專利名稱：一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制造領(lǐng)域，具體涉及ー種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
航天器設(shè)計(jì)中，尺寸穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用在高精密儀器、慣性平臺等領(lǐng)域，由于工作環(huán)境溫度變化幅度較大，以及儀器自身工作的需要，尤其是ー些光電設(shè)備，要求使用材料在溫度變化時，尺寸變化非常小，這就要求材料的熱膨脹系數(shù)非常小，甚至為零；材料需具有穩(wěn)定的抗拉強(qiáng)度，要求循環(huán)熱應(yīng)カ非常小。為了提高航天器的有效載荷，需要進(jìn)ー步降低材料的密度并增強(qiáng)材料的抗腐蝕性，滿足使用的要求。鎂合金是工程中最輕的金屬材料，但由于其存在強(qiáng)度低、易腐蝕等問題，限制了其 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。鈦合金的密度為4. 5g/cm3,不銹鋼材料的密度更大，對航天器來說，結(jié)構(gòu)重量的增加將導(dǎo)致發(fā)射成本的升高，同時制約其攜帶更多的有效載荷。銅、鋁或鋁合金都具有良好的熱傳導(dǎo)率、質(zhì)量較輕、成本低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，易于形成絕緣抗侵蝕薄膜，但是因?yàn)殇X與其氧化膜的熱膨脹系數(shù)相差很大，當(dāng)溫差較大時，氧化膜容易開裂，影響材料性能的穩(wěn)定性。此外，銅、鋁或鋁合金的熱膨脹系數(shù)太大(Al的CTE為23. 6X 10_6/°C，Cu的CTE為17. 8X10_6/°C )容易引發(fā)循環(huán)熱應(yīng)力。Cu/Mo合金和Cu/W合金具有較高的熱導(dǎo)率及相匹配的熱膨脹系數(shù)，但Mo、W的價格較高，加工、焊接性能差，且密度較高，不適合應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。作為復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外有許多關(guān)于SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究成果公諸于世，但是由于SiC與鋁或其合金的熱膨脹系數(shù)相差太大，組織中殘存較大的殘余應(yīng)力，后續(xù)處理復(fù)雜，在工作環(huán)境中容易引起熱循環(huán)應(yīng)力，后續(xù)處理復(fù)雜，在工作環(huán)境中容易引起熱循環(huán)應(yīng)力，影響材料強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，使得該復(fù)合材料具有較低的密度、較小的膨脹系數(shù)。本發(fā)明的目的還在于提供一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在于采用了一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，該復(fù)合材料是由以下重量百分比的化學(xué)成分組成SiC 23 35，Si 25 35，Mg I. 8 2,余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。所述碳化硅為立方晶型β _SiC，粒度為15 30 μ m，Al_30Si合金粉末粒度為5 8μπι;鎂粉粒度為3 5μπι。本發(fā)明還采用了一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，該方法具體步驟如下
(I)首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF浸泡SiC粉末，時間為2h，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；然后對SiC粉末進(jìn)行1100°C高溫焙燒，保溫3h ;對Al-30Si粉末進(jìn)行無水こ醇超聲波震蕩清洗，時間為lOmin，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；
(2)采用真空濕法高能球磨法對SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末進(jìn)行混料，以無水こ醇為介質(zhì)，時間為3 5h，轉(zhuǎn)速為230 250r/min，混料完畢后將漿料置于真空干燥箱中干燥；
(3)將混合好的原料粉末裝入磨具中，當(dāng)真空度達(dá)到3X10_2Pa吋，以5°C /min的速度加熱，溫度達(dá)到540 560°C，施加120MPa的壓力，保溫3h，然后隨爐冷卻，保壓至溫度降到100攝氏度。步驟(3)所述的磨具內(nèi)壁涂抹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的無水こ醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的剛玉粉，剛玉粉平均粒度為5 μ m。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案的一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，以Al-30Si合金粉為基體，熱膨脹系數(shù)非常小的SiC為增強(qiáng)體，鎂為界面反應(yīng)強(qiáng)化劑，采用真空熱壓燒結(jié)制備材料，增強(qiáng)相分布均勻、體積可調(diào)、制備過程中鎂不必經(jīng)過全熔的高溫狀態(tài)，避免了鋳造法帶來鎂的強(qiáng)烈氧化，基體與增強(qiáng)相界面處發(fā)生過量反應(yīng)的問題。本發(fā)明采用的材料Al_30Si合金粉與SiC的熱膨脹系數(shù)相差不大，材料組織中殘余應(yīng)カ很小，并且由于在真空熱壓燒結(jié)過程中多尺度硅相的析出，能夠明顯降低材料的熱膨脹系數(shù)及熱循環(huán)應(yīng)カ；通過對SiC粉末進(jìn)行表面處理，使SiC粉末表面尖角鈍化、粗糙度増大，提高粉末在基體中的分布均勻性，減少空洞的產(chǎn)生，同時，其表面產(chǎn)生納米級厚的SiO2薄膜。真空濕法高能球磨混料，使粉體實(shí)現(xiàn)機(jī)械合金化，提高材料分布均勻性，防止材料的氧化。通過加入鎂，在界面處產(chǎn)生ー層納米級Mg2Si及MgAl2O4產(chǎn)物，使界面變的粗糙，這些生成物的機(jī)械鑲嵌作用以及部分界面很強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合(其結(jié)合能遠(yuǎn)高于界面的物理結(jié)合能)，使粉末和基體的界面結(jié)合增強(qiáng)，有利于載荷在基體與增強(qiáng)體之間的傳遞，使得作用于基體的有效應(yīng)カ降低，阻止了裂紋的擴(kuò)展，從而能夠大大提高材料的抗拉強(qiáng)度。由于選取的材料密度都比較小，所制備的材料為輕質(zhì)材料。本發(fā)明的主要目的就是開發(fā)輕質(zhì)、低膨脹和一定強(qiáng)度的復(fù)合材料及制備方法，主要應(yīng)用在航天器領(lǐng)域，開發(fā)的新材料能夠提高航空航天器的有效載荷，滿足工作環(huán)境變化對材料性能穩(wěn)定性的要求。本發(fā)明所涉及的一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，具有以下特點(diǎn)密度〈2. 7g/cm3，熱膨脹系數(shù)在7 9X10_6/°C，抗拉強(qiáng)度>230MPa，且具有一定的抗腐蝕性。此方法解決了傳統(tǒng)材料熱膨脹系數(shù)與密度及力學(xué)性能之間的矛盾，可以滿足航空航天器領(lǐng)域?qū)Τ叽绶€(wěn)定性及重量的要求。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
本實(shí)施例的一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組成成分及重量百分比為SiC 26%，Si 33%，Mg 2%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。本實(shí)施例的具體制備方法如下步驟
(I)首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF浸泡SiC粉末，時間為2h，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；然后對SiC粉末進(jìn)行1100°C高溫焙燒，保溫3h ;對Al-30Si粉末進(jìn)行無水こ醇超聲波震蕩清洗，時間為lOmin，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；(2)采用真空濕法高能球磨法對SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末進(jìn)行混料，以無水こ醇為介質(zhì)，時間為4h，轉(zhuǎn)速為230r/min，混料完畢后將漿料置于真空干燥箱中干燥；
(3磨具內(nèi)壁涂抹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的無水こ醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的剛玉粉，剛玉粉平均粒度為5 μ m ;將混合好的原料粉末裝入磨具中，當(dāng)真空度達(dá)到3X 10_2Pa吋，以5°C /min的速度加熱，溫度達(dá)到540°C，施加120MPa的壓力，540°C保溫3h，然后隨爐冷卻，保壓至溫度降到IOO0C0本實(shí)施例的性能參數(shù)50°C 100°C之間的熱膨脹系數(shù)為8. 7X10_6/°C，密度為2. 65 g/cm3，室溫抗拉強(qiáng)度為238MPa。實(shí)施例2
本實(shí)施例的一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組成成分及重量百分比為SiC 27%，Si 29%，Mg 1.9%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。
本實(shí)施例的具體制備方法如下步驟
(1)首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF浸泡SiC粉末，時間為2h，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；然后對SiC粉末進(jìn)行1100°C高溫焙燒，保溫3h ;對Al-30Si粉末進(jìn)行無水こ醇超聲波震蕩清洗，時間為lOmin，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；
(2)采用真空濕法高能球磨法對SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末進(jìn)行混料，以無水こ醇為介質(zhì)，時間為3h，轉(zhuǎn)速為250r/min，混料完畢后將漿料置于真空干燥箱中干燥；
(3)磨具內(nèi)壁涂抹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的無水こ醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的剛玉粉，剛玉粉平均粒度為5 μ m ;將混合好的原料粉末裝入磨具中，當(dāng)真空度達(dá)到3X 10_2Pa吋，以5°C /min的速度加熱，溫度達(dá)到550°C，施加120MPa的壓力，550°C保溫3h，然后隨爐冷卻，保壓至溫度降到IOO0C0本實(shí)施例的性能參數(shù)50°C 100°C之間的熱膨脹系數(shù)為8. 5X10_6/°C，密度為
2.68 g/cm3，室溫抗拉強(qiáng)度為247MPa。實(shí)施例3
本實(shí)施例的一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組成成分及重量百分比為SiC30%，Si 28%，Mg I. 8%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。本實(shí)施例的具體制備方法如下步驟
(1)首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF浸泡SiC粉末，時間為2h，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；然后對SiC粉末進(jìn)行1100°C高溫焙燒，保溫3h ;對Al-30Si粉末進(jìn)行無水こ醇超聲波震蕩清洗，時間為lOmin，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；
(2)采用真空濕法高能球磨法對SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末進(jìn)行混料，以無水こ醇為介質(zhì)，時間為5h，轉(zhuǎn)速為240r/min，混料完畢后將漿料置于真空干燥箱中干燥；
(3)磨具內(nèi)壁涂抹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的無水こ醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的剛玉粉，剛玉粉平均粒度為5 μ m ;將混合好的原料粉末裝入磨具中，當(dāng)真空度達(dá)到3X 10_2Pa吋，以5°C /min的速度加熱，溫度達(dá)到560°C，施加120MPa的壓力，560°C保溫3h，然后隨爐冷卻，保壓至溫度降到IOO0C0本實(shí)施例的性能參數(shù)50°C 100°C之間的熱膨脹系數(shù)為7.9X10_6/°C，密度為
2.69 g/cm3，室溫抗拉強(qiáng)度為234MPa。
權(quán)利要求
1.一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述的復(fù)合材料由以下重量百分含量的化學(xué)成分組成=SiC 23 35%，Si 25 35%，Mg I. 8 2%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述的碳化硅為立方晶體β _SiC，粒度為15 30 μ m，鎂粉粒度為3 5 μ m，Al_30Si粉末粒度為5 8 μ m0
3.—種如權(quán)利要求I所述的用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的具體步驟如下 (1)首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF浸泡SiC粉末，時間為2h，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干；然后對SiC粉末進(jìn)行1100°C高溫焙燒，保溫3h ;對Al-30Si粉末進(jìn)行無水こ醇超聲波震蕩清洗，時間為lOmin，再用蒸餾水清洗，真空抽濾，烘干； (2)采用真空濕法高能球磨法對SiC粉末、Al-30Si粉末、Mg粉末進(jìn)行混料，以無水こ醇為介質(zhì)，時間為3 5h，轉(zhuǎn)速為230 250r/min，混料完畢后將漿料置于真空干燥箱中干燥； (3)將混好的原料裝入磨具中，當(dāng)真空度達(dá)到3X10_2Pa吋，以5°C/min的速度加熱，溫度達(dá)到540 560°C，施加120MPa的壓力，保溫3h，然后隨爐冷卻，保壓至溫度降低到100。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述的磨具內(nèi)壁涂抹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的無水こ醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的剛玉粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的剛玉粉平均粒度為5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于航天器的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料是由以下重量百分比的化學(xué)成分組成SiC 23～35%，Si 26～35%，Mg 1.8～2.0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的制備方法主要包括粉體的表面處理、真空濕法高能球磨混料、真空熱壓燒結(jié)。通過控制SiC、合金元素Mg的加入量及制備工藝，能有效的降低材料的熱膨脹系數(shù)及密度，提高抗拉強(qiáng)度，獲得成本較為低，熱膨脹系數(shù)為7～9×10-6/℃，密度<2.7g/cm3，抗拉強(qiáng)度>230MPa，且具有抗腐蝕性的復(fù)合材料。本發(fā)明特別適用于要求材料具有輕質(zhì)、低膨脹、耐腐蝕、一定強(qiáng)度要求性能的航空航天零件。
文檔編號C22C21/00GK102864361SQ20121029392
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者王愛琴, 倪增磊, 謝敬佩, 李繼文, 李洛利, 王文焱, 孫浩亮, 郝世明 申請人:河南科技大學(xué)