本發(fā)明涉及鋁合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種兩步法制備SiC增強(qiáng)可溶解鋁合金材料的工藝。
背景技術(shù)：
石油、天然氣開采過程中需要用到大量的井下開采工具，如封隔器、丟手工具、橋塞、壓裂球等，最為理想的狀況就是這些工具既能在使用和保存期內(nèi)滿足基本的應(yīng)用性能要求，又能在失效后迅速溶解無需回收，保持井筒暢通，這將會(huì)避免工具回收時(shí)資源的浪費(fèi)，極大的提高了工程進(jìn)展速度。此外，部分工具須在高溫、高壓工況下起作用，這就要求其不但可溶，還必須具有優(yōu)良的機(jī)械性能，以滿足一定的強(qiáng)度要求。因此，開發(fā)一種高強(qiáng)度可溶解材料以制備油氣田井下開采工具成為目前急需解決的技術(shù)難題。
常見的合成和加工方法(如合金化和熱機(jī)械處理)在未來提高鋁和其他金屬材料的性能方面已經(jīng)達(dá)到了一定的限制，陶瓷顆粒已經(jīng)被引進(jìn)到金屬基質(zhì)中來提高金屬材料的強(qiáng)度。SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于熱膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度高、比剛度高及耐磨損等優(yōu)異性能，是金屬基復(fù)合材料中研究最多、應(yīng)用前景最廣的材料之一。
專利201310713822.X通過氧化鋁和/或氧化硅粉末和分散劑、粘結(jié)劑球磨，網(wǎng)眼多孔SiC陶瓷浸漿、離心、干燥，埋入綠火鋁合金粉熔化并通氬氣制得SiC/Al合金材料的方法。專利201310433182.7采用外加SiC到熔化Al-Si-Mg系合金的方法，通過淬火、165-175℃時(shí)效制得鋁基復(fù)合材料。專利200510016511.3以鋁和SiC為原料，通過球磨、熱壓，真空熱壓爐燒結(jié)制得致密鋁合金材料。以上SiC增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法均為外加SiC顆粒，存在SiC顆粒尺寸偏大(50-100μm)、與鋁基體間浸潤(rùn)性差導(dǎo)致兩者的界面結(jié)合力弱、需對(duì)SiC顆粒表面預(yù)處理等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種兩步法制備SiC增強(qiáng)可溶解鋁合金材料的工藝，通過兩個(gè)大步驟完成材料的合成，通過混合體中各組分間的化學(xué)反應(yīng)生成SiC及第二相Mg2Sn，均勻分布于鋁合金基體中，從而達(dá)到強(qiáng)化鋁合金基體的作用；使所制備的材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能及化學(xué)穩(wěn)定性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種兩步法制備SiC增強(qiáng)可溶解鋁合金材料的工藝，包括以下步驟；
第一步；鋁基SiC增強(qiáng)體的制備
步驟一；鋁基原位反應(yīng)壓塊的制備
將碳粉2～58wt.％，硅粉12～68wt.％，鋁粉30～86wt.％為原料，在手套箱內(nèi)Ar氣保護(hù)下配料，放置在球磨罐中進(jìn)行球磨10-20小時(shí)；取出上述球磨后的粉料，粉料過120目篩；在油壓壓樣機(jī)上冷壓，壓力為60-150MPa，保壓5-10分鐘，得到壓塊；
步驟二；真空熱壓爐燒結(jié)
將步驟一中制備的壓塊在真空熱壓爐中燒結(jié)，升溫到300℃-600℃時(shí)加壓，壓力為20-30MPa，升壓速度為2MPa/10min；升溫到1000-1300℃，升溫速度為4-8℃/min，保溫1-2小時(shí)后隨爐冷卻至室溫后取出材料；得到鋁基SiC增強(qiáng)體；
第二步：可溶解鋁合金材料的制備
步驟一；將鋁錠放入感應(yīng)加熱爐，升溫到710-800℃，使之熔融成為鋁液；
步驟二；將步驟一所得鋁液按所規(guī)定的配方依次加入預(yù)制的功能合金、強(qiáng)化合金、低溫合金、活化合金混合得到溶液A，將溶液A和第一步制得的鋁基SiC增強(qiáng)體混合，鋁基SiC增強(qiáng)體為溶液A的2-30vol％；充分?jǐn)嚢?，?10-800℃保溫10-30min，使之成為具有宏觀均勻性質(zhì)的熔體；
所述的預(yù)制合金組成及添加比例分別為：功能合金(Al-Ga)0.1-15wt％、強(qiáng)化合金(Mg-Si-Mn)5-10wt％、低溫合金(Al-In)0.1-4wt％、活化合金(Al-Mg-Sn-Zn)2-30wt％，鋁液為60-90wt％；
步驟三；將步驟二所得熔體加入0.6wt％細(xì)化劑并進(jìn)行除渣工藝，保溫5-10min后，澆注在預(yù)先預(yù)熱好的模具中；將所得鑄件冷卻至室溫后，在馬弗爐中退火，退火溫度為350-480℃，保溫2-6h，制得高強(qiáng)度可溶解鋁合金材料鑄件；
步驟四；將步驟三所得鑄件加工成工程所需構(gòu)件。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明提供的兩步法制備SiC增強(qiáng)可溶解鋁合金材料的工藝，通過混合體中各組分間的化學(xué)反應(yīng)生成SiC及第二相Mg2Sn，均勻分布于鋁合金基體中，從而達(dá)到強(qiáng)化鋁合金基體的作用。本發(fā)明提供的方法所制備的復(fù)合材料中，SiC顆粒熱力學(xué)穩(wěn)定，與鋁合金基體結(jié)合良好，克服了外加SiC與基體的不相容性的缺陷，且SiC與鋁合金基體間的界面無雜質(zhì)污染，顯著改善了材料中兩相界面的結(jié)合狀況，使所制備的材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能及化學(xué)穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
第一步；鋁基SiC增強(qiáng)體的制備
步驟一；鋁基原位反應(yīng)壓塊的制備
將碳粉12.05wt.％，硅粉33.73wt.％，鋁粉54.22wt.％為原料，在手套箱內(nèi)Ar氣保護(hù)下配料，放置在球磨罐中進(jìn)行球磨12小時(shí)；取出上述球磨后的粉料，粉料過120目篩；在油壓壓樣機(jī)上冷壓，壓力為70MPa，保壓5分鐘，得到壓塊；
步驟二；真空熱壓爐燒結(jié)
將步驟一中制備的壓塊在真空熱壓爐中燒結(jié)，升溫到400℃時(shí)加壓，壓力為20MPa，升壓速度為2MPa/10min；升溫到1000℃，升溫速度為6℃/min，保溫1.5小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫后取出材料；得到鋁基SiC增強(qiáng)體；
第二步：可溶解鋁合金材料的制備
步驟一；將鋁錠放入感應(yīng)加熱爐，升溫到760℃，使之熔融成為鋁液；
步驟二；將步驟一所得鋁液按87.7wt％的量與預(yù)制的功能合金2wt％、強(qiáng)化合金5wt％、低溫合金0.3wt％、活化合金5wt％混合得到溶液A；將溶液A和第一步制得的鋁基SiC增強(qiáng)體15vol％混合；充分?jǐn)嚢?，?00℃保溫10min，使之成為具有宏觀均勻性質(zhì)的熔體；
步驟三；將步驟二所得熔體加入0.6wt％細(xì)化劑并進(jìn)行除渣工藝，保溫5min后，澆注在預(yù)先預(yù)熱好的模具中；將所得鑄件冷卻至室溫后，在馬弗爐中退火，退火溫度為380℃，保溫5h，制得高強(qiáng)度可溶解鋁合金材料鑄件；
步驟四；將步驟三所得鑄件加工成工程所需構(gòu)件。
實(shí)施例2
第一步；鋁基SiC增強(qiáng)體的制備
步驟一；鋁基原位反應(yīng)壓塊的制備
將碳粉2wt.％，硅粉12wt.％，鋁粉86wt.％為原料，在手套箱內(nèi)Ar氣保護(hù)下配料，放置在球磨罐中進(jìn)行球磨10小時(shí)；取出上述球磨后的粉料，粉料過120目篩；在油壓壓樣機(jī)上冷壓，壓力為60MPa，保壓5分鐘；
步驟二；真空熱壓爐燒結(jié)
將步驟一中制備的壓塊在真空熱壓爐中燒結(jié)，升溫到300℃時(shí)加壓，壓力為20MPa，升壓速度為2MPa/10min；升溫到1000℃，升溫速度為4℃/min，保溫1小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫后取出材料；得到鋁基SiC增強(qiáng)體；
第二步：可溶解鋁合金材料的制備
步驟一；將鋁錠放入感應(yīng)加熱爐，升溫到760℃，使之熔融成為鋁液；
步驟二；將步驟一所得鋁液按90wt％的量與預(yù)制的功能合金1.5wt％、強(qiáng)化合金3wt％、低溫合金0.5wt％、活化合金5wt％混合得到溶液A；將溶液A和第一步制得的鋁基SiC增強(qiáng)體10vol％混合；充分?jǐn)嚢?，?10℃保溫10min，使之成為具有宏觀均勻性質(zhì)的熔體；
步驟三；將步驟二所得熔體加入0.6wt％細(xì)化劑并進(jìn)行除渣工藝，保溫10min后，澆注在預(yù)先預(yù)熱好的模具中；將所得鑄件冷卻至室溫后，在馬弗爐中退火，退火溫度為350℃，保溫5h，制得高強(qiáng)度可溶解鋁合金材料鑄件；
步驟四；將步驟三所得鑄件加工成工程所需構(gòu)件。
實(shí)施例3
第一步；鋁基SiC增強(qiáng)體的制備
步驟一；鋁基原位反應(yīng)壓塊的制備
將碳粉18.33wt.％，硅粉35.25wt.％，鋁粉46.42wt.％為原料，在手套箱內(nèi)Ar氣保護(hù)下配料，放置在球磨罐中進(jìn)行球磨18小時(shí)；取出上述球磨后的粉料，粉料過120目篩；在油壓壓樣機(jī)上冷壓，壓力為120MPa，保壓10分鐘；
步驟二；真空熱壓爐燒結(jié)
將步驟一中制備的壓塊在真空熱壓爐中燒結(jié)，升溫到550℃時(shí)加壓，壓力為30MPa，升壓速度為2MPa/10min；升溫到1250℃，升溫速度為6℃/min，保溫2小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫后取出材料；得到鋁基SiC增強(qiáng)體；
第二步：可溶解鋁合金材料的制備
步驟一；將鋁錠放入感應(yīng)加熱爐，升溫到710℃，使之熔融成為鋁液；
步驟二；將步驟一所得鋁液按65wt％的量與預(yù)制的功能合金6wt％、強(qiáng)化合金10wt％、低溫合金8.5wt％、活化合金10.5wt％混合得到溶液A；將溶液A和第一步制得的鋁基SiC增強(qiáng)體25vol％混合；充分?jǐn)嚢?，?10℃保溫30min，使之成為具有宏觀均勻性質(zhì)的熔體；
步驟三；將步驟二所得熔體加入0.6wt％細(xì)化劑并進(jìn)行除渣工藝，保溫10min后，澆注在預(yù)先預(yù)熱好的模具中；將所得鑄件冷卻至室溫后，在馬弗爐中退火，退火溫度為460℃，保溫6h，制得高強(qiáng)度可溶解鋁合金材料鑄件；
步驟四；將步驟三所得鑄件加工成工程所需構(gòu)件。