一种制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法

摘要

一种制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法，包括下述步骤：1、取陶瓷颗粒，去除颗粒表面杂质后表面化学镀金属铜或镍；2、将陶瓷颗粒逐步加入合金液面，同时，用搅拌器对熔体进行逐级升速搅拌；3、将真空罩置于坩埚上，对坩埚内的复合熔体进行真空除气，在真空除气的同时，对坩埚中的复合熔体进行低速搅拌，出炉，浇注制备金属基复合材料锭坯。本发明中，所述坩埚内表面衬有石墨层；本发明工艺方法简单、操作方便、工艺流程短、工艺稳定、颗粒与合金基体界面结合好、搅拌效果好、颗粒在合金基体中均匀分布、复合材料气孔率低、性能优异、生产成本低，适于工业化规模制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料的制备方法，特别是指一种制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法，属于冶金技术领域。

背景技术

陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、高的比模量，热膨胀系数小，以及良好的耐高温性和耐磨性等优点，现已作为轻量化结构材料广泛的应用于航空航天、交通运输等领域。近年来，随着国内航空航天及汽车、电子行业的迅猛发展，对颗粒增强铝基复合材料的需求量正逐年增加。目前，颗粒增强铝基复合材料的制备工艺有粉末冶金、挤压铸造、喷射共沉积和搅拌铸造等方法。搅拌铸造法具有生产成本低，设备简单，工艺流程短，生产率高等特点，是高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料工业规模生产较为理想的方法。

机械搅拌铸造法是指先将基体合金置于坩埚内熔化，在液态或半固态状态下进行搅拌，并且边搅拌边加入或者一次性加入陶瓷增强体颗粒，使颗粒均匀分布于基体金属中，从而制备出复合材料浆料。然后，根据使用的需要，将复合材料浆料进行挤压铸造、低压铸造、调压铸造，或对复合材料铸锭进行后续的热挤压和轧制变形，从而获得复合材料制品。搅拌铸造法存在以下问题：1.陶瓷颗粒与合金熔体润湿性较差，二者难以复合；2.合金熔体表面张力大，颗粒进入熔体后难以均匀分布于基体合金中；3.搅拌过程中，熔体内容易卷入气体，而致使气孔率较高；4.陶瓷颗粒与合金熔体容易发生严重的界面反应。目前，公开的搅拌铸造法制备金属基复合材料的制备技术为解决上述问题，主要措施有：通过提高搅拌速度，使颗粒强力进入合金熔体，而搅拌速度过高，颗粒在合金液面飞扬过大，致使颗粒的含量不准确，而且，熔体卷气，夹渣也更加严重；采用成套的真空设备对搅拌过程进行真空保护，但这将要求设备具有较高的高温密封性，同时，导致生产成本提高。此外，由于搅拌复合过程的整个工况比较恶劣，坩埚内的熔体流场没能得以深入了解，在坩埚及搅拌器结构设计中，通常没有实质性的理论指导，最后导致坩埚内存在搅拌“死区”或“停滞区”，增强体颗粒容易在这些区域团聚，搅拌复合效果下降。目前，公开的坩埚大部分使用普通的铸铁坩埚，在高温条件及熔体的冲刷下，导致复合材料含铁等杂质量增加，恶化材料的力学性能。而且，所公开的装置设备操作基本上是由人工完成，生产过程依靠人工凭经验控制，偶然因素较多，致使材料组织不均匀，性能不稳定，工艺重复性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、工艺流程短、工艺稳定、颗粒与合金基体界面结合好、搅拌复合效果好、颗粒在合金基体中均匀分布、复合材料气孔率低、性能优异、生产成本低的制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法。

本发明---一种制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法，包括下述步骤：

第一步：陶瓷颗粒表面预处理

取陶瓷颗粒，去除颗粒表面杂质后表面化学镀金属；

第二步：陶瓷颗粒与合金熔体混合

将金属基体合金置于坩埚中加热熔化、精炼后保温，将第一步处理得到的陶瓷颗粒逐步加入合金液面，同时，用搅拌器对熔体进行逐级升速搅拌，初始搅拌速度为：250～300转/分钟，搅拌速度以15～30转/分钟的速度逐步提高至550～650转/分钟时，继续搅拌2～8分钟，停止加入陶瓷颗粒；然后，将搅拌速度升至1200～1500转/分钟，对熔体进行强力搅拌3～8分钟，最后，将搅拌速度降至450～550转/分钟，搅拌2～8分钟，停止搅拌；

第三步：真空除气

控制坩埚内混合熔体温度在700-720℃，将真空罩置于坩埚上，抽真空至0.01-0.04Mpa，对坩埚内的复合熔体进行真空除气，真空除气时间：5-15min，在真空除气的同时，使搅拌器以100-200r/min的搅拌速度对坩埚中的复合熔体进行低速搅拌，出炉，浇注制备金属基复合材料锭坯。

本发明中，所述的在陶瓷颗粒表面化学镀金属是指在陶瓷颗粒表面镀铜或镀镍。

本发明中，所述的陶瓷颗粒表面镀铜工艺条件为：

镀液成分为：每公斤水中加入：硫酸铜15-20g；酒石酸钾钠40-50g；氢氧化钠10-15g；甲醛13-20ml组成；陶瓷颗粒经去污一粗化一敏化一活化后置于镀液中，施镀时间为：10～18min；然后，将表面镀铜的陶瓷颗粒真空干燥后，即为铜包覆碳化硅陶瓷的复合粉体。

本发明中，所述的陶瓷颗粒表面镀镍工艺条件为：

镀液成分为：硫酸镍30g/L，次亚磷酸钠20g/L，氢氟酸(40％)10mL/L，氟化氢铵10g/L，NH₃·H₂O30mL/L；配位剂控制镀液的pH值为6.5左右；镀液温度：80±5℃；陶瓷颗粒经碱性除油一酸性浸蚀一敏化一活化后置于镀液中，施镀时间为：10～18min；然后，将表面镀镍后的陶瓷颗粒真空干燥后，即为镍包覆碳化硅陶瓷的复合粉体。

本发明中，所述坩埚内表面衬有石墨层，所述石墨层厚度为5～10毫米。

本发明中，所述搅拌器为多级叶片搅拌器，所述叶片级数：(取整)，式中：n--叶片级数，H--熔体高度。

本发明中，所述搅拌器的叶片为平面，所述叶片直径与坩埚直径比为0.5-0.7；所述叶片法线与搅拌轴轴线夹角为α，30°≤α≤60°。

本发明由于采用上述工艺方法，具有以下有益的效果

1、陶瓷颗粒经表面金属化预处理，有效地提高了颗粒与合金熔体的润湿性，有利于二者搅拌复合。

2、分级搅拌，有利于陶瓷颗粒快速进入基体金属熔体中，随后的高速强力搅拌，产生的高效径向作用力，有利于颗粒与熔体的充分混合，并能够有效地打散颗粒粉末团，进一步改善颗粒在熔体中分散的均匀性，随后，对复合熔体进行真空除气；在低速搅拌器的配合下，打破复合熔体液面的氧化膜，使气泡容易从熔体内逸出，从而降低了复合材料的气孔率，并有效地改善Al/SiC界面结合，改善复合材料的性能。

3、本发明所用坩埚采用内衬石墨层技术，避免了熔体与铁质长时间接触、冲刷，有效降低了复合熔体中铁等杂质含量，大幅度提高材料的力学性能。

4、根据搅拌坩埚的形状、尺寸及合金熔体高度确定搅拌器级数，根据坩埚直径确定叶片直径及叶片与搅拌轴的夹角，有效提高了搅拌器的搅拌混合效果，有效消除搅拌死区及停滞区，使颗粒在合金基体中均匀分布。

综上所述，本发明工艺方法简单、操作方便、工艺流程短、工艺稳定、颗粒与合金基体界面结合好、搅拌效果好、颗粒在合金基体中均匀分布、复合材料气孔率低、性能优异、生产成本低，适于工业化规模制备高性能陶瓷颗粒增强金属基复合材料。

附图说明

附图1为本发明中搅拌器的结构示意图。

附图2为本发明实施例1所得产物的SiC颗粒在机体合金中分布状态及界面扫描电镜照片。

附图3为本发明实施例2所得产物的SiC颗粒在机体合金中分布状态及界面扫描电镜照片。

附图4为本发明实施例3所得产物的SiC颗粒在机体合金中分布状态及界面扫描电镜照片。

附图1中：1---调速电机，2---搅拌轴，3---搅拌叶片。

附图2、3、4的扫描电镜照片明显可以看出，SiC颗粒在金属基体中分布均匀，SiC/Al界面结合质量良好。

具体实施方式

以SiC颗粒作为陶瓷增强体颗粒，A356铝合金为基体合金，首先，取粒度为：10um-15um的SiC颗粒，在陶瓷颗粒表面化学镀金属铜、镍；具体工艺如下：

A、陶瓷颗粒表面镀铜工艺条件为：

镀液成分为：每公斤水中加入：硫酸铜15-20g；酒石酸钾钠40-50g；氢氧化钠10-15g；甲醛13-20ml组成；陶瓷颗粒经去污一粗化一敏化一活化后置于镀液中，施镀时间：10～18min；然后，将表面镀铜的陶瓷颗粒真空干燥后，即为铜包覆碳化硅陶瓷的复合粉体。

B、陶瓷颗粒表面镀镍工艺条件为：

镀液成分为：硫酸镍30g/L，次亚磷酸钠20g/L，氢氟酸(40％)10mL/L，氟化氢铵10g/L，NH₃·H₂O30mL/L；配位剂控制镀液的pH值为6.5左右；镀液温度：80±5℃；陶瓷颗粒经碱性除油一酸性浸蚀一敏化一活化后置于镀液中，施镀时间：10～18min；然后，将表面镀镍的陶瓷颗粒真空干燥后，即为镍包覆碳化硅陶瓷的复合粉体。

然后提供以下三个具体实施例。

实施例1

取铝锭8.5Kg置于坩埚中，熔炼温度控制在690～700℃，待完全熔化，分别加入合金元素，如：硅，铜，镁等，合金元素熔化后扒渣，接着对合金熔体进行氩气精炼，控制合金熔体温度为：620-650℃，向铝合金合金熔体中通入氩气，氩气流量为：1-2.5L/min，除气时间：10-20min。保持铝合金熔体温度为620-650℃，向坩埚内通入惰性气体，在惰性气体保护下，将铜包覆碳化硅陶瓷的复合粉体1.5Kg通过加料漏斗逐步加入到熔体液面；启动调速电机，使搅拌器的初始搅拌速度为：250转/分钟，搅拌速度以15转/分钟的速度逐步提高至550转/分钟时，继续搅拌2分钟，停止加入陶瓷颗粒；然后，将搅拌速度升至1200转/分钟，对熔体进行强力搅拌3分钟，高效的径向作用力有利于颗粒与熔体的充分混合，并能够有效地打散颗粒粉末团，实现颗粒在熔体中均匀分散。强力搅拌结束后，将搅拌速度降至450转/分钟，搅拌2分钟，停止搅拌，以逐渐平稳熔体流场。整个加料过程大致需要20min。然后，将真空罩置于坩埚上，对复合熔体进行真空除气处理；除气工艺参数为：将复合熔体温度升至：700℃；真空度：0.01-0.04Mpa，并启动搅拌器，搅拌速度为100r/min，真空除气时间：5min。卸去真空罩，出炉，浇注成型。经检测，SiC颗粒较均匀地分布于金属基体中，部分区域存在团聚和偏聚现象，气孔及铁等杂质较少，SiC/Al界面结合质量良好，铸态材料抗拉强度为145-155MPa。

实施例2

取铝锭8.5Kg置于坩埚中，熔炼温度控制在690～700℃，待完全熔化，分别加入合金元素，如：硅，铜，镁等，合金元素熔化后扒渣，接着对合金熔体进行氩气精炼，控制合金熔体温度为：620-650℃，向铝合金合金熔体中通入氩气，氩气流量为：1-2.5L/min，除气时间：10-20min。保持铝合金熔体温度为620-650℃，向坩埚内通入惰性气体，在惰性气体保护下，将经表面化学镀铜的SiC陶瓷颗粒1.5Kg通过加料漏斗逐步加入到熔体液面；启动调速电机，使搅拌器的初始搅拌速度为：270转/分钟，搅拌速度以23转/分钟的速度逐步提高至600转/分钟时，继续搅拌5分钟，停止加入陶瓷颗粒；然后，将搅拌速度升至1350转/分钟，对熔体进行强力搅拌5分钟，高效的径向作用力有利于颗粒与熔体的充分混合，并能够有效地打散颗粒粉末团，实现颗粒在熔体中均匀分散。强力搅拌结束后，将搅拌速度降至500转/分钟，搅拌5分钟，停止搅拌，以逐渐平稳熔体流场；整个加料过程大致需要15min。将真空罩置于坩埚上，对复合熔体进行真空除气处理；除气工艺参数为：将复合熔体温度升至：710℃；真空度：0.01-0.04Mpa，并启动搅拌器，搅拌速度为150r/min，真空除气时间：10min。卸去真空罩，出炉，浇注成型。经检测，SiC颗粒均匀分布于金属基体中，无明显团聚和偏聚现象，气孔及铁等杂质较少，界面结合质量好，铸态材料抗拉强度可达180MPa。

实施例3

取铝锭8.5Kg置于坩埚中，熔炼温度控制在690～700℃，待完全熔化，分别加入合金元素，如：硅，铜，镁等，合金元素熔化后扒渣，接着对合金熔体进行氩气精炼，控制合金熔体温度为：620-650℃，向铝合金合金熔体中通入氩气，氩气流量为：1-2.5L/min，除气时间：10-20min。保持铝合金熔体温度为620-650℃，向坩埚内通入惰性气体，在惰性气体的保护下，将经表面化学镀镍的SiC陶瓷颗粒1.5Kg通过加料漏斗逐步加入到熔体液面；启动调速电机，使搅拌器的初始搅拌速度为：300转/分钟，搅拌速度以30转/分钟的速度逐步提高至600转/分钟时，继续搅拌8分钟，停止加入陶瓷颗粒；然后，将搅拌速度升至1500转/分钟，对熔体进行强力搅拌8分钟，高效的径向作用力有利于颗粒与熔体的充分混合，并能够有效地打散颗粒粉末团，实现颗粒在熔体中均匀分散。强力搅拌结束后，将搅拌速度降至550/分钟，搅拌8分钟，停止搅拌，以逐渐平稳熔体流场；整个加料过程大致需要10min；将真空罩置于坩埚上，对复合熔体进行真空除气处理；除气工艺参数为：将复合熔体温度升至：720℃；真空度：0.01-0.04Mpa，并启动搅拌器，搅拌速度为200r/min，真空除气时间：15min。卸去真空罩，出炉，浇注成型。经检测，SiC颗粒均匀分布于金属基体中，无明显团聚和偏聚现象，气孔及铁等杂质较少，SiC/Al界面结合质量好，铸态材料抗拉强度为170-180MPa。