[发明专利]氧化铝陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的低压加压制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低压下制作高耐磨性氧化铝陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料

背景技术

近年来，金属基复合材料(Metal Material Composite:MMC)因其具有高比强度、比模量以及耐磨等优点使其在机车、航空等领域上得到了广泛的应用。而随着金属基复合材料的问世，各种制作工艺如高压加压铸造法和粉末冶金法等技术被开发了出来。然而这两种方法均存在缺陷，在粉末冶金法中，强化材料尺寸的大小对试样的机械性能起到了决定性因素，因此，该方法仅适用于以单纯的陶瓷粒子作为强化材料。另一方面，在传统的高压加压鋳造法中，液体合金通过高压加压(～100MPa)渗透到陶瓷纤维或粒子所制作的胚体中。由于压强过大，在加压过程中可能会产生强化纤维的位移，破损或强化粒子的沉积从而导致强化材料在合金基体中分散不均等问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，发明人研发了一种新的制造工艺：低压加压铸造法(Low Pressure Infiltration:LPI)，MMC能在很低的压强下(0.1～0.4MPa)被制造出来。与之前的工艺法相比，LPI法降低了生产成本，提高效率，解决了强化材料在液体合金中更容易均匀的分散等问题，并且在纤维与粒子混合中，陶瓷纤维呈现三维分布，在摩擦磨损时保护了陶瓷粒子的脱落。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：氧化铝陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的低压加压制备方法，包括以下步骤：

(1)向装有乙醇的烧杯中加入粘合剂，待粘合剂完全溶解后添加纯Al粒子、Al₂O₃纤维和Al₂O₃粒子，使液体与Al₂O₃纤维/粒子均匀附着；

(2)将步骤1所得试料放入试管内，同时压缩试管两端，制成高度为1～2cm圆柱体，将圆柱体放置在电炉内加热，使粘合剂全分解后取出，得到Al₂O₃陶瓷胚体；其中加热温度不易过高，温度过高会发生热膨胀现象对复合材料产生负影响，优选温度为773K。

(3)将陶瓷珠粒，Al₂O₃陶瓷胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5～0.8mm的实验管中，开口直径过大加压时将会使液体合金瞬间流出，过小将会提高对压力值要求而无法达到低压加压的状态。陶瓷珠粒的加入可有效防止液体受到加压后直接喷出，作为优选，陶瓷珠粒直径为1mm。通过高周波加热器加热至Al-基合金完全熔化，从试管上方加入Ar气体0.2～0.4MPa到液体合金表面，使液体合金渗透到Al₂O₃陶瓷胚体中；当液体合金从试管口中缓慢流出后停止加压，待冷却后得到金属基复合材料。

优选的，所述粘合剂为聚乙烯乙二醇(PEG)。由于PEG的官能团为羟基，在制作胚体成型时通过加热将分解成二氧化碳及水分，对材料没有任何影响。

优选的，纯Al粒子直径为18μm，Al₂O₃纤维直径为3～10μm，Al₂O₃粒子直径为20μm。在该尺寸范围下，颗粒之间分布更均匀，颗粒间缝隙不大，试样的耐磨性最佳。

优选的，所述Al-基合金为Cu含量为4mass％的铜铝合金，在此条件下的铝铜合金可做时效硬化处理。

优选的，步骤(3)中加热器加热温度为1173K。

优选的，步骤(3)中加热器加压压为0.2Mpa。

本发明制备出的Al₂O₃纤维/粒子金属基复合材料与单纯填加Al₂O₃纤维或Al₂O₃粒子制备的金属基复合材料在耐磨性上相比具有以下优点：

1、本发明通过添加纯Al粒子与熔融态Al-基合金接触并熔化增加强化材料之间的空隙，降低了压铸时所需要的压力，达到低压加压的目的。与传统的固相法、液相法相比具有低成本，效率高等优点。

2、本发明通过Al₂O₃纤维与强化粒子混合，解决了强化材料在液体合金中更容易均匀的分散等问题。