[发明专利]一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201110427149.4 申请日: 2011-12-19
公开(公告)号: CN102676883A 公开(公告)日: 2012-09-19
发明(设计)人: 王爱琴;谢敬佩;孙浩亮;李继文;王文焱;李洛利 申请(专利权)人: 河南科技大学
主分类号: C22C21/00 分类号: C22C21/00;C22C1/05;C22C1/10
代理公司: 郑州睿信知识产权代理有限公司 41119 代理人: 牛爱周
地址: 471003 河*** 国省代码: 河南;41
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摘要:
搜索关键词: 一种 碳化硅 增强 复合材料 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种碳化硅增强的铝基复合材料,同时涉及一种该复合材料的制备方法,属于无机复合材料技术领域。

背景技术

近年来,碳化硅颗粒增强铝基复合材料以其特有的低膨胀性、高比强度、高比模量、高耐磨等优良性能,已逐步被航空航天工业所认可,同时在汽车的活塞和刹车系统等领域中也有广泛的应用。

高体积分数的碳化硅颗粒增强铝基复合材料很难致密。而致密度是决定材料力学性能的重要因素。如何提高材料的致密度,是复合材料制备中非常关键问题。现有的制备方法大致可分为液态法和固态法两类。

液态法主要有铸造法、喷射沉积法和渗透法。液态法中容易发生有害的界面反应3SiC+4Al→Al4C3+3Si;SiC颗粒存在铝液中,使溶液粘度提高,流动性降低,铸造时充填困难;而且,碳化硅颗粒与铝合金的相容性差,比重相差悬殊,容易在熔体中团聚或聚集,造成颗粒分布不均匀,影响铝基复合材料的性能。虽然在控制颗粒增强体的分布以及与铝基体的界面润湿性方面可以采用熔体搅拌法,但在后续冷却凝固过程中很难控制铝硅合金基体中初生硅相的析出与长大,大块状的硅颗粒使复合材料性能降低严重。通常SiCp/Al-30Si复合材料多采用固态法制备。

固态法亦即粉末冶金法。以往我们多采用冷压制坯+烧结的工艺方法。将已经初步压制成型的粉末冶金压坯零件在烧结设备中的真空或保护气氛环境中进行烧结成型。既使压力到600MPa-800MPa,烧结后复合材料的孔隙率仍很高、致密度较低,基本在90%以内,仍需要后续的热压致密化处理,制备工序复杂。

热压成型工艺是将预先混合好的粉料装入集成加热装置的模具中,放到压制设备上进行加热和压制。热压工艺方法主要特点在于将压制和烧结同时进行,使压坯接近理论密度,可以获得需要的强度和物理性能的粉末冶金零件。但该工艺集中在模具中进行,高温和压力会降低模具的使用寿命,对模具材质及结构要求较高。同时,模具材料不同,模具比热容与蓄热不同,制备过程中升温速率,保温时间影响模具温度的均匀一致性和复合材料组织均匀性;保温时间过长或加热温度过高,复合材料组织中析出的硅颗粒长大严重,同时也有部分金属铝析出到压坯表层;保温时间不足或加热温度过低,不能形成复合材料中增强体颗粒与铝基体的冶金结合;压制压力对复合材料压坯致密度及内部应力影响较大;降温速率及压力直接影响复合材料内应力的安全释放及裂纹缺陷的形成。故烧结工艺直接关系到复合材料的物理性能与力学性能。

由于铝硅合金的熔点较低,在SiCp/Al-30Si复合材料热压烧结制备工艺中,最难控制的就是加热温度和保温时间。要实现增强颗粒与基体的冶金结合需要较高的烧结温度,而高温使基体中析出的硅颗粒长大严重,甚至造成在压坯表层析出金属铝。合适的烧结温度范围窄,仅有10℃。同时,在真空中压制后内应力对压制压力和降温速率提出了更加严格的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种致密度高的碳化硅增强铝基复合材料。

本发明的另一目的是提供一种碳化硅增强铝基复合材料,以提高复合材料的致密度,避免气孔、裂纹等缺陷的出现。

为了实现以上目的,本发明碳化硅增强铝基复合材料所采用的技术方案是:一种碳化硅增强铝基复合材料,是由以下体积百分比的原料制成:325目的碳化硅粉末20-25%,余量为500目的Al-30Si合金粉末。

本发明的碳化硅增强铝基复合材料的制备方法如下:

1)在耐热模具的模腔内涂覆脱模剂,将碳化硅粉末与Al-30Si合金粉末混合后装入模具中,将模具放入真空热压烧结设备中抽真空,采田40MPa压力对模具内的混合粉料进行预压;

2)在真空和40MPa压力维持下对模具加热,30分钟内由室温升温至250℃并保持30分钟;再在30分钟内由250℃升温至400℃并保持30分钟;然后在30分钟内由400℃升温至560-570℃保持,将压力调整为60MPa,每加压1小时停止加压20分钟,如此反复共保温3~4小时,停止加热;

3)将模具在真空热压烧结设备中自然降温,降温过程中一直保持60MPa压力,温度降至350℃时停止加压,继续自然降温至200℃保温,调整压力为80MPa保温30分钟,停止加压,降温至室温;

4)取出模具,脱模得到复合材料。

所述碳化硅粉末与Al-30Si合金粉末采用行星球磨机进行混料。

所述行星球磨机中球料比为1∶1,混料时间为2-3h。

所述脱模剂是由75wt%石墨和25wt%机油混合而成。

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