[發明專利]一種Al3Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210279137.6
• 申請日: 2012-08-08
• 公開（公告）號: CN102864450A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 賈志宏;趙玉濤;陳霖;張松利
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K9/04;B23K9/23
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種Al₃Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備方法，具體是一種用TIG焊表面熔覆的方法獲得原位Al₃Zr顆粒增強鋁基復合材料的工藝，該復合材料可用于制造一些耐磨零件。

背景技術

近年來，為了改善增強相和鋁基體之間的界面相容性，原位反應生成鋁基復合材料得到了廣泛的關注，而制備耐磨鋁基復合材料時常用高硅鋁合金作為基體，并要求硅顆粒細小圓整，同時顆粒增強體細小并分布均勻。

原位增強鋁基復合材料的主要方法有：自蔓延高溫合成法、XDTM?技術、反應自發浸滲法、接觸反應法、LSM?混合鹽反應法、熔體直接反應法(DMR)、機械合金化法等；制備耐磨復合材料時可以高硅鋁合金作為基體，高硅鋁基復合材料具有很好的耐磨性，但是存在三個問題：（1）粗大的初生硅容易割裂基體，降低強度、耐磨性；（2）增強相的尺寸、大小和分布不易控制；（3）生產成本較高；常規處理方法有：加入變質劑細化硅顆粒，通過改變反應參數控制反應過程，但是效果都不是很好，或者增加了生產成本，為了解決這上述問題，采用TIG焊表面熔覆的方法獲得原位顆粒增強高硅鋁基復合材料不失為一種操作簡便、成本低廉的解決方案，目前TIG焊熔覆法制備金屬基原位復合材料僅在TiC顆粒增強鐵基等少數體系復合材料上有相應報道，對于高硅鋁基復合材料還未見報道，但對于表面熔覆法獲得高硅鋁基復合材料需要解決其熔覆結構、原位反應體系設計、原位顆粒形貌控制以及凝固后復合材料宏觀組織控制等方面的原理及工藝還需進一步研究。

發明內容

本發明在實驗研究的基礎上，利用TIG焊表面熔覆原理提出了一種新型的原位Al₃Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備工藝，該方法獲得的復合材料由Al₃Zr增強顆粒和高硅鋁合金基體組成，初生硅形貌圓整、尺寸為10-20μm；Al₃Zr增強顆粒近似呈球狀，尺寸為5-15μm，且彌散均勻分布在鋁合金基體中；同時，該復合材料的磨損性能較基體合金有了顯著提高。本發明的實施解決了初生硅粗大、增強相形貌及分布不易控制、生產成本高等高硅鋁基復合材料中存在的三大問題。

一種Al₃Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備方法，包括在待熔覆的鋁合金表面切割出一條凹槽的步驟、原位反應粉末的配比及混料的步驟、將粉末涂覆凹槽內的步驟、自然干燥及烘干的步驟和采用鎢極氬弧焊熔覆的步驟，其特征在于：?所述原位反應粉末的配比及混料的步驟為：按照質量分數計算，將Al粉、Si粉及K₂ZrF₆?3種粉體按照配比混勻，其中Si粉占基體粉體Al粉和Si粉之和的12~30%，K₂ZrF₆粉占粉體總質量的10~20%；先粉末混合均勻后，在加入混合粉末的10~20%的PVA水溶液作為粘結劑，混合均勻后待用；所述采用鎢極氬弧焊熔覆的步驟為：焊機采用直流正接，鎢極采用釷鎢極；電流為150A；電壓為12-16V；焊速為1.8mm/s；鎢極到熔覆層粉末表面的距離是2.5mm。

所述的一種Al₃Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備方法，其特征在于：所述在待熔覆的鋁合金表面切割出凹槽的步驟為：將待熔覆的鋁合金表面切割出一條凹槽，凹槽深度與寬度比值1~1.2之間，寬度1~3mm，長度應大于20mm。

所述的一種Al₃Zr顆粒增強高硅鋁基復合材料的制備方法，其特征在于：所述PVA溶液中PVA含量為1vol.%。

所述在鋁合金表面切割出一條凹槽，然后在凹槽內生成復合材料，一方面為了防止電弧力將預置粉末吹跑，另一方面是根據電弧的熔覆作用，使其盡可能充分均勻地產生原位反應，在基體中獲得增強顆粒。

所述對于基體（即由Si粉和Al粉熔覆而成的金屬材料）是Al-Si二元合金，在此二元系中，Si含量大于12%為過共晶合金，隨著Si含量的提高，其初生硅含量隨之增加，基體硬度、耐磨性能也隨之提高，但強韌性下降，本發明推薦Si粉占基體粉體的12~30%（質量分數）；K₂ZrF₆粉主要作用是在熔覆過程中產生原位Al₃Zr顆粒，其含量越高，所生成的顆粒數量也相應增加，本發明推薦其含量占粉體總質量的10~20%。