專(zhuān)利名稱(chēng)：高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其復(fù)合制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，主要涉及鋁基復(fù)合材料及其制備方法，具體就是一種高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料是新材料研究的一個(gè)重要的方面軍，金屬基復(fù)合材料通常具備基體合金的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備增強(qiáng)體所帶來(lái)的特性，所以具備較基體合金優(yōu)越的性能特性。研究較多的有鎂基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料等。在復(fù)合材料的研究和制備中，增強(qiáng)體的尺寸、分布以及與基體的界面結(jié)合程度等對(duì)新材料的影響很大。
陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)、良好體積穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，適用于制造新型環(huán)?；钊飧?、剎車(chē)片及其它氣密性零件，同時(shí)也是制造連桿、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)子等的理想材料。因此陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)也是新材料研究的一個(gè)重要方向。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域均對(duì)新材料提出更高的要求，比如現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著大功率、高增壓、高緊湊、低散熱方向發(fā)展，這一發(fā)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件活塞的材料及成型技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，也就是要求新的材料具備高強(qiáng)韌、耐磨損、尺寸穩(wěn)定性好，同時(shí)也具備塑性好，加工性能優(yōu)良的輕材料，而目前現(xiàn)有技術(shù)中采用單一制備方法制備的復(fù)合材料還難于滿(mǎn)足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)新材料的要求。
由液體攪拌所制備的鋁基復(fù)合材料即外加顆粒制成的金屬基復(fù)合材料可以有效的提高材料的耐磨性，尺寸穩(wěn)定性和高溫拉伸性能。但是增強(qiáng)體與基體有害的界面反應(yīng)和低的界面結(jié)合強(qiáng)度，致使材料的塑性和疲勞性能降低，只能達(dá)到基體鋁合金的60～80％，并且硬質(zhì)的陶瓷顆粒致使材料的加工性能變差，加工能量增大，對(duì)刀具的磨損量增大。所有的這些嚴(yán)重的阻礙了該材料的推廣和運(yùn)用。
原位自生法制備復(fù)合材料是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的較新型的復(fù)合材料制備方法，它的基本原理是在一定條件下，依靠合金成分設(shè)計(jì)，通過(guò)在合金液內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷或金屬間化合物增強(qiáng)體而達(dá)到增強(qiáng)金屬基體的目的。由于增強(qiáng)體是通過(guò)原位反應(yīng)在基體中自生的，增強(qiáng)體與基體界面清潔，穩(wěn)定，結(jié)合強(qiáng)度大，沒(méi)有有害結(jié)合界面，分布均勻。增強(qiáng)體在復(fù)合材料中起到高溫增強(qiáng)作用和晶粒細(xì)化作用，所以制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、塑性和疲勞性能都有大幅度的提高。但是，由于增強(qiáng)體尺寸細(xì)小(≤1μm)，致使該材料的磨損和阻尼性能均與基體鋁合金相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能和外加顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料相比。
兩種復(fù)合材料的制備技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于單一制備技術(shù)制備復(fù)合材料的研究文獻(xiàn)很多，比如《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2000年04期上刊載的文章、《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》2003年03期上刊登顧敏等人研究了SiC和Gr(石墨)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能、阻尼性能，采用真空反壓滲透技術(shù)、噴射共沉技術(shù)、擠壓法成型。其增強(qiáng)物均為外加顆粒，尺寸大，存在有害界面結(jié)合，另外，工藝復(fù)雜，只適合實(shí)驗(yàn)室制作，不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》2004年07期上有對(duì)SiCw和納米SiCp混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備與評(píng)價(jià)，主要采用濕法成型。還有在《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2003年11期上刊載的文章是研究Al3O2和C短纖維混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高溫磨損性能，也主要采用擠壓滲透法成型。同樣均是外加增強(qiáng)物類(lèi)型，雖耐磨性的優(yōu)點(diǎn)突出，但制備的鋁基復(fù)合材料加工性能、抗疲勞性能和塑性均較差。
專(zhuān)利85108934和85102454分別報(bào)道了一種共晶活塞合金，均不是復(fù)合材料的范疇。
經(jīng)在現(xiàn)有的信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)檢索，采用復(fù)合制備技術(shù)進(jìn)行鋁基復(fù)合材料的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。同樣采用復(fù)合制備技術(shù)直接制備出的混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的信息也未見(jiàn)報(bào)道。
文獻(xiàn)檢索的結(jié)果表明本發(fā)明的研究在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。也未發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相同的文獻(xiàn)和信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)或方法存在的缺點(diǎn)，提供一種高強(qiáng)韌、耐高溫、耐磨損、耐疲勞、模量大(剛度好)、尺寸穩(wěn)定性好、重量輕的微-納米混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的制備該復(fù)合材料的復(fù)合制備技術(shù)。
本發(fā)明是在實(shí)踐和分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)采用單一方法制備的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有某些性能上突出優(yōu)點(diǎn)，而在另一些性能上又存在較大的缺陷。本發(fā)明的構(gòu)思是結(jié)合上述兩種單一復(fù)合材料制備方法，即將液態(tài)攪拌制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法與原位自生法制備復(fù)合材料的方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)一種新型的復(fù)合制備方法，這種新型的復(fù)合制備方法發(fā)揮了各單一制備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，制備的高強(qiáng)耐熱混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也是一種新的結(jié)合體，具備高強(qiáng)韌、高模量、耐熱、耐磨、耐疲勞、低膨脹的優(yōu)點(diǎn)。
下面對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明作為一種產(chǎn)品即新材料的實(shí)現(xiàn)在于以鋁合金為基體合金，其增強(qiáng)物為原位反應(yīng)生成的納米級(jí)Al3Ti、TiB2顆粒，和通過(guò)液態(tài)攪拌引入的微米級(jí)SiC顆粒。Al3Ti、TiB2重量百分比控制在1.0～3.0％，SiC重量百分比控制在8～10％。
本發(fā)明作為一種產(chǎn)品即新材料的實(shí)現(xiàn)還在于混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶3～10。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)在于還在于該復(fù)合材料的復(fù)合制備方法，即微-納米混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的復(fù)合制備方法的具體步驟為第一步選用鋁合金為基體合金，對(duì)基體合金進(jìn)行熔配；第二步對(duì)熔配好的基體合金變質(zhì)、除氣、精煉；第三步當(dāng)溫度在700～1000℃加入預(yù)熱的TiO2、Na3AlF6、KBF4粉末和SiC微粒，其加入量按上述生成增強(qiáng)物Al3Ti、TiB2的重量百分比控制和外加增強(qiáng)物SiC的重量百分比控制，并以600～2500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌20～50分鐘，待顆粒分布均勻后降溫至740～800℃；第四步再次除氣、精煉、撇渣；第五步靜置30分鐘，澆注零件。
在第一步中可以選用標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的鋁合金作為基體合金，也可以選用其它新型鋁合金作為基體合金。為防止增強(qiáng)物團(tuán)聚，在加入之前對(duì)其預(yù)熱，并在之后的步驟中進(jìn)行再次精練。本發(fā)明采用的設(shè)備為雖已失效，但曾為中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利的96236021.0的液態(tài)攪拌陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備裝置。
本發(fā)明將兩種單一的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法結(jié)合運(yùn)用，使原位自生法制備復(fù)合材料的方法與液態(tài)攪拌制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法相結(jié)合，不需要增加新的設(shè)備，在應(yīng)用原設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種新型的復(fù)合制備方法，這種新型的復(fù)合制備方法發(fā)揮了各單一制備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在采用原位自生法制備復(fù)合材料的過(guò)程中在由于依靠合金成分設(shè)計(jì)，通過(guò)在合金液內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷或金屬間化合物增強(qiáng)體，這些增強(qiáng)體顆粒細(xì)小，通常為納米級(jí)，在合金液中分布均勻，使得新的材料獲得良好的強(qiáng)度、塑性以及尺寸穩(wěn)定性；又在基體中通過(guò)液態(tài)攪拌技術(shù)增加了顆粒較大的SiC增強(qiáng)物，大大提高了材料的耐磨、耐熱性能。用該方法制備的高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料既有納米級(jí)的Al3Ti和TiB2增強(qiáng)顆粒，又有微米級(jí)的SiC增強(qiáng)顆粒，增強(qiáng)顆粒在基體中分布均勻，界面清潔穩(wěn)定，結(jié)合強(qiáng)度大，由于SiC顆粒、Al3Ti和TiB2顆粒的加入與良好結(jié)合，使得該材料的晶粒顯著細(xì)化，強(qiáng)度大幅度提高、延伸率基本不變的前提下將合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高100MPa；同時(shí)，材料的磨損性能提高一倍左右。制備過(guò)程工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
材料的強(qiáng)度和塑性通常是一對(duì)矛盾，對(duì)于某些材料可以偏重于強(qiáng)度，對(duì)于另一些材料可能偏重于塑性，本發(fā)明通過(guò)對(duì)增強(qiáng)物量和比例的調(diào)整，來(lái)控制強(qiáng)度和塑性的優(yōu)化結(jié)合，保證了這種新型復(fù)合材料高強(qiáng)韌性和高溫性能并重，使之成為具備高強(qiáng)韌、耐高溫、耐磨損、耐疲勞、模量大(剛度好)、尺寸穩(wěn)定性好、重量輕的高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明將兩種單一的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法結(jié)合運(yùn)用，不需要增加新的設(shè)備，在原設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種新型的復(fù)合制備方法，這種新型的復(fù)合制備方法發(fā)揮了單一制備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。用該復(fù)合制備方法制備的高強(qiáng)耐熱微-納米混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料既有納米級(jí)的Al3Ti和TiB2增強(qiáng)顆粒，又有微米級(jí)的SiC增強(qiáng)顆粒。使得該材料的晶粒顯著細(xì)化，強(qiáng)度大幅度提高、延伸率基本不變的前提下將合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高100MPa；同時(shí)，材料的磨損性能也提高一倍左右。


圖1為本發(fā)明微-納米混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的晶相組織照片；圖2為本發(fā)明復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相Al3Tip的明場(chǎng)像組織照片；圖3為同樣比例下為Al3Tip的衍射花樣照片；圖4為本發(fā)明復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相Al3Tip的花樣標(biāo)定照片；圖5為本發(fā)明復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相TiB2的TEM形貌圖6為本發(fā)明復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相TiB2的衍射花樣圖7為本發(fā)明復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相TiB2的花樣標(biāo)定；
圖8載荷0.24Mpa，300℃條件下基體合金和復(fù)合材料磨損量對(duì)比圖9是應(yīng)用本發(fā)明制備的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)施例1采用復(fù)合制備技術(shù)制備高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，具體為SiCP-Al3Ti-TiB2/ZL109復(fù)合材料。
第一步選用ZL109為基體合金，采用普通鋁合金熔煉法對(duì)基體合金進(jìn)行熔配；第二步對(duì)熔配好的基體合金精煉變質(zhì)；第三步在熔池表面覆蓋一薄層冰晶石粉后加熱到850℃，加入預(yù)熱的TiO2、Na3AlF6、KBF4粉末和SiC顆粒，其加入量按生成增強(qiáng)物Al3Ti、TiB2的重量百分比控制在1.6％，外加增強(qiáng)物SiC的重量百分比控制在8％，混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶5。開(kāi)動(dòng)液態(tài)攪拌裝置，以2000轉(zhuǎn)/分的速度攪拌30分鐘，待顆粒分布均勻后降溫至760℃；TiO2、Na3AlF6、KBF4粉末和SiC顆粒均為工業(yè)原料，化工材料市場(chǎng)有售。
第四步再次除氣、精煉、撇渣；第五步靜置30分鐘，澆注零件。
所得的該復(fù)合材料其組織結(jié)構(gòu)致密，見(jiàn)圖1，具有納米增強(qiáng)相Al3Ti，參見(jiàn)圖2，其衍射花樣見(jiàn)圖3，花樣標(biāo)定見(jiàn)圖4。具有納米增強(qiáng)相TiB2顆粒，參見(jiàn)圖5、其衍射花樣見(jiàn)圖6，花樣標(biāo)定見(jiàn)圖7。還具有微米增強(qiáng)相SiC顆粒，圖1中明顯可見(jiàn)。該復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度(T6)在340MPa，比ZL109基體合金提高了38.7％；該復(fù)合材料350℃拉伸強(qiáng)度在118MPa，比ZL109基體合金提高了30％；該復(fù)合材料的硬度比基體合金提高70％，彈性模量比基體合金提高5％，磨損性能比基體提高70％。具體性能對(duì)照見(jiàn)表1表1 Al3Ti-TiB2-SiCp/ZL109復(fù)合材料與基體合金材料性能對(duì)照表


實(shí)施例2采用復(fù)合制備技術(shù)制備SiCP-Al3Ti-TiB2/活塞鋁合金材料，以活塞鋁合金為基體合金，在其中原位反應(yīng)生成納米級(jí)的Al3Ti、TiB2顆粒，通過(guò)液態(tài)攪拌加入微米級(jí)的SiC顆粒增強(qiáng)，Al3Ti、TiB2重量百分比控制在1.6％，SiC重量百分比控制在9％，混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶5.65。方法同實(shí)施例1，制備的高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
該復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度在365MPa；該復(fù)合材料350℃拉伸強(qiáng)度在160MPa；磨損性能提高明顯，磨損率對(duì)照見(jiàn)表2，載荷為0.24Mpa，300℃條件下基體合金和復(fù)合材料磨損量見(jiàn)圖8。
表2材料的磨損率(室溫)

磨損率＝磨損量/(載荷壓強(qiáng)·滑動(dòng)距離)，單位為g/MPa·m。
應(yīng)用該材料澆注的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞見(jiàn)圖9，經(jīng)理化測(cè)試該材料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、高增壓、高緊湊、低散熱的要求，制備的活塞正在進(jìn)行試車(chē)試驗(yàn)。
實(shí)施例3采用復(fù)合制備技術(shù)制備SiCP-Al3Ti-TiB2/活塞鋁合金材料，以活塞鋁合金為基體合金，在其中原位反應(yīng)生成納米級(jí)的Al3Ti、TiB2顆粒，通過(guò)液態(tài)攪拌加入微米級(jí)的SiC顆粒增強(qiáng)，Al3Ti、TiB2重量百分比控制在1.0％，SiC重量百分比控制在10％，混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶10。方法同實(shí)施例1，制備的高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
實(shí)施例4
采用復(fù)合制備技術(shù)制備SiCP-Al3Ti-TiB2/活塞鋁合金材料，以活塞鋁合金為基體合金，在其中原位反應(yīng)生成納米級(jí)的Al3Ti、TiB2顆粒，通過(guò)液態(tài)攪拌加入微米級(jí)的SiC顆粒增強(qiáng)，Al3Ti、TiB2重量百分比控制在3.0％，SiC重量百分比控制在10％，混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶3.33。方法同實(shí)施例1，制備的高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
實(shí)施例5材料的成分和制備方法均同實(shí)施例2，不同的是步驟三反應(yīng)粉末的加入溫度700℃，反應(yīng)攪拌速度2500轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0分鐘，待顆粒分布均勻后溫度至740℃時(shí)進(jìn)行下面的步驟。完成制備高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
實(shí)施例6材料的成分和制備方法均同實(shí)施例2，不同的是步驟三反應(yīng)粉末的加入溫度1000℃，反應(yīng)攪拌速度600轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0分鐘，待顆粒分布均勻后溫度至800℃時(shí)進(jìn)行下面的步驟。完成制備高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
通過(guò)本發(fā)明的復(fù)合制備技術(shù)制備的微-納米混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有微米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐磨損、模量大(剛度好)、尺寸穩(wěn)定性好的特性。還具有納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高強(qiáng)韌、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)良特性。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)耐熱混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于以鋁合金為基體合金，在其中原位反應(yīng)生成納米級(jí)的Al3Ti、TiB2顆粒，通過(guò)液態(tài)攪拌加入微米級(jí)的SiC顆粒增強(qiáng)，Al3Ti、TiB2重量百分比控制在1.0～3.0％，SiC重量百分比控制在8～10％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)耐熱混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于混雜增強(qiáng)的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比為1∶1∶3～10。
3.一種高強(qiáng)耐熱混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的復(fù)合制備方法，其特征在于具體的制備步驟是第一步選用鋁合金為基體合金，對(duì)基體合金進(jìn)行熔配；第二步對(duì)熔配好的基體合金精煉；第三步當(dāng)溫度在700～1000℃加入預(yù)熱的TiO2、Na3AlF6、KBF4粉末和SiC微粒，其加入量按生成增強(qiáng)物Al3Ti、TiB2的重量百分比控制和外加增強(qiáng)物SiC的重量百分比控制，并以600～2500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌20～50分鐘，待顆粒分布均勻后降溫至740～800℃；第四步除氣精煉后撇渣后，再次精煉、除氣、變質(zhì)；第五步靜置30分鐘，澆注零件。
全文摘要
本發(fā)明為一種高強(qiáng)耐熱混雜顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其復(fù)合制備方法，該復(fù)合材料主要由基體合金和增強(qiáng)相組成，其中基體合金可以為標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)鋁合金，也可以其它鋁合金，增強(qiáng)相為原位反應(yīng)生成的納米級(jí)的Al
文檔編號(hào)C22C1/02GK1880494SQ20061004189
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月10日
發(fā)明者李建平, 郭永春, 李高宏, 楊忠, 夏峰, 楊覺(jué)民, 楊通 申請(qǐng)人:西安工業(yè)學(xué)院