CN102747246A - 一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，将铝合金熔化，经过除气除渣处理，获得干净的铝合金熔体；700-850℃时，搅拌下将复合粉体SiC/CuO加入到铝合金熔体中，获得复合铝合金熔体；复合粉体SiC/CuO的用量为复合铝合金熔体的0.1-15wt%；将复合铝合金熔体置于预热过的压力铸造模具中，以50-800MPa的压力压铸成型，最后脱去模具即得最终产品。采用本发明方法制得的产品具有优良的力学性能，产物的尺寸精度高，并且工艺简单、成本低、易于工业化生产。

Description

一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料的制备工艺，特别涉及到一种微纳米颗粒增强铝基复合材料精密铸造成型方法。 

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、强度硬度高、热膨胀系数低、耐腐蚀等优点，广泛的应用于航天航空、交通运输、电子封装等领域。制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要有搅拌铸造法、粉末冶金法、真空压力浸渗法、喷喷射沉积法等，其中搅拌铸造法又因其具有设备简单、成本低廉、工艺流程短等优点，成为各国研究的热点。研究表明，碳化硅颗粒与铝合金基体界面结合的好坏对材料的力学性能有很大的影响。然而碳化硅颗粒与铝合金基体的润湿性很差，两者几乎不润湿，严重影响了材料的性能。如何改善两者的润湿性，提高材料的界面性能，成为当前一个急需解决的问题。 

目前，大多数对于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究集中在对材料成型方法以及成型设备的研究，而对改善碳化硅颗粒表面润湿性方面鲜有报道。公开号为CN1498878和CN102154573A的两篇发明专利，虽然均对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行了介绍，但两者均存在着不足。对于第一种方法而言，首先要制作碳化硅预制件而后再用压力铸造或者真空压力浸渗法成型，工艺流程长，设备复杂；第二种方法只是将复合反应置于真空下进行，并未从本质上改善碳化硅颗粒与铝合金基体的界面性能，并且加入过于细小的碳化硅颗粒加大了分散的难度。 

发明内容

本发明在于提供一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，使得到的产物具有优良的力学性能，并且工艺简单、成本低、产物的尺寸精度高。 

为实现上述发明目的，本发明采用表面包裹有纳米CuO颗粒的微米SiC颗粒（复合粉体SiC/CuO），以改善SiC颗粒与铝合金基体的界面结合，并采用压力铸造的方法，制备出成本低、尺寸精度高、具有优良力学性能的目标产物。 

本发明的制备步骤如下： 

1、将铝合金熔化，经过除气除渣处理，获得干净的铝合金熔体； 

2、700-850℃时，搅拌下将复合粉体SiC/CuO加入到铝合金熔体中，获得复合铝合金熔体；复合粉体SiC/CuO的用量为复合铝合金熔体的0.1-15wt%； 

3、将复合铝合金熔体置于预热过的压力铸造模具中，以50-800MPa的压力压铸成型， 最后脱去模具即得最终产品。 

步骤2中，所述复合粉体SiC/CuO的制备方法为：取粒径为1～200μm的碳化硅粉末加入到含0.1～25mol/L Cu²⁺的铜盐溶液中，直至碳化硅颗粒与铜离子的摩尔比为0.5～3，搅拌均匀后，加入碱性溶液，然后在温度为10～80℃的条件下持续搅拌10～120min，最后过滤，取滤出物烘焙、研磨成粉体，即得。 

步骤1中的铝合金选自纯铝、Al-Si、Al-Mg、Al-Cu或Al-Zn系铝合金中的任意一种。 

步骤2中复合粉体SiC/CuO的CuO层厚度为50-500nm，在这个范围内与铝合金基体的界面结合最佳。复合粉体的CuO厚度的可通过铜盐溶液浓度、反应温度和反应时间来控制。 

步骤2中，所述搅拌操作的搅拌时间为10-120min，转速为300-1500rpm。 

步骤3中，所述压力铸造模具的预热温度为200-600℃，时间为20-30min，在这种预热条件下，有利于成型和材料的致密化。 

步骤3中，压铸成型过程中的保压时间为10-600s，在此范围内，有利于提高材料的力学性能。保压时间不是越长越好，过长的保压时间对性能的提高并无明显影响，且降低了生产的效率。 

与现有技术相比，本发明的优越性在于： 

(1)利用纳米CuO包裹微米SiC颗粒，纳米CuO与铝熔体发生铝热反应，铝热反应生成的Cu可以对机体进行固溶强化，同时改善了SiC颗粒与铝基体的界面润湿性，从而改善了复合材料的界面性能。 

(2)利用剧烈界面反应形成的翻滚扰动，在搅拌作用下实现SiC颗粒的良好分散。 

(3)界面反应形成的Al₂O₃纳米颗粒弥散分布在基体合金中，实现微米SiC颗粒和纳米Al₂O₃颗粒的协同增强，强化效果较单一颗粒好。 

(4)采用压力铸造的方法得到目标产物，能够显著细化晶粒，进一步提高材料的力学性能。 

附图说明

图1是本发明中复合粉体SiC/CuO的SEM照片。 

图2是本发明中复合粉体SiC/CuO的XRD图谱。 

具体实施方式

实施例1 

以1∶1的摩尔比将粒径为50μm的碳化硅粉末加入到0.3mol/L的硫酸铜溶液中，搅拌均匀后，加入20mol/L的氢氧化钠溶液，在20℃的温度下以100rpm的搅拌速度搅拌30min，然后过滤，取滤出物在150℃温度下烘焙6h，研磨成粉末，即得复合粉体SiC/CuO。在扫描 电镜下观察到所制得的复合粉体SiC/CuO的CuO层厚度为200nm左右。 

将Al-Si铝合金在700℃下熔化，经过除气除渣处理，获得干净铝合金熔融体；在740℃下，取占总炉料质量（即复合铝合金熔体）4%的复合粉体SiC/CuO，在1000rpm搅拌作用下加入到铝合金熔体中，搅拌30min；将复合完成后的铝合金熔体置于预热过的压力铸造模具中，放入280T冷室卧式压铸机中以200MPa的压力进行压铸成型，保压时间为60s。保压结束后，在模具四周喷洒脱模剂，即可顺利脱去模具得到最终产品。产品标记为A。 

实施例2 

本实施例与实施例1的不同点在于，复合粉体SiC/CuO的加入温度为720℃。所得产品标记为B。 

实施例3 

本实施例与实施例1的不同点在于，复合粉体SiC/CuO的加入温度为760℃，产品标记为C。 

实施例4 

本实施例与实施例1的不同点在于，复合粉体SiC/CuO的用量占总炉料质量的2%。产品标记为D。 

实施例5 

本实施例与实施例1的不同点在于，复合粉体SiC/CuO的用量占总炉料质量的6%。产品标记为E。 

实施例6 

本实施例与实施例1的不同点在于，硫酸铜溶液的浓度为0.1mol/L，复合粉体SiC/CuO的CuO包裹层厚度为50nm，产品标记为F。 

实施例7 

本实施例与实施例1的不同点在于，硫酸铜溶液的浓度为1mol/L，复合粉体SiC/CuO的CuO包裹层厚度为500nm，产品标记为G。 

实施例8 

本实施例与实施例1的不同点在于，压铸成型时所用压力为50MPa，产品标记为H。 

实施例9 

本实施例与实施例1的不同点在于，压铸成型时所用压力为400MPa，产品标记为I。 

实施例10 

本实施例与实施例1的不同点在于，压铸成型时所用压力为800MPa，产品标记为J。 

对比例1 

本实施例与实施例1的不同点在于，所添加的粉末为普通碳化硅粉末。产品标记为K。 

对比例2 

本实施例与实施例1的不同点在于，所采用的成型方法为普通重力铸造，即无外加压力，靠复合铝合金熔体自身的重力充满模具内腔成型。产品标记为L。 

将实施例和对比例的产品进行拉伸强度和硬度测试，测试所用设备为INSTRON3365万能材料实验机和HB-S3000数显布氏硬度计，测试结果见下表： 

由上表的测试结果可以看出，本发明实施例的抗拉强度和硬度均优于对比例。 

Claims (6)

1.一种微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤为：

（1）将铝合金熔化，经过除气除渣处理，获得干净的铝合金熔体；

（2）700-850℃时，搅拌下将复合粉体SiC/CuO加入到铝合金熔体中，获得复合铝合金熔体；复合粉体SiC/CuO的用量为复合铝合金熔体的0.1-15wt%；

（3）将复合铝合金熔体置于预热过的压力铸造模具中，以50-800MPa的压力压铸成型，最后脱去模具即得最终产品；

步骤（2）中，所述复合粉体SiC/CuO的制备方法为：取粒径为1～200μm的碳化硅粉末加入到含0.1～25mol/L Cu²⁺的铜盐溶液中，直至碳化硅颗粒与铜离子的摩尔比为0.5～3，搅拌均匀后，加入碱性溶液，然后在温度为10～80℃的条件下持续搅拌10～120min，最后过滤，取滤出物烘焙、研磨成粉体，即得。

2.如权利要求1所述微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述铝合金选自纯铝、Al-Si、Al-Mg、Al-Cu或Al-Zn系铝合金中的任意一种。

3.如权利要求1所述微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中复合粉体SiC/CuO的CuO层厚度为50-500nm。

4.如权利要求1所述微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述搅拌操作的搅拌时间为10-120min，转速为300-1500rpm。

5.如权利要求1所述微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述压力铸造模具的预热温度为200-600℃，时间为20-30min。

6.如权利要求1至5任一项所述微纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中压铸成型过程中的保压时间为10-600s。

Images