本發(fā)明涉及鋁基復合材料，特別涉及一種SiC顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術：

顆粒增強鋁基復合材料PAMCs(Particle reinforced aluminum matrix composites，簡稱PAMCs)具有比強度高、比剛度高、耐磨性好、減震性好等優(yōu)點，并且可通過改變增強顆粒的種類、含量、尺寸等實現(xiàn)不同的力學和使用性能，近年來得到了較快的發(fā)展。SiC顆粒具有熱膨脹系數(shù)小、強度高、密度低、耐磨性好的優(yōu)點，使得SiC顆粒增強鋁基復合材料具有廣泛的應用前景。攪拌鑄造法具有所需設備簡單、操作方便、成本低、生產效率高的特點，適合用于大規(guī)模批量的工業(yè)生產，是最具發(fā)展前景的PAMCs制備方法。

目前攪拌鑄造法制備SiC顆粒增強鋁基復合材料主要選用現(xiàn)有牌號的鑄造或變形鋁合金作為基體，這些合金并不是為鋁基復合材料開發(fā)，所制備的復合材料基體和顆粒潤濕性差，易出現(xiàn)顆粒團聚和鑄造缺陷(如：Microstructure and properties of A356-10％SiC particle composite castings at different solidification pressures[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(8):2222-2228；Studies on squeeze casting of Al 2124alloy and 2124-10％SiCp mental matrix composites[J].Materials Science and Engineering:A,2008,490(1-2):235-241)，導致力學性能低下。

近年來，研究者對于攪拌鑄造法制備SiC顆粒增強鋁基復合材料進行了大量研究，研究表明，隨著顆粒體積分數(shù)的增加，材料的屈服強度和硬度逐漸增加，伸長率逐漸降低；隨著顆粒尺寸的加大，材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度均降低；同時也發(fā)現(xiàn)，小尺寸的顆粒容易發(fā)生團聚，導致顆粒分布不均勻，進而降低材料的力學性能。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種SiC顆粒增強鋁基復合材料，兼有良好強度和韌性。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，制備得到的SiC顆粒增強鋁基復合材料兼有良好強度和韌性且顆粒分布均勻。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種SiC顆粒增強鋁基復合材料，以AlMgSi合金為基體，以SiC顆粒為增強體；所述SiC顆粒的尺寸為10-20μm；所述SiC增強顆粒的總體積占復合材料總體積的9％-13％；

所述AlMgSi合金的成分按以下質量百分比含有：

所述的SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)按AlMgSi合金的成分稱量純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu，并熔化制得熔體；

(2)開啟惰性氣體保護系統(tǒng)，啟動攪拌裝置，在600-610℃的溫度下，攪拌步驟(1)得到的熔體，攪拌速度為300-400rpm；將SiC顆粒加入到攪拌形成的漩渦中，得到復合材料熔體；

(3)對步驟(2)得到的復合材料熔體進行顆粒均勻化處理；

(4)對步驟(3)處理后的復合材料熔體進行擠壓鑄造成形。

步驟(1)所述熔化制得熔體，具體為：

將坩堝電阻爐溫度升溫至100-300℃保溫1-2h，待溫度穩(wěn)定后將稱量好的純鋁、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩堝電阻爐中熔化；然后升溫至710-720℃，加入Al-5％Ti-B中間合金，待爐料完全熔化后進行精煉除氣，加入除渣劑除渣；在730-740℃時加入純Mg，然后通高純氬氣精煉。

步驟(2)所述的SiC顆粒為經(jīng)過預處理的SiC顆粒，預處理的步驟為：

將SiC顆粒置于箱式電阻爐中在300-500℃條件下保溫2-4h，然后升溫至800-1000℃焙燒4-6h，空冷至室溫；利用超聲波清洗儀將SiC顆粒用無水乙醇清洗3-4次；將清洗后的SiC顆粒置于真空干燥箱內，在70-100℃條件下保溫，直至完全干燥。

步驟(3)所述顆粒均勻化處理，具體為：

在步驟(2)添加完SiC顆粒后，繼續(xù)攪拌10-20min，然后升溫至700-720℃進行顆粒均勻化攪拌處理，攪拌時間20-30min，攪拌速度為200-300rpm。

步驟(4)所述擠壓鑄造成形，具體為：

模具預熱150-250℃，擠壓壓力為100-150MPa，保壓40-50s。

步驟(2)中攪拌方向為逆時針；步驟(3)中攪拌方向為順時針。

步驟(1)中所述純鋁為工業(yè)純鋁。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明制備出的SiC顆粒增強鋁基復合材料兼具有良好的強度、韌性和彈性模量：平均抗拉強度大于320MPa、伸長率大于6％、彈性模量大于87GPa。

2、本發(fā)明通過增加Mg元素的含量，可以降低鋁合金表面張力，增加SiC顆粒與基體合金的潤濕性，提高SiC顆粒分布均勻度。

3、本發(fā)明通過增加Mn元素的含量，可以降低鋁合金中Fe相對復合材料力學性能的有害作用，又可以有效降低復合材料和鋼質模具的粘著力，提高模具壽命。

4、本發(fā)明通過增加Ti元素的含量，可以增加SiC顆粒與基體合金的潤濕性及兩者的界面結合能，從而提高復合材料的力學性能。

5、本發(fā)明選用顆粒尺寸為10-20μm、顆粒體積分數(shù)為(9-13)％的SiC顆粒，通過攪拌鑄造工藝制備復合材料熔體，既有效減少了SiC顆粒團聚，增加顆粒分布均勻度，又保證了良好的力學性能。

6、本發(fā)明通過擠壓鑄造成形技術成形復合材料，有利于減少縮松縮孔缺陷，提高復合材料力學性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施例制備的SiC顆粒增強鋁基復合材料的微觀組織的SEM形貌圖。

圖2為本發(fā)明的實施例制備的SiC顆粒增強鋁基復合材料的拉伸斷口的SEM形貌圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

一種SiC顆粒增強鋁基復合材料，所用原材料為：工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、顆粒尺寸為20μm的SiC顆粒。其中，基體AlMgSi合金的成分為：Mg含量1.3％、Si含量為0.92％、Mn含量0.1％、Fe含量0.03％、Ti含量0.1％、Cu含量0.3％，其余為Al；SiC顆粒體積分數(shù)為10％。

本實施例的SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備過程如下：

(1)AlMgSi合金的配制和熔煉：按照AlMgSi合金成分要求稱取適量的工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；將坩堝電阻爐溫度升溫至200℃保溫1h，待溫度穩(wěn)定后將稱量好的工業(yè)高純鋁、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩堝電阻爐中熔化；然后升溫至720℃，加入Al-5％Ti-B中間合金，待爐料完全熔化后進行精煉除氣，加入除渣劑除渣；在730℃時加入純Mg，通高純氬氣精煉。

(2)SiC顆粒的預處理。稱取一定量的SiC顆粒置于箱式電阻爐中在400℃條件下保溫2h，然后升溫至900℃焙燒4h，空冷至室溫；利用超聲波清洗儀將SiC顆粒用無水乙醇清洗3次；將清洗后的SiC顆粒置于真空干燥箱內，在80℃條件下保溫，直至完全干燥。

(3)SiC顆粒的加入。首先將爐膛溫度降至640℃，使鋁液溫度降至610℃，開啟氣體保護系統(tǒng)，啟動攪拌裝置，將步驟(2)得到的SiC顆粒加入到攪拌形成的漩渦中，攪拌速度為300rpm，攪拌旋轉方向為逆時針。

(4)復合材料熔體的顆粒均勻化處理。顆粒添加完畢后，繼續(xù)攪拌10min，然后升溫至700℃進行顆粒均勻化攪拌處理，攪拌時間20min，攪拌速度為200rpm，攪拌旋轉方向為順時針。

(5)擠壓鑄造成形。顆粒均勻化處理結束后，升溫至720℃保溫10min，然后進行擠壓鑄造實驗，模具預熱200℃，擠壓壓力為100MPa，保壓40s。

(6)本實例制備得到的SiC顆粒增強鋁基復合材料具有良好的強度、韌性和彈性模量：平均抗拉強度328MPa、伸長率6.1％、彈性模量87GPa。

圖1為本實施例制備的SiC顆粒增強鋁基復合材料的表面SEM形貌圖，可知SiC顆粒分布均勻；SiC顆粒保持原尖角形貌，基體組織中未發(fā)現(xiàn)反應物。

圖2為本實施例制備的SiC顆粒增強鋁基復合材料的拉伸斷口的SEM形貌圖，可見斷面呈現(xiàn)韌性斷裂模式。

實施例2

一種SiC顆粒增強鋁基復合材料，所用原材料為：工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、顆粒尺寸為10μm的SiC顆粒。其中，基體AlMgSi合金的成分為：Mg含量1.0％、Si含量為0.8％、Mn含量0.8％、Fe含量0.25％、Ti含量0.1％、Cu含量0.5％，其余為Al；SiC顆粒體積分數(shù)為13％。

本實施例的SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備過程如下：

(1)AlMgSi合金的配制和熔煉。按照AlMgSi合金成分要求稱取適量的工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；將坩堝電阻爐溫度升溫至100℃保溫2h，待溫度穩(wěn)定后將稱量好的工業(yè)高純鋁、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩堝電阻爐中熔化；然后升溫至710℃，加入Al-5％Ti-B中間合金，待爐料完全熔化后進行精煉除氣，加入除渣劑除渣；在730℃時加入純Mg，通高純氬氣精煉。

(2)SiC顆粒的預處理。稱取一定量的SiC顆粒置于箱式電阻爐中在300℃條件下保溫4h，然后升溫至800℃焙燒6h，空冷至室溫；利用超聲波清洗儀將SiC顆粒用無水乙醇清洗4次；將清洗后的SiC顆粒置于真空干燥箱內，在100℃條件下保溫，直至完全干燥。

(3)SiC顆粒的加入。首先將爐膛溫度降至630℃，使鋁液溫度降至600℃，開啟氣體保護系統(tǒng)，啟動攪拌裝置，將步驟(2)得到的SiC顆粒加入到攪拌形成的漩渦中，攪拌速度為400rpm，攪拌旋轉方向為逆時針。

(4)復合材料熔體的顆粒均勻化處理。顆粒添加完畢后，繼續(xù)攪拌20min，然后升溫至710℃進行顆粒均勻化攪拌處理，攪拌時間20min，攪拌速度為300rpm，攪拌旋轉方向為順時針。

(5)擠壓鑄造成形。顆粒均勻化處理結束后，升溫至710℃保溫20min，然后進行擠壓鑄造實驗，模具預熱250℃，擠壓壓力為100MPa，保壓50s。

本實例制備得到的SiC顆粒增強鋁基復合材料具有良好的強度、韌性和彈性模量：平均抗拉強度321MPa、伸長率6.5％、彈性模量88GPa。

實施例3

一種SiC顆粒增強鋁基復合材料，所用原材料為：工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、顆粒尺寸為15μm的SiC顆粒。其中，基體AlMgSi合金的成分為：Mg含量2.5％、Si含量為2.0％、Mn含量0.5％、Fe含量0.15％、Ti含量0.3％、Cu含量0.2％，其余為Al；SiC顆粒體積分數(shù)為9％。

本實施例的SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備過程如下：

(1)AlMgSi合金的配制和熔煉。按照AlMgSi合金成分要求稱取適量的工業(yè)純鋁、純Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；將坩堝電阻爐溫度升溫至300℃保溫1h，待溫度穩(wěn)定后將稱量好的工業(yè)高純鋁、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩堝電阻爐中熔化；然后升溫至720℃，加入Al-5％Ti-B中間合金，待爐料完全熔化后進行精煉除氣，加入除渣劑除渣；在740℃時加入純Mg，通高純氬氣精煉。

(2)SiC顆粒的預處理。稱取一定量的SiC顆粒置于箱式電阻爐中在500℃條件下保溫2h，然后升溫至1000℃焙燒4h，空冷至室溫；利用超聲波清洗儀將SiC顆粒用無水乙醇清洗3次；將清洗后的SiC顆粒置于真空干燥箱內，在70℃條件下保溫，直至完全干燥。

(3)SiC顆粒的加入。首先將爐膛溫度降至650℃，鋁液溫度降至610℃，開啟氣體保護系統(tǒng)，啟動攪拌裝置，將步驟(2)得到的SiC顆粒加入到攪拌形成的漩渦中，攪拌速度為350rpm，攪拌旋轉方向為逆時針。

(4)復合材料熔體的顆粒均勻化處理。顆粒添加完畢后，繼續(xù)攪拌10min，然后升溫至720℃進行顆粒均勻化攪拌處理，攪拌時間30min，攪拌速度為300rpm，攪拌旋轉方向為順時針。

(5)擠壓鑄造成形。顆粒均勻化處理結束后，升溫至720℃保溫10min，然后進行擠壓鑄造實驗，模具預熱150℃，擠壓壓力為150MPa，保壓40s。

本實例制備得到的SiC顆粒增強鋁基復合材料具有良好的強度、韌性和彈性模量：平均抗拉強度326MPa、伸長率6.1％、彈性模量89GPa。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。