一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法

摘要

本发明属金属材料领域，涉及一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法。该方法是先把铝-碳合金熔化至800-1200℃，保温5-10分钟，向该熔体中加入工业结晶硅及单质锡或六氟锗酸钾原位反应10-15分钟后，加入铝-钛合金，反应10-15分钟，就能够得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。本发明制备的铝-硅基复合材料适用于在高温条件下工作及对力学性能要求高的结构部件。本发明工艺方法采用常规熔炼设备，无需特别装置，成本低，操作简便，适合于规模化工业生产。

说明书

技术领域

本发明属金属材料领域，涉及一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法。

背景技术

铝-硅合金因其具有优良的铸造性能，如收缩率小、流动性高、气密性好和热裂倾向小等，经过变质处理后，还具有很好的力学性能、物理性能和切削加工性能，因而成为铸造铝合金中应用最为广泛的合金。而碳化硅颗粒具有高比强度、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、高熔点和热稳定性好等优点，若将两者结合成为碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料，同时兼有两者的优点，则将具有更广泛的应用前景。

目前国内外针对碳化硅增强铝基复合材料的研究已有较多报道，但采用的制备方法几乎全部是外加法，如Dural公司1986年提出弥散混合搅拌制备高质量颗粒增强铝基复合材料的专利技术(US Patent 4786467，1988)以及M.G.Mckimpson所采用的粉末冶金法(Journal of Metals，1993，45(1)：26-29)。但这些方法因耗时耗能，而且碳化硅增强相与铝基体的界面结合力差，增强效果不佳。与外加法相比，原位生成法制备的复合材料中，碳化硅粒子尺度小、界面清洁、与基体相容性好，展示出一系列优点，从而大大提高复合材料的力学性能。如，文献[C.Jacquier，D.Chaussende，G.Ferro，J.C.Viala，F.Cauwet，Y.Monteil.Study ofthe interaction between graphite and Al-Si melts for the growth of crystalline siliconcarbide.Journal ofMaterials Science.2002，37：3299-3306]将铝粉、硅粉的混合粉末与石墨棒压实，然后在真空或氩气气氛中加热通过自蔓延高温反应可得到含有碳化硅颗粒的铝-硅合金。但这种方法需要真空环境，反应所需时间较长，且不易得到密实的金属基体。文献[Banqiu Wu，Ramana G.Reddy.In-situ formation ofSiC-reinforced Al-Si alloy composites using Methane gas mixtures.Metallurgical andMaterials Transaction B.2002，33(4)：543-550]报道了将甲烷与氩气的混合气体通入到铝-硅熔体中的制备方法，其工艺极其复杂，反应过程控制困难，难以大规模生产。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种操作简便、工艺稳定、生产成本低、无污染且适合工业化生产的原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：30.00％-75.00％的铝-碳合金，15％-60％的工业结晶硅，5.00％-10.00％的铝-钛合金，0.10％-3.00％的锡或六氟锗酸钾；其中，铝-碳合金中的碳含量为0.50-10.00wt.％，铝-钛合金中的钛含量为0.50-25.0wt.％；

(2)将铝-碳合金置于中频感应炉中熔化至800-1200℃，保温5-10分钟；

(3)向该熔体中加入工业结晶硅及单质锡或六氟锗酸钾，原位反应10-15分钟后，加入铝-钛合金，反应10-15分钟，然后精炼、浇注，即可得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。

上述一种原位生成碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料的制备方法，其特征是在制备复合材料的过程中，步骤(2)中碳元素以铝-碳合金的形式加入熔体中，加入工业结晶硅后熔体中主要发生以下反应：

Si+Al₄C₃(s)→SiC(s)+Al(l)    (1)

步骤(3)中钛元素以铝-钛合金的形式加入熔体中，加入的钛主要起催化的作用，促进反应(1)向右进行。

步骤(3)中加入的锡或锗元素能提高生成的碳化硅颗粒表面的活性，从而加快碳化硅颗粒的生成速率，并改善其分布。

由于碳化硅颗粒是在铝熔体中经原位反应直接生成，表面洁净、无污染，在基体中分布较均匀，尺寸为5-10微米。所得复合材料产品具有较高的综合力学性能。本发明采用铝-碳合金和铝-钛合金，无需其他气体发生或控制装置，不需机械搅拌或真空装置，用普通的熔炼工艺就可实现，无污染、成本低、工艺简单、生产效率高，因而特别适合规模化生产和应用。另外，通过组织优化、合金化和变质细化等方法，可得到力学性能优异的碳化硅颗粒增强铝-硅基复合材料。

具体实施方式

下面给出本发明的几个最佳实例。

实施例1

(1)首先按以下质量百分比准备好原料：70.00％的铝-碳二元合金，5.00％的铝-钛二元合金，0.5％的锡，余为工业结晶硅；其中所用的铝-碳合金中的碳的含量为1.00，所用铝-钛合金中的钛的含量为20.00；

(2)将铝-碳合金置于中频感应炉中熔化至1000℃，保温5分钟；

(3)向该熔体中加入工业结晶硅及单质锡，原位反应15分钟后，加入铝-钛合金，反应15分钟，然后精炼、浇注，即可得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。复合材料具体成分为：Al-20％Si-3％SiC-1％Ti-0.5％Sn。

实施例2

(1)首先按以下质量百分比准备好原料：50.00％的铝-碳二元合金、10.00％的铝-钛二元合金以及3％的六氟锗酸钾，余为工业结晶硅。其中所用的铝-碳合金中的碳的含量为4.00，所用铝-钛合金中的钛的含量为10.00；

(2)将铝-碳合金和铝-钛合金一起置于中频感应炉中熔化至1000℃，保温5分钟；

(3)向该熔体中加入工业结晶硅及六氟锗酸钾，原位反应10分钟后，加入铝-钛合金，反应10分钟，然后精炼、浇注，即可得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。复合材料具体成分为Al-30％Si-6％SiC-1％Ti-1％Ge。

实施例3

(1)首先按以下质量百分比准备好原料：20.00％的铝-碳二元合金，10.00％的铝-钛二元合金，2％的单质锡，余为工业结晶硅。其中所用的铝-碳合金中的碳的含量为10.00，所用铝-钛合金中的钛的含量为10.00；

(2)将铝-碳合金置于中频感应炉中熔化至1000℃，保温5分钟；

(3)向该熔体中加入工业结晶硅及单质锡，原位反应10分钟后，加入铝-钛合金，反应10-15分钟，然后精炼、浇注，即可得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。复合材料具体成分为Al-61％Si-6％SiC-1％Ti-2％Sn。

实施例4

(1)首先按以下质量百分比准备好原料：40.00％的铝-碳二元合金，10.00％的铝-钛二元合金，0.10％的六氟锗酸钾，余为工业结晶硅。其中所用的铝-碳合金中的碳的含量为8.00，所用铝-钛合金中的钛的含量为10.00；

(2)将铝-碳合金置于中频感应炉中熔化至1000℃，保温5分钟；

(3)向该熔体中加入工业结晶硅及六氟锗酸钾，原位反应10分钟后，加入铝-钛合金，反应10-15分钟，然后精炼、浇注，即可得到原位生成碳化硅颗粒增强的铝-硅基复合材料。复合材料具体成分为Al-40％Si-10％SiC-1％Ti-0.03％Ge。