原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料及其制备工艺

摘要

本发明涉及不连续增强金属基复合材料技术领域，具体涉及一种原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料及其制备工艺。现有技术存在制备成本高、工艺复杂、颗粒与基体润湿性和相容性差缺点。为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料及其制备工艺：首先进行原位反应体系压块的制备：设计压块中将压块分为内外两层，外层和内层质量比分别按3:10进行配制，然后在压力机上进行压制，然后选用纯Al，Al-50%Cu为原料配制Al-4.5Cu基体合金，最后将压块加入到Al-4.5Cu合金熔体中进行原位反应。本发明与现有技术相比，原位生成的SiC颗粒更加细小，可达到亚微米级。

说明书

技术领域：

本发明涉及不连续增强金属基复合材料技术领域，具体涉及一种原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料及其制备工艺。

背景技术：

SiC颗粒增强铝基(SiC_p/Al )复合材料是最近二十年来在世界范围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金属基复合材料。该复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温、耐磨损、尺寸稳定性好等优良力学物理性能，又具各向同性的优点，因而被认为是一种理想的轻质结构材料，尤其在机动车辆发动机活塞、缸缸盖、缸体等关键产品和航空工业中具有广阔的应用前景。关于SiC颗粒增强铝基(SiC_p/Al )复合材料的制备工艺，最常见的是采用液态成形，具体方法是采用搅拌铸造法。即将预先处理好的SiC颗粒通过机械搅拌的方法加入到已经熔融的铝熔体中，对熔体进行精炼除气后浇注得到铸态复合材料试样。此方法的缺点有:（1）SiC颗粒的尺寸偏大（多为50-100μm）；（2）一般需要对SiC颗粒表面进行预处理；（3）对设备特别是机械搅拌装置的要求较高，否则SiC颗粒在复合材料中团聚严重；（4）外加SiC颗粒与Al基体之间的浸润性差导致二者的界面结合力弱，容易在界面处发生界面反应，生成Al₃Ti或Al₄C₃等有害相。

原位颗粒增强金属基复合材料因为具有颗粒更细、界面结合更强、对设备要求少和杂质少的优势，成为近年来迅速发展起来的一种新型复合材料。原位颗粒增强金属基复合材料的制备主要是采用原位合成技术，基本原理是在一定条件下，依靠合金成分设计，通过在合金液内发生化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体而达到增强金属基体的目的。目前采用铸造方法已经成功制备的原位颗粒增强金属基复合材料增强体以TiB₂和TiC为主。但是与TiB₂、TiC等陶瓷颗粒完全不同的是，SiC颗粒很难直接用借助于化学反应的原位技术来合成，这是因为Si与C之间以较强的共价键结合，铝液很难润湿碳，同时因为在合金熔体内通过化学反应直接合成SiC需要较高的能量，因此导致其制备十分困难。目前还没有见到采用普通铸造方法制备原位SiC颗粒增强铝基复合材料的相关报道。

发明内容：

本发明要提供一种原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料及其制备工艺，以克服现有技术存在的制备成本高、工艺复杂、颗粒与基体润湿性和相容性差缺点。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：

一种原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料的制备工艺制备工艺分为两个步骤：

（1）       原位反应体系压块的制备：

设计压块中Ti:C=1:1、Si:C=1:1(摩尔比)不变的条件下，将压块分为内外两层，钛粉和石墨粉混合物作为压块的外层，硅粉和石墨粉混合物作为压块的内层，外层和内层质量比按3:10进行配制，在压力机上进行压制，压力为20MPa，保压时间为5分钟，压制结束后将压块从模具中取出，放入干燥箱中干燥；

（2）       选用纯Al，Al-50%Cu为原料配制Al-4.5Cu基体合金，放入石墨坩埚内，加热熔化，在1000℃将压块加入到Al-4.5Cu合金熔体中进行原位反应，并用石墨棒将其压入熔体内部，压块质量占基体合金质量的3-5wt.%，待反应结束后，进行搅拌。降温至750℃用C₂Cl₆进行除气精炼，静置15-20min后，在720℃浇入金属拉伸试棒模型中，自然冷却，即制得铸态原位复合材料试棒；将复合材料在535±5℃保温9小时，取出立刻置于60～100℃水中淬火，再在175±5℃进行5小时时效处理。

一种用上述制备工艺制得的原位SiC-TiC颗粒混合增强铝基复合材料。

本发明采用原位反应技术成功地制备了原位SiC颗粒与TiC颗粒混合增强铝基复合材料，所制备的复合材料与传统SiC颗粒增强铝基(SiC_p/Al )复合材料相比，其优势是：

（1）与外加SiC颗粒制备SiC增强铝基复合材料相比，原位生成的SiC颗粒更加细小，可达到亚微米级；

（2）通过对原位反应体系的成分和结构设计，利用钛粉和石墨粉生成TiC所放出的热量来补偿Si与C之间的弱放热反应，采用铸造方法获得了原位SiC颗粒。SiC是通过化学反应在基体合金内部直接生成，因此省去了预先处理，且与基体的浸润性好，界面结合更强；

（3）SiC通过化学反应在基体合金内部直接生成，仅依靠手工石墨棒的搅拌即可实现分布均匀，对设备要求很低，普通高温熔炼炉即可满足制备要求。

（4）因反应时分布均匀，SiC颗粒与Al基体相容性好，原位生成的SiC颗粒不易与Al基体发生界面反应，因此复合材料组织中很少出现Al₃Ti或Al₄C₃。

附图说明：

图1是压块的结构示意图；

图2是实施例2所制备的复合材料的金相组织图；

图3是实施例2所制备的复合材料的室温拉伸端口SEM形貌图；

图4是实施例2所制备的复合材料中SiC颗粒与TiC颗粒TEM形貌图；

图5是实施例2所制备的复合材料中SiC衍射花样图；

图6是实施例2所制备的复合材料中TiC衍射花样图。

具体实施方式：

    下面将结合实施例对本发明进行详细地描述。

实施例1，

将摩尔比为1的硅粉（99%纯度、200目）和石墨粉（99%纯度、200目）在研钵中研磨混合均匀；将摩尔比为1的钛粉（99%纯度、200目）和石墨粉（99%纯度、200目）在研钵中研磨混合均匀。参见图1，将两种混合粉体放入直径为35毫米模具，钛粉和石墨粉混合物作为压块的外层，硅粉和石墨粉混合物作为压块的内层，外层与内层的质量比为3：10（使硅粉和石墨粉混合物处于中间，周围为钛粉和石墨粉的混合物）。压块在压力机上进行压制。压力为20MPa，保压时间为5分钟。压制结束后将压块从模具中取出，放入干燥箱中干燥。

选用纯Al锭，Al-50%Cu中间合金锭为原料配制Al-4.5Cu基体合金，放入石墨坩埚内，加热熔化， 在1000℃，用石墨棒将3wt.％压块（压块质量占基体合金质量的3wt.%）压入熔体内部，待反应结束后，进行搅拌。降温至750℃用C₂Cl₆进行除气精炼，静置15min后，在720℃浇入金属拉伸试棒模型中，自然冷却，即制得铸态原位复合材料试棒；将复合材料在535±5℃保温9小时，取出立刻置于60℃水中淬火，再在175±5℃进行5小时时效处理。

室温拉伸性能测试结果：抗拉强度达到406MPa，延伸率达到11.3%；

实施例2，

将摩尔比为1的硅粉（99%纯度、200目）和石墨粉（99%纯度、200目）在研钵中研磨混合均匀；将摩尔比为1的钛粉（99%纯度、200目）和石墨粉（99%纯度、200目）在研钵中研磨混合均匀。将两种混合粉体放入直径为35毫米模具，钛粉和石墨粉混合物作为压块的外层，硅粉和石墨粉混合物作为压块的内层，外层与内层的质量比为3：10（使硅粉和石墨粉混合物处于中间，周围为钛粉和石墨粉的混合物）。压块在压力机上进行压制。压力为20MPa，保压时间为5分钟。压制结束后将压块从模具中取出，放入干燥箱中干燥。选用纯Al锭，Al-50%Cu中间合金锭为原料配制Al-4.5Cu基体合金，放入石墨坩埚内，加热熔化， 在1000℃，用石墨棒将5wt.％压块（（压块质量占基体合金质量的5wt.%））压入熔体内部，待反应结束后，进行搅拌。降温至750℃用C₂Cl₆进行除气精炼，静置20min后，在720℃浇入金属W拉伸试棒模型中，自然冷却，即制得铸态原位复合材料试棒；将复合材料在535±5℃保温9小时，取出立刻置于60℃水中淬火，再在175±5℃进行5小时时效处理。

室温拉伸性能测试结果：抗拉强度达到428MPa，延伸率达到8.9%。

实施例2所制备的复合材料的金相组织图、室温拉伸端口SEM形貌图、复合材料中SiC颗粒与TiC颗粒TEM形貌图、复合材料中SiC衍射花样图、复合材料中TiC衍射花样图参见图1-图6。