳化硅和5.5vol.％碳化铝复合强化铝复合材料制造工艺：将重量比为98.5∶1.5的铝和石墨粉末高能球磨2小时，在600℃热处理1小时后再混入15vol.％的10微米碳化硅颗粒球磨1.5小时，球磨后的混合粉在高压下冷压成密度94％的坯料，冷压坯在420℃以30∶1挤压比挤压成型。
实施例5
20vol.％碳化硅和14.8vol.％碳化铝复合强化铝复合材料制造工艺：将重量比为96∶4的铝和石墨粉末高能球磨2小时，在600℃热处理1小时后再混入20vol.％的10微米碳化硅颗粒球磨1.5小时，球磨后的混合粉在高压下冷压成密度94％的坯料，冷压坯在420℃以30∶1挤压比挤压成型。

Claims (2)

1、一种双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料，其特征在于：该复合材料由碳化硅颗粒、原位形成的针状碳化铝弥散粒子和铝基体组成，碳化铝弥散粒子的体积含量在3.7-14.8％，直径为0.01-0.05微米、长度0.1-0.4微米，碳化硅颗粒的体积含量在5-25％，尺寸为3.5-15微米。
2、一种权利要求1所述双尺寸陶瓷粒子增强的抗高温铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下：
——采用高能球磨方法把10-150μm的铝和0.5-5μm石墨粉末机械合金化，在550-650℃热处理1-2小时，再加入3.5-15μm碳化硅粉末继续球磨0.5-2小时，铝、碳化硅和石墨的重量比为93∶6∶1到16∶8∶1；
——混合粉末冷压成密度达85-95％的坯料；
——冷压锭在400-450℃以10∶1-40∶1的挤压比挤压成型。
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