一種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法

2023-05-23 14:32:06

專利名稱：：一種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種鋁基複合材料的製備方法，特別涉及一種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法。
背景技術：
：纖維增強鋁基複合材料以其高的比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性，優異的耐高溫性能和低的熱膨脹係數，良好的導電、導熱性、抗疲勞性和潮溼或輻射環境下良好的尺寸穩定性等優點，已在航天航空、汽車、機械電子等領域作為高強度耐高溫材料，顯示出巨大的應用潛力。纖維增強鋁基複合材料中的纖維含量一般為10-30vol^，可以體現金屬的優異性能，製造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法、擴散粘接法和粉末冶金法等。以下分別予以簡述(—)熔融浸潤法熔融浸潤法是用液態鋁及鋁合金浸潤纖維束，或將纖維束通過液態鋁及鋁合金熔池，使每根纖維被液態鋁潤溼後除去多餘的金屬面得到複合絲，再經擠壓而製得複合材料。其缺點是當纖維很容易被浸潤時，熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷(田中郎平，《纖維增強金屬基複合材料》，冶金工業出版社，1986)。[OOOS](二)擴散粘接法擴散粘接法主要是指鋁箔與經表面處理後浸潤鋁液的纖維絲或複合絲或單層板按規定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基複合材料。此外，擴散粘接法還包括常壓燒結法、熱壓法、高溫擠拉法(《金屬基複合材料及其製備技術》，化學工業出版社，ISBN號7502592571)。(三)粉末冶金法粉末冶金法是傳統的粉末冶金工藝在新的工程材料製備上的發展。隨著制粉工藝的發展和分散工藝方法的完善，人們已經利用粉末冶金法成功製備了大量性能優異的鋁基複合材料。它們不僅具有高比強、高比模、低膨脹、高抗磨的特點，而且可以隨意調整工藝路線。這種方法製備的鋁基複合材料中增強相分布均勻，界面反應易於控制，在性能和穩定性上大大優於其它工藝方法製備的材料(中國專利CN1487109"粉末冶金自生成陶瓷顆粒增強鋁基複合材料及其製備方法")。[ooog](四)加壓鑄造法加壓鑄造法是使熔融鋁及鋁合金強制壓入內置纖維預製件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所製得複合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有孔隙和縮孔等常規鑄造缺陷。鑄造壓力和增強纖維含量對鋁基複合材料的性能有較大影響(PengLM.Mechanicalpropertiesofceramic—metalcompositesbypressureinfiltrationofmetalintoporousceramics,MaterialsScienceandEngineeringA，2004，374:1_9)。綜上，在纖維增強鋁基複合材料的製備方面所存在的問題是1、由於纖維價格昂貴，對人體又具有毒性，未能正常使用在零部件上。2、大部分複合材料中纖維相是不連續的。研究表明，當複合材料中的增強相和基體呈互穿網絡分布結構時，可以表現出更優異的力學性能。3、陶瓷預製體與熔融金屬液潤溼性差。沒有外加壓力，熔融金屬液難以完全滲入陶瓷預製體內。
發明內容本發明針對現有鋁基複合材料製備方法所存在的缺陷，提供了一種結合碳熱還原法和壓鑄法優點的製備氮化矽增強鋁基複合材料的新工藝。利用碳熱還原反應燒結法製備具有棒狀晶粒結構的多孔氮化矽陶瓷，控制固相含量在20_30%，再利用壓鑄法將熔融的鋁液壓入氣孔中，形成與現有的纖維增強的鋁基複合材料具有類似無機纖維含量的材料。此種方法具有產品性能優異、生產工藝簡單，製備成本低的優點。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的—種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，包括下述步驟(1)按重量百分數氧化矽6067.5%、碳黑22.530%、a-Si3N4晶種110%、Y203110%分別進行稱量，溼法球磨乾燥後製備成混合粉末，(2)將混合粉末過篩製成造粒料裝入模具型腔內，模壓成形為坯件；(3)將坯件在氮氣流量為3L/min、氮氣壓力為6個大氣壓條件下升溫到1750°C，保溫2小時，獲得多孔氮化矽燒結體，(4)將多孔氮化矽燒結體放入壓鑄機模腔內加熱模腔至500700°C，或者先單獨預熱燒結體至50070(TC後再放入壓鑄機模腔內；同時，將鋁合金加熱至熔融狀態；(5)將熔融鋁合金液倒入放置燒結體的壓鑄機模腔內，(6)依靠壓鑄機上壓頭將熔融鋁合金液壓入多孔氮化矽燒結體中，形成鑄塊，當壓強達到2040MPa的時候，停止加壓，並保持壓力10分鐘，待鑄塊冷卻後從模腔取出；(7)將鑄塊重新加熱去除鑄塊外邊多餘的鋁合金；(8)對去除多餘鋁合金的鑄塊進行熱處理得到氮化矽增強鋁基複合材料。上述方法中，所述步驟(1)氧化矽與碳黑的質量比值為23。所述步驟(3)燒結過程中升溫速度為4°C/min。所述步驟(4)中鋁合金的熔融溫度為750850°C。所述步驟(5)壓鑄機與液態金屬直接接觸的模腔內塗有脫模劑。所述步驟(8)熱處理工藝如下將試樣放入馬弗爐後在半小時內將爐溫從室溫升至50(TC，保溫6小時，然後將試樣取出水淬，再在18(TC保溫6小時消除內應力。本發明採用碳熱還原法製備的多孔氮化矽陶瓷材料作為增強相的預製件，利用加壓鑄造技術製備了力學性能優異的氮化矽增強鋁基複合材料。相對於現有的纖維增強金屬基複合材料，具有如下優點①碳熱還原法製備的多孔氮化矽預製體氣孔率可以達到70%(由於反應有44%的失重)，所以獲得的氮化矽增強鋁基複合材料的增強相含量較低(小於30%)，接近於通常的纖維增強鋁合金複合材料的纖維增強相含量(大約20%)。而使用控制燒結工藝製備的氮化矽預製體氣孔率比較低(小於50%)。②本發明方法製備的複合材料為互穿孔網絡組織，陶瓷增強鋁基複合材料的應用中，陶瓷網絡骨架承載大部分的重量，而大部分纖維增強的鋁合金複合材料中的纖維增強相是不連續的，所以本發明方法製備的複合材料的微觀組織優於纖維增強的鋁合金複合材料。③由於碳熱還原法製備的多孔氮化矽陶瓷材料的晶粒交疊的針狀P_Si3N4組織，非常接近於氮化矽纖維，根據纖維增強增韌理論，具有很高長徑比的P-Si3N4晶粒所產生的橋接和拔出效應阻止裂紋的擴展，因此複合材料的結構和性能也與纖維增強的鋁合金複合材料相近，具有優異的力學性能。因為熔融鋁合金液與氮化矽的潤溼性非常差，擠壓鑄造法通過機械壓力使熔融鋁合金液強行進入多孔氮化矽預製體內氣孔，壓力一直保持到凝固結束。此方法不但可以克服多孔氮化矽預製體與熔融鋁合金液潤溼性差的不足，同時由於浸滲時間短，凝固速度快而避免氮化矽在製備複合材料的過程中與熔融鋁合金液發生不良反應，施加的機械壓力不但能夠克服預製體內的各種阻力，而且還能使熔融鋁合金液前沿的熱氣流排出型腔，提高了熔融鋁合金液對多孔氮化矽預製體微小氣孔的填充能力，使壓鑄後的複合材料緻密度大幅度升高。所以通過結合碳熱還原法和壓鑄法的優點，本發明製備的氮化矽增強鋁基複合材料具有緻密度高，力學性能優異的特點。圖1為實施例7壓鑄前的多孔氮化矽燒結體顯微形貌照片。圖2為實施例7壓鑄後氮化矽增強鋁基複合材料顯微形貌照片。圖3為實施例8壓鑄後氮化矽增強鋁基複合材料顯微形貌照片。圖4是實施例7壓鑄後的氮化矽增強鋁基複合材料XRD圖譜。具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，包括下述步驟(1)按表1組成實施例分別進行稱量，其中氧化矽粉與碳黑的質量比為23，溼法球磨乾燥後製備成混合粉末，(2)將混合粉末過篩製成造粒料裝入模具型腔內，模壓成形為不同組分的坯件；(3)將不同組分的坯件分別在氮氣流量為3L/min、氮氣壓力為6個大氣壓、升溫速度為4°C/min條件下，升溫到1750°C，保溫2小時，獲得不同組分的多孔氮化矽燒結體(預製體)。(4)壓鑄機各部分組裝後將各組分的多孔氮化矽燒結體分別放入壓鑄機模腔內加熱模腔至50070(TC，或者先單獨預熱燒結體至50070(TC後再放入壓鑄機模腔內；同時，將鋁合金加熱至75085(TC達到熔融狀態；壓鑄機模腔內與液態金屬直接接觸的部分塗上脫模劑，以方便脫模。(5)將熔融鋁合金液倒入放置燒結體的壓鑄機模腔內。(6)依靠壓鑄機上壓頭將熔融鋁合金液壓入多孔氮化矽燒結體中，形成鑄塊，當壓強達到2040MPa的時候，停止加壓，並保持壓力10分鐘，待鑄塊冷卻後從模腔取出；(7)將鑄塊重新加熱去除鑄塊外邊多餘的鋁合金；(8)對去除多餘鋁合金的鑄塊進行T6熱處理工藝後得到複合材料，具體工藝如下將試樣放入馬弗爐後在半小時內將爐溫從室溫升至50(TC，並保溫6小時，然後將試樣取出水淬，再在18(TC保溫6小時消除內應力。鋁合金加熱溫度為750850°C，如果溫度不到750°C，鋁合金不能完全融化，沒有任何流動性，不能壓鑄。如果溫度大於850°C，熔融鋁合金液的流動性太高，容易從模具結合處溢出，使壓鑄過程無法進行，此外熔融鋁合金液溫度過高易氧化，造成原材料的浪費，使生產成本增高。加熱壓鑄機模腔或燒結體單獨預熱的溫度為500700°C，如果溫度不到500°C，造成熔融鋁合金液逐漸凝固或者流動性嚴重降低，對壓鑄過程產生很大的阻力，熔融鋁合金液對陶瓷預製體的微小氣孔的填充能力降低，導致壓鑄後的複合材料緻密度太低，如果溫度大於700°C，高溫下鋁合金液易氧化，造成原材料的浪費，使生產成本增高，同時，在高溫下在金屬與陶瓷界面上可能生成脆性相，從而降低複合材料的性能。壓鑄壓力為2040MPa，如果壓力不到20MPa，施加的機械壓力不能夠克服預製體內的各種阻力，而且還不能使液態合金液體前沿的熱氣流排出型腔，導致壓鑄後的複合材料緻密度太低，如果壓力太低，導致壓鑄過程無法完成。如果壓力大於40MPa，會對壓鑄機和模具造成損壞，甚至造成預製體的斷裂。本發明採用阿基米德排水法測定表1各實施例多孔氮化矽預製體和氮化矽增強鋁基複合材料的開氣孔率。掃描電子顯微鏡在試樣斷面上觀察顯微組織。由上述方法獲得的實施例1-13氮化矽增強鋁基複合材料測定室溫下的三點彎曲強度和斷裂韌性，用維氏硬度儀進行顯微硬度試驗。這些氣孔率和力學性能的性能結果如表2所示。其中實施例7壓鑄前、後的多孔氮化矽燒結體顯微形貌照片及XRD圖譜分別如圖1、圖2、圖4所示；實施例8壓鑄後氮化矽增強鋁基複合材料顯微形貌照片如圖3所示。表1本發明氮化矽多孔預製體的組成和性能tableseeoriginaldocumentpage6從表1可以看出在壓鑄機模腔的溫度為50070(TC，鋁合金加熱溫度為750850°C，壓鑄壓力為2040MPa的範圍內壓鑄，複合材料表現出了很高的彎曲強度，斷裂韌性和顯微硬度。分別最高可達675MPa，11.33MPam1/2，366HV.從圖1可以看出，碳熱還原法製備的多孔氮化矽預製體具有細小針狀結構的13相氮化矽的微觀結構，氣孔率比較大。從圖2和圖3可以觀察到少量針狀13-Si3N4相晶粒，以及針狀晶被拔出所留下的痕跡，形狀較為規則的長條狀凹坑，針狀晶沿垂直斷裂方向被拔出後留下的孔洞。基體鋁合金是韌性相，其斷裂的過程會發生大量的塑性變形，所以在微觀上會形成韌窩，表現為斷口上會出現發亮的撕裂稜。從圖4中可以看到複合材料的相組成為13_Si3N4，Al，Y8Si304N14。表2本發明氮化矽增強鋁基複合材料壓鑄條件和性能tableseeoriginaldocumentpage7權利要求一種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，包括下述步驟(1)按重量百分數氧化矽60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si3N4晶種1～10％、Y2O31～10％分別進行稱量，溼法球磨乾燥後製備成混合粉末，(2)將混合粉末過篩製成造粒料裝入模具型腔內，模壓成形為坯件；(3)將坯件在氮氣流量為3L/min、氮氣壓力為6個大氣壓條件下升溫到1750℃，保溫2小時，獲得多孔氮化矽燒結體，(4)將多孔氮化矽燒結體放入壓鑄機模腔內加熱模腔至500～700℃，或者先單獨預熱燒結體至500～700℃後再放入壓鑄機模腔內；同時，將鋁合金加熱至熔融狀態；(5)將熔融鋁合金液倒入放置燒結體的壓鑄機模腔內，(6)依靠壓鑄機上壓頭將熔融鋁合金液壓入多孔氮化矽燒結體中，形成鑄塊，當壓強達到20～40MPa的時候，停止加壓，並保持壓力10分鐘，待鑄塊冷卻後從模腔取出；(7)將鑄塊重新加熱去除鑄塊外邊多餘的鋁合金；(8)對去除多餘鋁合金的鑄塊進行熱處理得到氮化矽增強鋁基複合材料。2.如權利要求1所述的氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟(1)中，氧化矽與碳黑的質量比值為23。3.如權利要求1所述的氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟(3)燒結過程中升溫速度為4°C/min。4.如權利要求1所述的氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟(4)中鋁合金的熔融溫度為750850°C。5.如權利要求1所述的氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟(5)與液態金屬直接接觸的壓鑄機模腔內塗有脫模劑。6.如權利要求1所述的氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟(8)中的熱處理工藝如下將試樣放入馬弗爐後在半小時內將爐溫從室溫升至50(TC，保溫6小時，然後將試樣取出水淬，再在18(TC保溫6小時消除內應力。全文摘要本發明公開了一種氮化矽增強鋁基複合材料的製備方法，按重量百分比，將下述組分氧化矽60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si3N4晶種1～10％、Y2O31～10％，溼法球磨乾燥後製備成混合粉末，過篩造粒後模壓成形為坯件；將坯件在氮氣壓力為6個大氣壓條件加熱到1750℃保溫2小時燒結，獲得相對密度為20-30％的多孔氮化矽預製體。將多孔氮化矽燒結體放入壓鑄機模腔內加熱模腔至500～700℃，或者先單獨預熱燒結體至500～700℃後再放入壓鑄機模腔內；同時，將鋁合金加熱至熔融狀態，倒入放置著預製體的模腔內，通過壓力機將熔融鋁合金液壓入多孔氮化矽預製體中，最後待鑄塊冷卻後從模腔取出進行熱處理，即得到氮化矽增強鋁基複合材料。文檔編號C22C47/08GK101717900SQ20091021932公開日2010年6月2日申請日期2009年12月4日優先權日2009年12月4日發明者喬冠軍,劉榮臻,李春芳,楊建鋒,陸偉忠,魯元,鮑崇高申請人:西安交通大學