CN102815957B - 一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料及制备方法，氮化铝坯件按重量份数比，由氮化铝、氧化钇、氧化铝、碳黑组成；方法包括氮气气氛下加热获得气孔率小于43％的氮化铝坯件，加热压铸机，将铜合金加热至到熔融状态倒入放置氮化铝坯件的空腔内，压头将熔融铜合金液压入氮化铝坯件中，最后待铸块冷却后与模具分离，对产品进行热处理后得到铜合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料。具有高弹性模量、高强度、高硬度、优异的摩擦学性质和低的热膨胀系数的特点，特别是与传统氮化铝陶瓷材料相比具有非常高的断裂韧性，可广泛应用于机电类特种设备摩擦磨损结构件、承压类特种设备耐高温耐腐蚀结构件、航空航天结构件、汽车结构件等方面。

Description

一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属增韧陶瓷基复合材料及制备方法，具体涉及一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料及制备方法。

背景技术

陶瓷材料的强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高温下抗磨损好,耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数与比重小,这些优异的材料性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的,它越来越来受到人们的重视.世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展,并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划,出现了陶瓷热. 但是,由于陶瓷材料本身的致命弱点—脆性,作结构材料使用时缺乏足够的可靠性,因而,改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。

    金属增韧连续陶瓷基复合材料是近年来出现的一种具有全新复合增强方式的陶瓷/金属复合材料。在这种复合材料中,基体陶瓷增强相具有三维连通的内部结构,因而起增韧作用的金属填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空间上也是三维连通的。实现这种复合结构需要不同于传统的复合材料成型与制备技术。这种复合结构使得连续陶瓷基复合材料能够将陶瓷与金属各自的性能特点更多的保留在最终的复合材料中;同时,还表现出了与传统复合材料(颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等)不同的性能特性,具有广泛的应用前景。陶瓷基复合材料的传统制造方法主要有(1)、浆料浸渗法；(2)、溶胶-凝胶和聚合物热解法；(3)、直接熔融氧化法；(4)熔体浸渗法；

(1)、浆料浸渗法

浆料浸渗法目前在制造长纤维补强玻璃和玻璃-陶瓷及低熔点陶瓷复合材料上应用最多,并且最有效。在热压烧结时温度应接近或略高于玻璃的软化点,这样有助于粘性流动的发生以促进致密化过程的进行。但是此法对现在所用的一些非氧化物陶瓷却不十分有效，由于高温下陶瓷难以发生粘性流动,因而只能通过提高热压温度才能使基体致密，但随着热压温度的升高,纤维与基体间的反应加剧,因纤维氧化和纤维晶粒长大而使纤维性能降低，同时,难熔硬质颗粒压力下对纤维会产生擦伤和机械损伤。另外,此方法只能制作一维或二维纤维补强的复合材料,再加上热压烧结等工艺方面的限制,也只能制作一些形状简单的结构件。参见王零林,<<特种陶瓷>>,中南工业大学出版社,1994. 

 (2)、溶胶-凝胶和聚合物热解法

它是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体。溶胶-凝胶法主要用于制备氧化物陶瓷基复合材料,它是由液态溶胶通过进一步水解反应脱水和聚合物形成凝胶,凝胶经高温干燥和裂解形成无机氧化物陶瓷基体。该法具备的优点是:在单相基体中能使其化学成分达到十分均匀；能制造成分均匀、多相的陶瓷基体，对纤维预制体,很容易进行浸渗，烧成温度低，一般不超过1400℃,这比传统的烧成温度要低几百度。但是,该法目前主要存在的问题是,致密周期较长,制品空隙率较高,基体在高温裂解过程中收缩率较大,容易产生裂纹和气孔。参见王兴业,苏波. <<连续纤维陶瓷复合材料(CFCC) 的进展>>, 航空工业出版社,1994.

(3)、直接熔融氧化法

将陶瓷纤维预成型件置于熔融金属的上面,通过选择合适的金属种类与成分,炉体温度和气氛,使浸渍至纤维织物中的金属与气氛发生反应而形成陶瓷基体沉积于纤维表面,形成含有少量残余金属的致密陶瓷基体，其特点为:成型温度较低，制备的复合材料室温和高温力学性能较好，生产效率较高,成本较低,是一种有工业前景的陶瓷基复合材料制备工艺，这种工艺最早由美国的LANXDE 公司发明,因而又称为LANXIDE法,目前该公司已有少量CMC产品出售,并应用于地面防护装甲等方面。参见曹永福，“陶瓷基复合材料的研究进展”，昆明理工大学学报，1997，22：2

(4)、熔体浸渗法

虽然这种方法在金属基复合材料方面得到了广泛应用。并且卓有成效,但迄今在陶瓷基复合材料方法所做的工作仍不多,还未得到足够的重视。熔体浸渗法是使熔融金属浸渗入内置多孔陶瓷预制件的气孔中，这种方法的主要优点：能一次形成致密且基本无缺陷的基体，预成型件与最终产品之间尺寸变化极小，可获得任何复杂形状的零件，并能在一定程度上保持纤维骨架的形状和纤维的强度.参见 Cornie J A ,Processing of metal and ceramic matrix composites , Am. Ceram. Soc.Bull. ,1986 ,65 (2) :293～304。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产工艺简单，制备成本低，产品性能优异，具有高弹性模量、高强度、高硬度、优异的摩擦学性质和低的热膨胀系数，高的断裂韧性的一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料。

本发明的另一目的是提供有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料的制备方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料，本发明的特殊之处在于氮化铝陶瓷坯件烧结前原料按重量份数比，由50份～95份氮化铝、5份氧化钇、0份～34份氧化铝、0份～11份碳黑组成，其中在陶瓷基复合材料中添加复合材料总重量的2份～63份有色金属合金。

所述有色金属合金为各种型号的铸造铜合金。

一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料的制备方法，按下述步骤进行：

（1）、按重量份数比，称取氮化铝、氧化钇、氧化铝、碳黑；

（2）、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末过筛制成造粒料，装入模具型腔内，模压成形为不同组分的坯件；

（3）、将不同组分的坯件分别在大于2个大气压氮气气氛、流动氮气的流量大于2L/min、以10℃/min的升温速度逐渐升温到1600℃下保温2小时，获得气孔率小于43％的氮化铝坯件； 

（4）、压铸机各部分组装后将各组分的氮化铝坯件分别放入压铸机模腔内加热模腔至700℃～900℃，或者先单独预热氮化铝坯件至700℃～900℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铜合金加热至1000℃～1200℃达到熔融状态；

（5）、压铸机模腔内与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模；

 （6）、将熔融铜合金液倒入放置氮化铝坯件的压铸机模腔内,熔融铜合金液的压入量为复合材料总重量的2%～63%；

 （7）、依靠压铸机上压头将熔融铜合金液压入氮化铝坯件中，形成铸块，当压强达到40～60MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却至室温后从模腔取出铸块；

 （8）、将铸块重新加热去除铸块外边多余的铜合金；

 （9）、对去除多余铜合金的铸块进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺：将铸块放入马弗炉内，在半小时内将炉温从室温升至600℃，并保温5小时，然后将铸块取出水淬，再在150℃保温5小时消除内应力。

本发明与现有技术相比，使用碳热还原法制备的氮化铝坯件作为陶瓷基体的预制件，结合熔体浸渗法和压力铸造法制备了力学性能优异的铜合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料。其优点是：

（1）碳热还原法制备的氮化铝坯件气孔率小于40%，陶瓷基体相含量较高（大于60%），接近于传统陶瓷基复合材料的陶瓷基体含量（大约70%）。而且通过调整原料的含量可以调节氮化铝坯件气孔率，进而实现控制氮化铝基体体积含量的目标。

（2）此种方法制备的铜合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料的氮化铝基体和铜合金增韧体在三维空间交叉互穿分布的拓扑结构决定了这种复合材料的性能具有显著的优点:由于陶瓷基体在三维空间连续,使得这种复合材料可以容纳更高体积分数的陶瓷相;在受力时,有利于将集中在点或面上的应力迅速在空间体范围内分散和传递,因而可以大幅度地提高复合材料的承载能力或抗冲击能力;由于增韧相(金属)在三维空间连续,使得对复合材料的整体增韧效果大幅度的增强;韧性的金属相具有较高的失效应变,从而可以在裂纹产生后起到裂纹桥接作用,同时这种三维双连续的结构还可能引起结构互锁的效应,使得材料具有更高的损伤容限,材料失效的危险性大大降低。由于基体(陶瓷)与增韧相(金属)在空间呈交织的三维双连续的拓扑网络结构,使得增韧相(金属)与基体(陶瓷)的结合得到大幅度的改善。

（3）通过机械压力使熔融铜合金液强行进入氮化铝坯件内气孔，压力一直保持到凝固结束,施加的机械压力不但能够克服预制体内的各种阻力，而且还能使熔融铜合金液前沿的热气流排出型腔，提高了熔融铜合金液对氮化铝坯件微小气孔的填充能力，使压铸后的复合材料致密度大幅度升高。所以通过结合熔体浸渗法和压力铸造技术的优点，制备的铜合金增韧氮化铝基复合材料具有致密度高，力学性能优异的特点。广泛用于机电类特种设备摩擦磨损结构件、承压类特种设备耐高温耐腐蚀结构件、航空航天结构件、汽车结构件等方面。

附图说明

图1为实施例6压铸前的氮化铝坯件显微形貌照片。

图2为实施例6压铸后的铜合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料显微形貌照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明内容作进一步的详细说明：

实施例1

一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料，氮化铝陶瓷坯件烧结前原料按重量份数比，由50份～95份氮化铝、5份氧化钇、0份～34份氧化铝、0份～11份碳黑组成，其中在陶瓷基复合材料中添加复合材料总重量的2份～63份有色金属合金。

所述有色金属合金为各种型号的铸造铜合金。

一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料的制备方法，按下述步骤进行：

（1）、按重量份数比，称取氮化铝、氧化钇、氧化铝、碳黑；

（2）、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末过筛制成造粒料，装入模具型腔内，模压成形为不同组分的氮化铝坯件；

（3）、将不同组分的坯件分别在大于2个大气压氮气气氛、流动氮气的流量大于2L/min、以10℃/min的升温速度逐渐升温到1600℃下保温2小时，获得气孔率小于43％的氮化铝坯件； 

（4）、压铸机各部分组装后将各组分的氮化铝坯件分别放入压铸机模腔内加热模腔至700℃～900℃，或者先单独预热氮化铝坯件至700℃～900℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铜合金加热至1000℃～1200℃达到熔融状态；

（5）、压铸机模腔内与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模；

 （6）、将熔融铜合金液倒入放置氮化铝坯件的压铸机模腔内, 熔融铜合金液的压入量为复合材料总重量的2%～63%；

 （7）、依靠压铸机上压头将熔融铜合金液压入氮化铝坯件中，形成铸块，当压强达到40～60MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却至室温后从模腔取出铸块；

 （8）、将铸块重新加热去除铸块外边多余的铜合金；

 （9）、对去除多余铜合金的铸块进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺：将铸块放入马弗炉内，在半小时内将炉温从室温升至600℃，并保温5小时，然后将铸块取出水淬，再在150℃保温5小时消除内应力。

表1为本发明氮化铝坯件的原料组成的实施例

实施例2～实施例17的制备方法同实施例1。

表2为本发明铜合金增韧氮化铝基复合材料压铸条件和性能

从表2可以看出在压铸机的温度为700～900℃，铜合金加热温度为1000～1200℃，压铸压力为40～60MPa的范围内压铸，复合材料表现出了很高的弯曲强度，断裂韧性和显微硬度。分别最高可达565.9MPa，

，1345.3 HV。

压汞法测定氮化铝坯件和复合材料的开气孔率。扫描电子显微镜在试样断面上观察显微组织。由上述方法获得的实施例2-17金属增韧氮化铝陶瓷复合材料测定室温下的三点弯曲强度和断裂韧性，用维氏硬度仪进行显微硬度试验。这些气孔率和力学性能的性能结果如表2所示。

图1所示为实施例6压铸前的氮化铝坯件显微形貌照片。从显微照片可以知道，氮化铝坯件的空隙较发达，晶体排列分散，不密实。

图2所示为实施例6压铸后的铜合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料显微照片。从显微照片可以知道，压铸后的铜合金增韧氮化铝陶瓷基，晶体排列较整齐，中间有片状晶体，断口较密实。

Claims (1)

1.一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料，其特征在于氮化铝陶瓷坯件烧结前原料按重量份数比，由50份～95份氮化铝、5份氧化钇、0份～34份氧化铝、0份～11份碳黑组成，其中在陶瓷基复合材料中添加复合材料总重量的2份～63份有色金属合金，所述有色金属合金为各种型号的铸造铜合金；

其该有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料的制备方法，按下述步骤进行：

（1）、按重量份数比，称取氮化铝、氧化钇、氧化铝、碳黑；

（2）、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末过筛制成造粒料，装入模具型腔内，模压成形为不同组分的坯件；

（3）、将不同组分的坯件分别在大于2个大气压氮气气氛、流动氮气的流量大于2L/min、以10℃/min的升温速度逐渐升温到1600℃下保温2小时，获得气孔率小于43％的氮化铝坯件； 

（4）、压铸机各部分组装后将各组分的氮化铝坯件分别放入压铸机模腔内加热模腔至700℃～900℃，或者先单独预热氮化铝坯件至700℃～900℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铜合金加热至1000℃～1200℃达到熔融状态；

（5）、压铸机模腔内与液态金属直接接触的部分涂上脱模剂，以方便脱模；

 （6）、将熔融铜合金液倒入放置氮化铝坯件的压铸机模腔内,熔融铜合金液的压入量根据氮化铝坯件的气孔率决定, 熔融铜合金液的压入量为复合材料总重量的2%～63%；

（7）、依靠压铸机上压头将熔融铜合金液压入氮化铝坯件中，形成铸块，当压强达到40～60MPa的时候，停止加压，并保持压力10分钟，待铸块冷却至室温后从模腔取出铸块；

 （8）、将铸块重新加热去除铸块外边多余的铜合金；

 （9）、对去除多余铜合金的铸块进行T6热处理工艺后得到复合材料，所述T6热处理工艺：将铸块放入马弗炉内，在半小时内将炉温从室温升至600℃，并保温5小时，然后将铸块取出水淬，再在150℃保温5小时消除内应力。

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