[发明专利]一种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，具体是一种用TIG焊表面熔覆的方法获得原位Al₃Zr颗粒增强铝基复合材料的工艺，该复合材料可用于制造一些耐磨零件。

背景技术

近年来，为了改善增强相和铝基体之间的界面相容性，原位反应生成铝基复合材料得到了广泛的关注，而制备耐磨铝基复合材料时常用高硅铝合金作为基体，并要求硅颗粒细小圆整，同时颗粒增强体细小并分布均匀。

原位增强铝基复合材料的主要方法有：自蔓延高温合成法、XDTM 技术、反应自发浸渗法、接触反应法、LSM 混合盐反应法、熔体直接反应法(DMR)、机械合金化法等；制备耐磨复合材料时可以高硅铝合金作为基体，高硅铝基复合材料具有很好的耐磨性，但是存在三个问题：（1）粗大的初生硅容易割裂基体，降低强度、耐磨性；（2）增强相的尺寸、大小和分布不易控制；（3）生产成本较高；常规处理方法有：加入变质剂细化硅颗粒，通过改变反应参数控制反应过程，但是效果都不是很好，或者增加了生产成本，为了解决这上述问题，采用TIG焊表面熔覆的方法获得原位颗粒增强高硅铝基复合材料不失为一种操作简便、成本低廉的解决方案，目前TIG焊熔覆法制备金属基原位复合材料仅在TiC颗粒增强铁基等少数体系复合材料上有相应报道，对于高硅铝基复合材料还未见报道，但对于表面熔覆法获得高硅铝基复合材料需要解决其熔覆结构、原位反应体系设计、原位颗粒形貌控制以及凝固后复合材料宏观组织控制等方面的原理及工艺还需进一步研究。

发明内容

本发明在实验研究的基础上，利用TIG焊表面熔覆原理提出了一种新型的原位Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备工艺，该方法获得的复合材料由Al₃Zr增强颗粒和高硅铝合金基体组成，初生硅形貌圆整、尺寸为10-20μm；Al₃Zr增强颗粒近似呈球状，尺寸为5-15μm，且弥散均匀分布在铝合金基体中；同时，该复合材料的磨损性能较基体合金有了显著提高。本发明的实施解决了初生硅粗大、增强相形貌及分布不易控制、生产成本高等高硅铝基复合材料中存在的三大问题。

一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，包括在待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽的步骤、原位反应粉末的配比及混料的步骤、将粉末涂覆凹槽内的步骤、自然干燥及烘干的步骤和采用钨极氩弧焊熔覆的步骤，其特征在于： 所述原位反应粉末的配比及混料的步骤为：按照质量分数计算，将Al粉、Si粉及K₂ZrF₆ 3种粉体按照配比混匀，其中Si粉占基体粉体Al粉和Si粉之和的12~30%，K₂ZrF₆粉占粉体总质量的10~20%；先粉末混合均匀后，在加入混合粉末的10~20%的PVA水溶液作为粘结剂，混合均匀后待用；所述采用钨极氩弧焊熔覆的步骤为：焊机采用直流正接，钨极采用钍钨极；电流为150A；电压为12-16V；焊速为1.8mm/s；钨极到熔覆层粉末表面的距离是2.5mm。

所述的一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述在待熔覆的铝合金表面切割出凹槽的步骤为：将待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽，凹槽深度与宽度比值1~1.2之间，宽度1~3mm，长度应大于20mm。

所述的一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述PVA溶液中PVA含量为1vol.%。

所述在铝合金表面切割出一条凹槽，然后在凹槽内生成复合材料，一方面为了防止电弧力将预置粉末吹跑，另一方面是根据电弧的熔覆作用，使其尽可能充分均匀地产生原位反应，在基体中获得增强颗粒。

所述对于基体（即由Si粉和Al粉熔覆而成的金属材料）是Al-Si二元合金，在此二元系中，Si含量大于12%为过共晶合金，随着Si含量的提高，其初生硅含量随之增加，基体硬度、耐磨性能也随之提高，但强韧性下降，本发明推荐Si粉占基体粉体的12~30%（质量分数）；K₂ZrF₆粉主要作用是在熔覆过程中产生原位Al₃Zr颗粒，其含量越高，所生成的颗粒数量也相应增加，本发明推荐其含量占粉体总质量的10~20%。