[發明專利]一種碳化硅增強鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110427149.4
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN102676883A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 王愛琴;謝敬佩;孫浩亮;李繼文;王文焱;李洛利
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 牛愛周

技術領域

本發明涉及一種碳化硅增強的鋁基復合材料，同時涉及一種該復合材料的制備方法，屬于無機復合材料技術領域。

背景技術

近年來，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料以其特有的低膨脹性、高比強度、高比模量、高耐磨等優良性能，已逐步被航空航天工業所認可，同時在汽車的活塞和剎車系統等領域中也有廣泛的應用。

高體積分數的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料很難致密。而致密度是決定材料力學性能的重要因素。如何提高材料的致密度，是復合材料制備中非常關鍵問題。現有的制備方法大致可分為液態法和固態法兩類。

液態法主要有鑄造法、噴射沉積法和滲透法。液態法中容易發生有害的界面反應3SiC+4Al→Al₄C₃+3Si；SiC顆粒存在鋁液中，使溶液粘度提高，流動性降低，鑄造時充填困難；而且，碳化硅顆粒與鋁合金的相容性差，比重相差懸殊，容易在熔體中團聚或聚集，造成顆粒分布不均勻，影響鋁基復合材料的性能。雖然在控制顆粒增強體的分布以及與鋁基體的界面潤濕性方面可以采用熔體攪拌法，但在后續冷卻凝固過程中很難控制鋁硅合金基體中初生硅相的析出與長大，大塊狀的硅顆粒使復合材料性能降低嚴重。通常SiCp/Al-30Si復合材料多采用固態法制備。

固態法亦即粉末冶金法。以往我們多采用冷壓制坯+燒結的工藝方法。將已經初步壓制成型的粉末冶金壓坯零件在燒結設備中的真空或保護氣氛環境中進行燒結成型。既使壓力到600MPa-800MPa，燒結后復合材料的孔隙率仍很高、致密度較低，基本在90％以內，仍需要后續的熱壓致密化處理，制備工序復雜。

熱壓成型工藝是將預先混合好的粉料裝入集成加熱裝置的模具中，放到壓制設備上進行加熱和壓制。熱壓工藝方法主要特點在于將壓制和燒結同時進行，使壓坯接近理論密度，可以獲得需要的強度和物理性能的粉末冶金零件。但該工藝集中在模具中進行，高溫和壓力會降低模具的使用壽命，對模具材質及結構要求較高。同時，模具材料不同，模具比熱容與蓄熱不同，制備過程中升溫速率，保溫時間影響模具溫度的均勻一致性和復合材料組織均勻性；保溫時間過長或加熱溫度過高，復合材料組織中析出的硅顆粒長大嚴重，同時也有部分金屬鋁析出到壓坯表層；保溫時間不足或加熱溫度過低，不能形成復合材料中增強體顆粒與鋁基體的冶金結合；壓制壓力對復合材料壓坯致密度及內部應力影響較大；降溫速率及壓力直接影響復合材料內應力的安全釋放及裂紋缺陷的形成。故燒結工藝直接關系到復合材料的物理性能與力學性能。

由于鋁硅合金的熔點較低，在SiCp/Al-30Si復合材料熱壓燒結制備工藝中，最難控制的就是加熱溫度和保溫時間。要實現增強顆粒與基體的冶金結合需要較高的燒結溫度，而高溫使基體中析出的硅顆粒長大嚴重，甚至造成在壓坯表層析出金屬鋁。合適的燒結溫度范圍窄，僅有10℃。同時，在真空中壓制后內應力對壓制壓力和降溫速率提出了更加嚴格的要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種致密度高的碳化硅增強鋁基復合材料。

本發明的另一目的是提供一種碳化硅增強鋁基復合材料，以提高復合材料的致密度，避免氣孔、裂紋等缺陷的出現。

為了實現以上目的，本發明碳化硅增強鋁基復合材料所采用的技術方案是：一種碳化硅增強鋁基復合材料，是由以下體積百分比的原料制成：325目的碳化硅粉末20-25％，余量為500目的Al-30Si合金粉末。

本發明的碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法如下：

1)在耐熱模具的模腔內涂覆脫模劑，將碳化硅粉末與Al-30Si合金粉末混合后裝入模具中，將模具放入真空熱壓燒結設備中抽真空，采田40MPa壓力對模具內的混合粉料進行預壓；

2)在真空和40MPa壓力維持下對模具加熱，30分鐘內由室溫升溫至250℃并保持30分鐘；再在30分鐘內由250℃升溫至400℃并保持30分鐘；然后在30分鐘內由400℃升溫至560-570℃保持，將壓力調整為60MPa，每加壓1小時停止加壓20分鐘，如此反復共保溫3～4小時，停止加熱；

3)將模具在真空熱壓燒結設備中自然降溫，降溫過程中一直保持60MPa壓力，溫度降至350℃時停止加壓，繼續自然降溫至200℃保溫，調整壓力為80MPa保溫30分鐘，停止加壓，降溫至室溫；

4)取出模具，脫模得到復合材料。

所述碳化硅粉末與Al-30Si合金粉末采用行星球磨機進行混料。

所述行星球磨機中球料比為1∶1，混料時間為2-3h。

所述脫模劑是由75wt％石墨和25wt％機油混合而成。