[发明专利]一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属金属材料领域，特别涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

铝基复合材料具有比强度和比刚度高，高温性能好，良好的耐磨性和耐疲劳性等优点，现已成为金属基复合材料中最常用最重要的材料之一，尤其是颗粒增强铝基复合材料不仅具有良好的力学性能，更具有一定的经济可行性。碳化硅颗粒具有高比强度、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、高熔点和热稳定性好等优点，因此，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在航空航天、汽车、电子等领域具有广泛的应用前景。

目前国内外针对碳化硅增强铝基复合材料的研究已有较多报道，采用的制备方法几乎全部是外加法，但是外加法中碳化硅增强相与铝基体之间界面结合不稳定，存在界面反应，增强效果不佳。在复合材料制备工艺中另一种方法是原位生成法，相对于外加法其优点在于：碳化硅粒子尺度小、界面清洁、与基体相容性好，从而可大大提高复合材料的力学性能。由于碳元素在铝熔体中的溶解度非常小，这极大地限制碳化硅相在铝熔体中的原位合成。文献[G Ferro and C Jacuquier.Growth by a vapour-liquid-solid mechanism:a new approach for silicon carbide epitaxy.New.J.Chem.2004,28:889-896]将甲烷和氩气的混合气体通入到覆盖铝-硅熔体的碳化硅籽晶中，在1100℃下利用液相外延生长制备碳化硅的方法，但是其设备复杂，难以大规模生产。申请号为ZL201010273924.0的中国专利报道了一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法，该方法采用铝-碳合金、工业结晶硅和铝-钛合金原料。但这种方法所需铝-碳中间合金制造成本较高。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种操作简便、工艺稳定、生产成本低、无污染且适合工业化生产的原位生成碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征包括以下的步骤：

(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：80.0%-97.0%的铝硅合金粉，3.0%-20.0%的改性石墨粉或铜包石墨粉；其中，铝硅合金粉中硅质量百分含量为20.0%-60.0%；铜包石墨粉中碳的质量百分含量为40.0%-60.0%，粒度范围为25-150微米；

(2)将铝硅合金粉球磨4-16个小时，再与改性石墨粉或铜包石墨粉经过物理机械方法混合4-20小时，装入到模具中冷压成型；

(3)将上述冷压成型的块体置入真空炉或有惰性气氛保护的烧结炉中，加热温度为670-1200℃，保温时间为15-120分钟，然后热挤压成型，炉冷之后即可得到原位生成SiC颗粒增强铝基复合材料。

本发明在制备复合材料的过程中，采用铝硅合金粉做为硅源，经过球磨处理，颗粒更加细小，明显提高铝硅合金粉的反应活性；采用改性石墨粉或者铜包石墨粉作为碳源，增加了石墨的表面活性，并会在反应过程中增加石墨在铝熔体中的润湿性，促进反应的进行。两种粉料经过物理机械混合后，在真空烧结过程中发生反应生成SiC颗粒，有两种反应途径：

途径一是渐进式的反应机制，石墨先与铝反应生成Al₄C₃，在硅的作用下最终演变为SiC。此途径中可以通过调控Al₄C₃相的形貌尺寸以及分布，进而对SiC颗粒形貌和尺寸进行调控。

途径二是爆炸式的反应机制，在能量足够的条件下，石墨可直接与硅作用原位生成SiC颗粒，此反应的时间较短，所生成的SiC颗粒尺寸一般较小。另外，通过均匀化处理，两种粉料均匀混合，石墨在整个体系中分配均匀，所以原位生成的SiC颗粒弥散分布在基体中。

步骤(2)中采用改性石墨粉或者铜包石墨粉，是为了提高石墨的内部结构（增加无序度）和表面活性（增加比表面积和断键数量），增加其在铝熔体中的活度和反应活性，从而加快碳化硅颗粒的生成速率。

由于增强体碳化硅颗粒经过原位反应直接生成，表面洁净、无污染，在基体中弥散分布，其尺寸在0.2μm-5μm之间。所得的复合材料具有较高的综合力学性能。本发明采用改性石墨或者铜包石墨直接作为碳源，无需其它合金的预先配置，不需要气体发生装置或控制装置，可以极大地降低生产成本，适合规模化的工业生产和应用。通过调整原料配比和合成温度等试验参数，可制备出力学性能优异的碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

具体实施方式