[发明专利]一种非连续增强铝基复合材料的制造方法

说明书

本发明涉及一种非连续增强铝复合材料的制造方法。尤其是对增强材料为碳化硅晶须，碳化硅颗粒、硼酸铝晶须和氧化铝短纤维等，基体材料为各种铝合金和纯铝的非连续增强铝基复合材料的制造方法。

挤压铸造方法是制造非连续增强铝基复合材料的一种常用方法。在这种方法中，首先将增强材料制成具有一定形状和尺寸预制块，将预制块放入压铸模具中，再将熔化的液态铝浇入同一模具中，施加一定的压力，液态铝在压力下渗入预制块中并随后凝固，最后得到非连续增强的铝基复合材料。由于在这种方法中液铝在高压下凝固，因此复合材料中的空隙率较低。通过研究表明，当为降低复合材料中的孔隙率而提高复合压力时，增强体预制块要发生一定的压缩变形。预制块的变形将对复合材料的制造带来以下三方面不利因素：第一，由于预制块的压缩变形使预制块中增强体相对含量提高，这样就不可能生产出增强体相对含量较低的复合材料。例如，用一级加压法在较高压力下制造碳化硅晶须增强铝基复合材料时，预制块中晶须体积含量为15%，基体合金为LD2（一种锻造铝合金），预制块和模具的预热温度为450℃，液态铝合金浇铸温度为750℃，压力为30MPa。对所得复合材料的质量检验结果表明：复合材料的孔隙率为1%，复合材料的晶须体积含量为20%，说明在压铸过程中预制块发生了较大的压缩变形（大约为30%）。同时，发现晶须预制块在挤压铸预制块的变形将有可能使复合材料中增强相发生不均匀分布，如果变形严重，有可能使预制块开裂，导致复合材料不能使用。

为避免或减小预制块的变形，常用的方法是降低挤压铸造时的压力，但由于液态铝在凝固前所受的压力不足，使得制造出的复合材料的孔隙率较高，强度和塑性较低。例如，在其它参数与上述实例相同的情况下，将压力改为10MPa（计算结果表明这时的渗透压为5MPa）。对所得复合材料的质量检验结果表明：复合材料的孔隙率为5%，复合材料的晶须体积含量为15%，说明在压铸过程中虽然预制块没有发生压缩变形，但由于液态铝合金凝固时压力较低，导致复合材料中孔隙率较大。对这样的复合材料进行的机械性能测试结果表明，其强度和塑性明显低于压力为30MPa时的值（前者的强度和塑性分别为35MPa和0.5%，而后者的分别为55MPa和3%）。

本发明的目的在于提出一种即能减小增强体预制块在挤压铸造过程中变形，又能保证所制得的复合材料具有较低的孔隙率的非连续增强铝基复合材料的制造方法。

本发明采用的压铸设备为一般的液压机，发明的基本过程和工艺参数如下：

第一、制造出具有一定形状尺寸和增强体相对含量的预制块，增强体可以为碳化硅晶须，碳化硅颗粒，硼酸铝晶须和氧化铝短纤维。

第二、将预制块放入模具中，进行预热，预热温度为300～550℃。将铝合金或纯铝熔化。

第三、将液态铝浇入模具中，施加第一级压力。第一级压力为5～20MPa，保压时间为5～15sec/cm，其中cm为预制块高度或渗透距离的长度单位。

液态铝渗入预制块的过程为第一过程，将这一过程中的压力过程为第一级压力。预制块的变形是在第一过程中发生的，受第一级压力的控制，因此为减小预制块的变形，第一级压力应尽可能小，但应大于预制块的临界渗透压。预制块的临界渗透压取决于增强体的形状和尺寸、预制块中增强体的相对含量、液态铝的合金成分以及渗透前沿液态铝的温度。

第一级压力加压时间取决于预制块的高度（渗透距离），第一级压力加压时间一定要保证第一过程全部完成。

第四、将压力提高至第二级压力，压力大小为50～100MPa，保压时间为30～90sec/kg，其中kg为复合材料重量单位。

液态铝的凝固过程为第二过程，将这一过程中的压力称为第二级压力。第二级压力的大小是决定复合材料中孔隙率大小的主要因素，因此为降低复合材料中的孔隙率，第二级压力应尽可能高。

第二级压力的加压时间应保证第二过程全部完成，即液态铝全部凝固。

用以上两级加压铸造工艺可以制造出预制块变形量小于2%，复合材料中孔隙率小于1%的非连续增强铝基复合材料。