铝基复合粉末混合物和其制取方法

摘要

本发明属于粉末冶金，可以在精密机械制造产品中作为结构材料应用，包括在制造高使用性能的飞行仪器控制系统指令仪器方面的应用。复合粉末混合物含有以下比例的组分，质量％：硅：41－43；镍：4.1－5.2；磷：0.05－0.1；氮化铝：0.01－0.05；铝：余量。制取铝基复合粉末混合物的方法包括含铝、硅、镍熔料的制备，硅粉的添加，而且在得到熔融物时向其补充添加磷，用氮气在保证形成氮化铝的温度和压力下进行熔融物的雾化。本发明允许制取带均匀的精细分散结构、保证材料能满意进行变形处理的工艺可塑性、在线形膨胀系数、真空密封性和尺寸稳定性上与铍水平相当的材料，总体上有助于显著提高产品在长期使用期间的使用可靠性。该材料和铍不同，是生态清洁的。

说明书

技术领域

该发明属于粉末冶金法，可以在各种国民经济领域(仪器制造、航空航 天、火箭、船舶制造、汽车、纺织等)应用，这些领域要求产品将下列性质 集于一身：线形膨胀系数低、稳定性高、比重小、加工性能满意和生态 清洁。

在此之前的技术水平

众所周知，现在铍是制造飞行仪器控制系统指令仪器的主要结构材料之 一，它符合仪器零件的必要要求：比重小、线形膨胀系数低、尺寸稳定性高、 真空密封性好等(E.A.尼肯金、C.A.舍斯托夫、B.A.玛特维耶夫，“陀螺 系统。陀螺仪器元件”，高等教育出版社，1988年，432页)。

该材料的主要缺点是加工非常困难、价格高、有毒。

添加25％硅、5％镍和15％氮化硅的难熔化合物的铝基合金业已为 人所知的复合材料(俄罗斯联邦专利号：2016120，国际专利分类号C22C 21/14，91年5月17日32/00)。

该材料的缺点是在长期使用时不能保证所要求的使用特性的可靠性和 稳定性。

添加硅、镍和难熔组分(呈粉状的晶体硅)的铝合金组成的粉末复 合材料已为人所知，该合金的物理机械性能是最接近铍的。(俄罗斯联 邦专利：2149201，国际专利分类号C22C 21/14，2000年5月20日32 /00)。

该材料的不足之处在于由于结构不均匀导致工艺可塑性低、稳定性低， 运行性不佳，有气孔，比重和线膨胀系数较高，从而降低了产品使用的可靠 性。

由添加硅、铍、氧化铝和晶体硅作难熔组份的铝基合金组成的粉末复 合材料(俄罗斯联邦专利号：2175682，国际专利分类号C22C 21/02，2 001年11月101/04)已为人所知，是最类似(原型)本项发明的。

该材料的缺点在于结构不均匀，工艺可塑性降低，采用有毒元件素铍 作合金组分。

制取复合材料的方法包括含有铝、铜、镁的熔融物料的制备，碳化硅 粉的添加(B.C.罗曼洛夫，K.M.特怒普金“粉末复合物冲压半成品的生产和 其性能研究”。轻合金工艺合集，苏联全苏轻合金研究所，1993，No.12， 49-53页)，这种方法已为人所知。

该方法的缺点在于提高了密度、线形膨胀系数较高和材料尺寸的不稳 定性。

包括含铝、硅、镍的熔融物料的制备、雾化、添加硅粉的复合材料制 取方法(俄罗斯联邦专利号：No.2149201，国际专利分类号：C22C 21/ 14，2000年5月20日32/00)已为人所知。

该方法的不足之处在于长期使用时由于结构不均匀、有气孔和尺寸稳 定性不够而导致材料的使用性能不稳定，使用不可靠。

包括铝、硅、镍、铍、氧化铝的熔融物料的制备、雾化、添加硅粉的 复合材料制取方法(俄罗斯联邦专利号：No.2175682，国际专利分类号C 22C 21/02，2001年11月10日1/04)已为人所知，是最类似(原型) 本项发明的。

该方法的不足之处在于在产品长期使用时不能保证使用性能稳定。

发明内容简述

根据本发明补充含有磷和氮化铝的硅、镍的复合铝粉混合物，解决了 上面所提的任务，其组分比例如下：质量％：

-硅：41-43

-镍：4.1-5.2

-磷：0.05-0.1

-氮化铝：0.01-0.05

-铝：余量。

按照本发明制取铝粉构成混合物的方法包括含铝、硅、镍的熔融物料 的制备，雾化和硅粉的添加并在制备过程中补充添加磷，在保证形成氮化铝 的温度和压力下，用氮气进行熔融物的雾化。

提出的粉末混合物的组成和其制取方法可以：

-首先，由于磷原子在生长的晶体的棱面上的吸附，以及晶体化一晶体 群(Si_K)的晶种数量的增加使晶体生长受阻，通过这种方法实现原始晶体 硅的晶变机制；

-其次，由于晶变过程和氮化相(AIN)形成的共同作用使分散系熔 融物的冷却速度更高，其结果使每个颗粒的基体固体溶液体内的原始晶 体硅以及金属间相NiAl₃、FeAl₃、AlN、AIP的生长速度降低，分布 更加均匀。

-第三，在粉末颗粒表面上形成氮化相有利于激化下一步由粉末形成半 成品时的扩散过程。这可以使得材料的结构成为α-固体铝溶液，该溶液带有 精细分散和均匀分布的晶体硅和金属间相NiAl₃、FeAl₃、AlN、AlP的析 出物。类似的结构特征表现为急剧缩短晶体硅和金属间相之间的距离，因 此，明显扩大了它们与铝基体的接触表面。

因此，扩大了颗粒连接的强度，有利于提高材料的物理机械性能，包 括弹性模量。高弹性模量的材料的特征表现为结构的牢固连接，其中拉力的 作用比斥力更强。

与此相关，作为线形膨胀系数倒数的弹性模量有利于使制得的材料在温 度作用下较少膨胀。

这一切都有助于制取分散的晶体硅和金属间相NIAl₃、FeAl₃、AIIN、 AlP均匀分布在α-固体铝溶液结构中的材料，以及提高机械性能，降低比密 度和线形膨胀系数，提高尺寸稳定性、真空密封性和工艺可塑性。

如果组分含量(硅、镍、磷、氮化铝)低于规定含量，则不能在α-固体 铝溶液基体中形成原始晶体硅和金属间相(NiAl₃、FeAl₃、AlN、AlP 型)的补充分散和均匀分布，氮化物相亦无形成的可能。这既减少强度又可 在整体上减少铝基体和金属间相的粒间连接强度。因此降低了强度和可塑性 能，包括弹性模量，提高了线形膨胀系数，降低尺寸稳定性，以及材料的工 艺可塑性。如果组分含量(硅、镍、磷、氮化铝)高于规定的含量，则由 于熔融物的再变晶导致原始硅晶体尺寸变大，这对结构均匀性呈负面影响， 从而增大线形膨胀系数、减少尺寸稳定性和工艺可塑性。

发明具体方案描述

由粉末构成的混合物的制取方法示例：

取牌号不低于A7的生铝，KpO牌号的晶体硅；纯镍H-1；将卷入 铝箔的冲压块状红磷，放入制备熔融物的熔化炉。熔化温度达到1300℃ 时，充入氮气，在保持30分钟后，用压力不低于10个大气压的氮气将熔 融物雾化为粉末，粉末然后与粉末状的硅混合。把复合粉末混合物填充到密 封容器中，在剩余真空度为1.10^-3÷1.10^-4毫米汞柱的条件下除气，然后在应 力为950顿力的冲床上冲压。结实的毛坯经受机械处理和物理机械性能检 验。

复合粉末混合物的几种配方为：建议配方、极限配方(其值低于或高于 方法规定的组分的极限值)，以及最类似的配方(原型)列于表1。

表2所列的是由所研究的复合粉末混合物制造的复合材料毛坯性能。

从表2所列粉末构成材料的物理机械性能分析数据可以得出结论：利 用按本发明配方的粉末构成混合物可以取得最好的技术结果，这种复合粉末 混合物可以制取在所有的重要性能上超过该类材料的粉末结构材料。

因此，利用规定的粉末混合物组分含量和给出方法，我们可以制取具 有以下性质的材料：结构性均匀和精密的分散性，高物理机械性能，小线形 膨胀系数，高尺寸稳定性和更高的真空密封性。

因此，提出的复合粉末混合物可以制取在产品长期使用期间有高使用 性能和高可靠使用性的材料，并且这种材料无毒，价格也不贵。