[发明专利]一种高体份颗粒增强金属基复合材料的近净形制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种高体份颗粒增强金属基复合材料的近净形制备方法，属于金属基复合材料制造技术。

背景技术

高体份(≥40％)的陶瓷颗粒增强金属基复合材料可同时具有优异的结构承载功能、卓越的热控功能以及独特的防共振功能，以高体份SiC_p/Al复合材料为例，其比模量可以达到铝合金和钛合金的三倍，热膨胀系数比钛合金还低，热导率则远高于铝合金，平均谐振频率比铝、钛、钢三大金属结构材料高出60％以上，这种结构/功能一体化的综合性能优势使得此新型材料在航空航天精密仪器结构件、微电子器件封装元件等领域有着广阔的应用前景。

高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料其陶瓷含量较高(40％～70％)，故加工困难，成本高、工期长，这在很大程度上限制了这种先进材料的推广应用。近净形技术是制造业中一门新兴的先进技术，该技术的核心就是实现材料的制备-成型一体化，使材料在制备过程中尽可能地接近于其产品的最终形状和轮廓，最大程度地减少后续加工步骤和加工余量。基于高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料难于加工的特点和近净形技术的独特优势，若能将近净形技术引入高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备，那将无疑会以可接受的成本获得大尺寸、形状复杂的高体份颗粒增强金属基复合材料制件，进而对这种先进材料的推广应用有着重要的意义。国内外的许多学者也都对高体份颗粒增强金属基复合材料的近净形制备技术进行了研究，但均是采用先粘结制得近净形的粉末预制体后无压浸渗或压力浸渗的方法实现这一目标，粘结剂的加入容易在后续制备的复合材料中留下气孔，并带来导热性差的杂质相，这就为复合材料性能的劣化埋下了伏笔。另外，对大尺寸结构件而言，陶瓷预制体成型十分困难，预烧结时几乎不可避免地会开裂。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种高体份颗粒增强金属基复合材料的近净形制备方法，其目的是提供一种无须或较少进行机械加工的高体份颗粒增强金属基复合材料构件型腔的加工方法，解决在高硬度材料上加工盲孔的困难，而且满足高效和低成本的要求。

本发明的技术解决方案是：

该种高体份颗粒增强金属基复合材料的近净形制备方法，以铝硅镁铸造铝合金、纯铝、铸造镁合金、2000系变形铝合金、6000系变形铝合金或7000系变形铝合金中的任意一种作为基体材料，以碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、碳化钛颗粒或碳化硼颗粒中的任意一种陶瓷颗粒与基体材料组成高体份颗粒增强金属基复合材料，所述陶瓷颗粒在高体份颗粒增强金属基复合材料中所占的体积份数为40％～70％，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)配料

按照所需要的高体份颗粒增强金属基复合材料的配方进行配料，陶瓷颗粒的粒度为1μm～120μm；

(2)制造型芯

将铝合金、钛合金或钢材加工成型芯，型芯形状与复合材料构件的型腔结构及型面吻合、外形尺寸比型腔尺寸小，并带有1～5°的拔模斜度；

(3)对型芯进行表面处理

在型芯表面采用热喷涂工艺涂覆MgO涂层，涂层厚度约为200～600μm；

(4)组装模具

将经过表面热喷涂处理的型芯固定于石墨模板上预定的位置，固定方式可以选择从石墨模板背面用螺钉拧紧，然后将安装有型芯的石墨模板放置于石墨坩埚或耐热钢模具的底部，将陶瓷颗粒倒入并均匀、平整地覆盖和包埋型芯；

(5)复合材料浸渗制备

该过程按下述方法之一进行：

5.1无压浸渗制备

在覆盖和包埋型芯的陶瓷颗粒堆积体的上表面放置基体材料锭块，放入通有氮气气氛的加热设备中加热到800℃～950℃，保温2～15小时，冷却到室温后将型芯从复合材料坯料底部拔出，从而获得构件的型腔结构；

5.2压力浸渗制备

将上述步骤(4)完成的组装模具置于加压设备工作台上预热到500℃～750℃后，将熔化的基体材料熔液浇注到模具中，然后将模具的环境压力增加到20～30MPa，保压3～5min，待铸坯完全凝固并冷却后取出，最后将型芯从复合材料坯料底部拔出，从而获得构件的型腔结构。

本发明技术方案的优点是：通过采用在复合材料中预置可拔出的表面热喷涂金属材料型芯的方式来方便地获得高体份金属基复合材料构件的型腔，从而回避了高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料难加工的技术瓶颈，并且大大降低了高体份颗粒增强金属基复合材料构件的制造成本、提高了产品生产效率。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1：