專利名稱：晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用壓力鑄造方法制備混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的工藝，具體涉及一種應(yīng)用于亞微米晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造制備工藝。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中最受注意的一類材料，早期人們主要致力于連續(xù)長纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，連續(xù)長纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料表現(xiàn)出令人滿意的性能，由于成本方面的原因，一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。近年來，非連續(xù)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料受到人們的極大重視，其增強(qiáng)體價(jià)格較長纖維要低得多，而且在制備上可以利用現(xiàn)有的金屬材料加工方法和設(shè)備，因此材料的成本大為降低?；祀s復(fù)合材料不僅組成成分具有可設(shè)計(jì)性，而且由于各種增強(qiáng)材料不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充，特別是由于產(chǎn)生混雜效應(yīng)將明顯提高或改善原單一增強(qiáng)材料的某些性能，同時(shí)也大大降低復(fù)合材料的原料費(fèi)用。
納米材料的誕生為常規(guī)的復(fù)合材料的研究增加了新的內(nèi)容，極小的納米顆粒尺寸可以造成較高的平均位錯(cuò)密度，同時(shí)晶粒的均勻與細(xì)小也使納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有較大的變形抗力。晶須價(jià)格較高，但晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性比較好。所以，利用晶須與顆粒各自的優(yōu)勢制備混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高性能、低成本的重要途徑。
在制備方法上，納米顆粒的引入是攪拌鑄造法難以做到的，在粉末冶金方法中存在制造成本高和均勻性差的問題。粉末冶金法制備復(fù)合材料常選用機(jī)械混合混粉。機(jī)械混合分散法的不足是不能保證兩相組分分散的均勻性，特別是球磨本身不能完全避免顆粒，尤其是細(xì)小顆粒間的團(tuán)聚。在球磨之后的干燥過程中，還由于已分散顆粒的團(tuán)聚和沉降進(jìn)一步造成不均勻性。
壓力鑄造法已經(jīng)成為一種成熟的復(fù)合材料制備方法，并且被廣泛地應(yīng)用于顆粒、短纖維和晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的制備，且效果很好，可獲得組織致密、界面結(jié)合好和性能優(yōu)異的特點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。而用濕成型法制備預(yù)制塊時(shí)，可以采用在機(jī)械混合的基礎(chǔ)上輔以超聲波振動(dòng)從而破壞顆粒間的團(tuán)聚，或者調(diào)整體系的PH值使粉末分散后的懸浮顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)具有靜電穩(wěn)定性，也可以使用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑和分散劑，以改善增強(qiáng)體表面的潤濕性。由晶須與納米顆粒組成的預(yù)制塊中有大量的細(xì)小通道，液態(tài)鋁合金可以通過這些通道進(jìn)入預(yù)制塊。因而，此工藝為制備混雜增強(qiáng)復(fù)合材料提供了可能。
目前，關(guān)于壓力鑄造工藝制備非連續(xù)混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究甚少，而用壓力鑄造工藝制備亞微米晶須和納米顆粒混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種晶須與納米顆粒混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，它通過采用濕成型法制備混雜增強(qiáng)體的預(yù)制塊，最終通過壓力鑄造工藝制備出體積份數(shù)在一定范圍內(nèi)可控的亞微米晶須和納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，來實(shí)現(xiàn)混雜效應(yīng)所要達(dá)到的高性能、低成本的目的。本發(fā)明的壓力鑄造方法包括以下步驟a、將晶須用蒸餾水洗滌后與蒸餾水混合備用；b、將納米顆粒與有機(jī)溶劑混合，然后加入重量濃度為1～2％的分散劑，對該混合溶液進(jìn)行2～4個(gè)周期的超聲分散，每個(gè)周期10～15分鐘；c、把顆粒與晶須的混合溶液進(jìn)行混合，在機(jī)械攪拌的條件下進(jìn)行超聲分散2～4個(gè)周期，每個(gè)周期10～15分鐘；d、然后再將混合液倒入預(yù)制塊制備模具中過濾水分，當(dāng)上部看不到液體的時(shí)候，將壓頭放入模具中；e、預(yù)制塊雙面受壓成型后，保壓10～20分鐘，然后將預(yù)制塊從模具中退出，并把預(yù)制塊陰干一天后置于烘干箱中烘干；f、將預(yù)制塊和專用石墨模具一同放入壓鑄模具中，預(yù)熱至500～520℃并保溫，與此同時(shí)，將鋁或鋁合金加熱到750～800℃；g、將液態(tài)鋁或鋁合金澆入下模，對上模施加3～6MPa浸滲壓力，然后施加50～70MPa冷卻壓力，保壓5～10分鐘后退模，得到鑄態(tài)鋁基復(fù)合材料，其中晶須和納米顆粒的體積份數(shù)分別占總體積15～20％、2～7％。對于單純的顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在用濕法制備預(yù)制塊時(shí)，往往需要加入有機(jī)粘結(jié)劑或無機(jī)粘結(jié)劑來保證預(yù)制塊的成型性，而本申請混雜增強(qiáng)體的預(yù)制塊中由于晶須所占的百分比較大，所以預(yù)制塊的成型性較好，且晶須的存在有利于顆粒的分散，所以無需加入粘結(jié)劑。在混雜預(yù)制塊的制備過程中，最不易解決的就是晶須與顆粒均勻分布的問題，本申請通過選用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑和分散劑，使分散后的懸浮顆粒的雙電結(jié)構(gòu)具有靜電穩(wěn)定性，改善了增強(qiáng)體表面的潤濕性，并且在機(jī)械混合的基礎(chǔ)上輔以適當(dāng)周期的超聲波振動(dòng)以破壞增強(qiáng)體之間的團(tuán)聚，促進(jìn)納米顆粒在晶須表面的均勻分布。壓力鑄造采用二次加壓工藝—低壓浸滲，高壓保壓冷卻。對于臨界滲入壓力，其值取決于增強(qiáng)體的形狀、尺寸、體積份數(shù)以及液態(tài)合金的溫度及性質(zhì)。假設(shè)鋁合金與基體不潤濕，對于單一增強(qiáng)體的復(fù)合材料可以用公式(1)來粗略估算臨界滲入壓力Pc=4Vfγdf(1-Vf)---(1)]]>其中，Vf是增強(qiáng)體的體積份數(shù)，γ是液態(tài)合金的表面能(本文取0.8J/m2)，df是顆粒或晶須的平均直徑。由于本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)體組成復(fù)雜，為簡化計(jì)算我們假設(shè)若增強(qiáng)體都為晶須，則Pc在1.8～2.4MPa；若增強(qiáng)體都為納米顆粒，則Pc在25～32MPa。所以對于混雜增強(qiáng)復(fù)合材料來說，由于納米顆粒尺寸的細(xì)小而引起顆粒之間間距的減小，進(jìn)而增大了液態(tài)金屬滲入預(yù)制塊的阻力。理論上混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界滲入壓力應(yīng)高于單一晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用壓力≥2MPa就可以滲透50mm高的預(yù)制塊，這比理論值要低，且與制備晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界滲入壓力基本相等，主要有兩方面的原因一方面，公式假定增強(qiáng)體與基體合金不潤濕，實(shí)際上如果發(fā)生潤濕，就存在一定的潤濕角θ，實(shí)際的臨界滲入壓力值等于公式(1)與cosθ的乘積；另一方面，由于本實(shí)驗(yàn)所加納米顆粒體積份數(shù)較小，且均勻分散在晶須表面，對液態(tài)合金滲入的阻力貢獻(xiàn)不明顯。另外，在壓應(yīng)力作用下混雜增強(qiáng)預(yù)制塊的變形行為與短纖維增強(qiáng)預(yù)制塊的相似，且與含相同體積份數(shù)的顆粒增強(qiáng)預(yù)制塊的變形抗力相差較大。所以，對于本申請所制備的混雜增強(qiáng)預(yù)制塊，其臨界滲入壓力在2～3MPa就可以使液態(tài)合金順利滲入預(yù)制塊。二級壓力主要是降低復(fù)合材料的孔隙率，而對于納米復(fù)合材料來說，目前普遍認(rèn)為致密的納米材料才能真正反映其獨(dú)特的性能。壓力鑄造法的優(yōu)點(diǎn)之一就是選擇適當(dāng)?shù)膲毫涂梢缘玫浇M織致密的復(fù)合材料，但是二級壓力不宜過高，否則會(huì)提高界面反應(yīng)程度，試驗(yàn)表明二級壓力在50～70MPa，可以達(dá)到較好的效果，保壓5分鐘，模具預(yù)熱溫度為500～520℃時(shí)浸滲效果較好。采用本發(fā)明可以將晶須的體積份數(shù)控制在15％～20％，納米顆粒體積份數(shù)可控范圍為2～7％。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式是這樣實(shí)現(xiàn)的一、制備混雜增強(qiáng)體預(yù)制塊a、將晶須用蒸餾水洗滌后與蒸餾水混合備用；b、將納米顆粒與有機(jī)溶劑相混合后，然后加入重量濃度為1～2％的分散劑，并對該混合溶液進(jìn)行2～4個(gè)周期的超聲分散，每個(gè)周期10～15分鐘；c、把顆粒與晶須的混合溶液進(jìn)行混合，在機(jī)械攪拌的條件下進(jìn)行超聲分散2～4個(gè)周期，每個(gè)周期10～15分鐘；d、然后再將混合液倒入預(yù)制塊制備模具中過濾水分，當(dāng)上部看不到液體的時(shí)候，將壓頭放入模具中；e、預(yù)制塊雙面受壓成型后，保壓10～20分鐘，然后將預(yù)制塊從模具中退出，并把預(yù)制塊陰干一天后置于烘干箱中烘干；二、壓力鑄造f、將預(yù)制塊和專用石墨模具一同放入壓鑄模具中，預(yù)熱至500～520℃并保溫，與此同時(shí)，將鋁或鋁合金加熱到750～800℃；g、將液態(tài)鋁或鋁合金澆入下模，對上模施加3～6MPa浸滲壓力，然后施加50～70MPa冷卻壓力，保壓5～10分鐘，在上模施加壓力的同時(shí)盡量控制壓頭下降速率，液態(tài)鋁合金在壓力的作用下自上而下地滲入預(yù)制塊，同時(shí)將預(yù)制塊中的空氣從石墨墊塊的孔隙排出，得到晶須和納米顆粒的體積份數(shù)分別占總體積15～20％、2～7％的鋁基復(fù)合材料。三、熱擠壓h、將鑄態(tài)材料放在擠壓模具中并加熱，在溫度為400～500℃的條件下保溫30～60分鐘后對鑄態(tài)材料進(jìn)行正擠壓，擠壓比為(10～36)∶1。所述有機(jī)溶劑為無水乙醇或甲醇；所述納米顆粒為SiC、C、Al2O3、TiB、TiC、AlN、B4C或Si3N4；所述納米顆粒的粒徑為20～100nm；所述晶須為SiC、C、Al2O3或Si3N4；所述分散劑為十二烷基苯磺酸鈉或聚丙烯酸鈉等陰離子表面活性劑。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，它還包括h步驟h、將鑄態(tài)材料放在擠壓模具中并加熱，在溫度為400～500℃的條件下保溫30～60分鐘后對鑄態(tài)材料進(jìn)行正擠壓，擠壓比為(10～36)∶1。其他工藝過程和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式以制備直徑為56mm、高為50mm的(SiCw+SiCp)/2024Al為例，按照增強(qiáng)體體積百分含量稱出所需的SiC晶須和納米SiC顆粒重量，將晶須用蒸餾水洗滌后與蒸餾水混合備用；將納米顆粒與無水乙醇相混合后，加入1％的十二烷基苯磺酸鈉，并對其進(jìn)行2個(gè)周期的超聲分散，每個(gè)周期10～15分鐘；然后把顆粒與晶須的混合溶液進(jìn)行混合，在機(jī)械攪拌的基礎(chǔ)上加上2個(gè)周期的超聲分散后再將混合液倒入預(yù)制塊制備模具中過濾水分，當(dāng)上部看不到液體的時(shí)候，將壓頭放入模具中；預(yù)制塊雙面受壓成型后，保壓10分鐘將預(yù)制塊從模具中退出，并把預(yù)制塊陰干一天后置于烘干箱中烘干；將預(yù)制塊和專用石墨模具一同放入壓鑄模具中，預(yù)熱至500～520℃并保溫，與此同時(shí)，將鋁合金加熱到750～800℃，使之熔化并保溫，以備澆鑄；壓力鑄造時(shí)將液態(tài)鋁合金澆入下模，在上模施加壓力的同時(shí)盡量控制壓頭下降速率，液態(tài)鋁合金在壓力的作用下自上而下地滲入預(yù)制塊，同時(shí)將預(yù)制塊中的空氣從石墨墊塊的孔隙排出，一次加壓的浸滲壓力為5MPa，二次加壓冷卻的壓力為60MPa，保壓5分鐘后退模，再將鑄態(tài)材料隨爐升溫到450℃保溫30分鐘后進(jìn)行正擠壓，擠壓比為16∶1。該發(fā)明制備的(20％SiCw+7％SiCp)/2024Al復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)度達(dá)到620MPa，經(jīng)熱擠壓后，縱向拉伸強(qiáng)度達(dá)到754MPa，其強(qiáng)度值均高于27％SiCw/2024Al復(fù)合材料。鑄態(tài)和擠壓態(tài)(SiCw+SiCp)/2024Al材料的拉伸性能分別見表1和表2。
表1

表2

具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，所得鋁基復(fù)合材料中Si3N4晶須和納米Al2O3p顆粒的體積份數(shù)為別占總體積20％、2％。其他步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
二相同。
權(quán)利要求
1.晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于它是這樣實(shí)現(xiàn)的a、將晶須用蒸餾水洗滌后與蒸餾水混合備用；b、將納米顆粒與有機(jī)溶劑混合，然后加入重量濃度為1～2％的分散劑，對該混合溶液進(jìn)行2～4個(gè)周期的超聲分散，每個(gè)周期10～15分鐘；c、把顆粒與晶須的混合溶液進(jìn)行混合，在機(jī)械攪拌的條件下進(jìn)行超聲分散2～4個(gè)周期，每個(gè)周期10～15分鐘；d、然后再將混合液倒入預(yù)制塊制備模具中過濾水分，當(dāng)上部看不到液體的時(shí)候，將壓頭放入模具中；e、預(yù)制塊雙面受壓成型后，保壓10～20分鐘，然后將預(yù)制塊從模具中退出，并把預(yù)制塊陰干一天后置于烘干箱中烘干；f、將預(yù)制塊和專用石墨模具一同放入壓鑄模具中，預(yù)熱至500～520℃并保溫，與此同時(shí)，將鋁或鋁合金加熱到750～800℃；g、將液態(tài)鋁或鋁合金澆入下模，對上模施加3～6MPa浸滲壓力，然后施加50～70MPa冷卻壓力，保壓5～10分鐘，得到晶須和納米顆粒的體積份數(shù)分別占總體積15～20％、2～7％的鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須與納米顆粒混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于所述納米顆粒為SiC、C、Al2O3、TiB、TiC、AlN、B4C或Si3N4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的晶須與納米顆粒混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于所述納米顆粒的粒徑為20～100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于所述晶須為SiC、C、Al2O3或Si3N4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于所述分散劑為十二烷基苯磺酸鈉或聚丙烯酸鈉陰離子表面活性劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，其特征在于所述有機(jī)溶劑為無水乙醇或甲醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的擠壓鑄造方法，其特征在于它還包括h步驟h、將鑄態(tài)材料放在擠壓模具中并加熱，在溫度為400～500℃的條件下保溫30～60分鐘后對鑄態(tài)材料進(jìn)行正擠壓，擠壓比為(10～36)∶1。
全文摘要
晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的壓力鑄造方法，它涉及一種用壓力鑄造法制備亞微米晶須與納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝。它是這樣實(shí)現(xiàn)的a.將晶須與蒸餾水混合；b.將納米顆粒與有機(jī)溶劑混合后加入分散劑超聲分散；c.把顆粒與晶須的混合溶液進(jìn)行機(jī)械攪拌和超聲分散；d.將混合液倒入預(yù)制塊制備模具中過濾水分后雙面受壓成型；e.將預(yù)制塊從模具中退出并烘干；f.將預(yù)制塊和專用石墨模具放入壓鑄模具中預(yù)熱，同時(shí)將鋁或鋁合金加熱至熔化；g.將液態(tài)鋁或鋁合金澆入下模，壓力鑄造。采用本發(fā)明可以將晶須的體積份數(shù)控制在15～20％，納米顆粒體積份數(shù)可控范圍為2～7％，實(shí)現(xiàn)了降低材料成本，提高材料性能的目的。
文檔編號B22F3/12GK1605415SQ200410043979
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者耿林, 張雪囡, 王桂松, 鄭鎮(zhèn)洙, 李愛濱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)