CN103981391B - 硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料技术领域，具体地说是涉及一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料及制备方法。本发明硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料体积分数配比：硼酸镁晶须3%(体积分数)；碳化硅粒子3%(体积分数)；余量为铝合金。本发明的制备方法是：混合性增强体的制备；搅拌铸造法制备混杂型铝基复合材料铸锭；热挤压锭坯。本发明的有益效果：本发明通过合理的设计工艺制备了硼酸镁晶须和碳化硅粒子混杂双相增强的铝基复合材料，改善了碳化硅粒子在制备过程中沉降现象严重的问题，提高了晶须在复合材料中的分散性，晶须和粒子在复合材料中起到了协同增强效应，有效地提高了铝基复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体地说是涉及一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料及制备方法。
背景技术
目前对单一碳化硅粒子和单一硼酸镁晶须增强的复合材料研究较多。但是对硼酸镁晶须和碳化硅粒子混杂增强的铝基复合材料研究尚未见报导。金培鹏课题组对硼酸镁晶须增强的镁基复合材料的制备工艺以及性能进行了全面的研究，发现硼酸镁晶须的引入有效的提高了镁基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能，高温下的稳定性得到改善，但是本研究制得的复合材料为高体积分数，采用的工艺为真空气压渗流法，并且基体为镁合金。同时本课题组利用搅拌铸造法制备了低体积分数硼酸镁晶须增强的铝基复合材料，复合材料的摩擦磨损性能相比基体合金有了一定的提高，但是晶须在基体合金的中团聚现象比较严重，因此解决晶须在基体合金中的分散性问题，是提高低体积分数硼酸镁晶须增强铝基复合材料力学性能的关键。
肖代红和黄伯云研究表明利用搅拌铸造法制备的碳化硅粒子增强的铝基复合材料相对基体合金其硬度和耐磨性能虽有了大幅提高，但拉伸性能却明显降低。这主要是由于碳化硅粒子存在尖锐的边角，同时粒子与基体间的热错配较大，因此在尖锐的边角前沿会产生巨大的内应力，造成严重的应力集中，当复合材料受到外力时，尖角部位很易划伤基体，从而产生微裂纹，微裂纹不断萌生扩散，因而使复合材料的拉伸性能急剧降低。同时利用搅拌铸造法制备复合材料时粒子出现沉降，造成局部富集，对提高复合材料的性能也会造成不利影响。
吕映宾等利用混合盐原位反应方法制备了SiC、TiB2双相混杂颗粒增强的铝基复合材料，和单一颗粒增强的复合材料相比，由于颗粒的混杂协同增强效应，使得混杂复合材料的弹性模量以及拉伸性能具有了明显的提升。并且碳化硅颗粒的沉降现象得到了明显的抑制，使粒子在复合材料中的分散趋于均匀。Byung-ChulKo和Yeon-ChulYoo利用粉末冶金法制备了一系列不同配比的SiCw和SiCp增强的铝基复合材料，对复合材料的力学性研究表明，当SiCw和SiCp的配比为1:1时，复合材料会获得最高的强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料及制备方法。
本发明的制备方法是：混合性增强体的制备；搅拌铸造法制备混杂型铝基复合材料铸锭；热挤压锭坯。
本发明硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料体积分数配比：
硼酸镁晶须3%(体积分数)；
碳化硅粒子3%(体积分数)；
余量为铝合金；
铝合金是：6000系列铝合金，合金牌号为6061，化学成分(质量百分比wt%)：Mg-0.86%,Si-0.65%,Cu-0.25%,Mn-0.15%,Zn-0.25%,Cr-0.15%,Ti-0.15%,Fe-0.7%Al-余量。
本发明的制备方法包括如下步骤：
(1)混合型增强体的制备步骤
(1.1)基体和增强体的计算与称量;
首先将6061铝锭称量好，然后根据铝锭的质量计算并称量硼酸镁晶须和碳化硅粒子，使得两种增强体的体积分数各占3%；
(1.2)增强体的混粉研磨;
将称量好的硼酸镁晶须和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分钟，使得两种增强体初步混合，并使宏观团聚到一起的晶须和粒子进行初步的分散；
(1.3)超声分散;
将混合后两种增强体粉末转移到一大容量烧杯中，并加入适量的酒精，是酒精将增强体粉末充分淹没，将烧杯放入超声器皿中进行超声分散40分钟；
(1.4)烘干
将超声后的混合增强体粉末放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，水平送风，对粉末进行烘干24小时；
(2)搅拌铸造法制备铸态复合材料铸锭步骤
(2.1)熔化铝合金；
将预先称量好的6061铝合金铸锭放入一钢坩埚，用中频感应电炉加热至750℃，待铝合金完全融化后，将中频感应电炉功率调小，并将铝液温度控制在640℃，使铝液保持半固态；
(2.2)机械搅拌；
将搅拌器***到铝液中，使其居于坩埚中心，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在铝液表面产生一漩涡，将混合增强体粉末缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到铝液中，增强体粉末完全加入后，再持续搅拌20分钟；
(2.3)超声处理；
将一功率超声发生器***到铝液中，同时将中频感应电炉功率调大，重新将温度升高到750℃，开启超声波，持续超声10分钟；
(2.4)浇铸
超声完毕后，关闭感应电炉，施复合材料熔体稍作冷却，然后浇铸到一事先预热好的石墨模具中，模具预热温度为300℃，冷却后得到铸态复合材料铸锭；
(3)热挤压锭坯步骤
热挤压在200t型材卧式轻合金挤压机上进行；挤压前润滑模具，加热锭坯温度到400～450℃范围，挤压模具加热到400℃；将加热好的锭坯推入挤压筒，保温40min后开始挤压，挤压比为10：1，挤压速率为0.6m/min，挤压筒直径为φ90mm，挤压轴在主柱塞的作用下，迫使挤压筒内锭坯流出模孔；通过以上热挤压过程加工成棒材，制备完成。
本发明一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料及制备方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材及制备方法是针对铝基复合材料中增强方式进行改进的制备工艺。通过合理的设计工艺制备了硼酸镁晶须和碳化硅粒子混杂双相增强的铝基复合材料。改善了碳化硅粒子在制备过程中沉降现象严重的问题，提高了晶须在复合材料中的分散性，晶须和粒子在复合材料中起到了协同增强效应，有效地提高了铝基复合材料的力学性能。
由于硼酸镁晶须与铝基体润湿性不好，在熔融的铝液中不易分散，团聚现象严重，同时碳化硅粒子在铝液中沉降现象严重，会造成局部富集，从而造成单一增强的铝基复合材料性能不够理想。本发明通过合理的工艺设计，采用晶须和碳化硅粒子双相混杂增强方式，有效地改善了晶须在铝基体中的分散性，延缓了制备过程中碳化硅粒子在铝液中的沉降速度，消除了碳化硅粒子的富集现象，有效地提高了复合材料的力学性能。本发明采用搅拌铸造法制备硼酸镁晶须和碳化硅粒子混杂双相增强的铝基复合材料，在机械搅拌铸造过程中借助粒子在铝液中易分散的特性（粒子与铝基体具有良好的润湿性）来打散晶须的团聚，同时晶须的引入增加了铝熔液的动力学粘度，从而延缓了粒子的沉降速度。通过表征分析，发现碳化硅粒子以及晶须在基体合金中分散性良好，相比单一晶须增强的铝基复合材料，混杂复合材料中晶须具有更加良好的分散性，并且碳化硅粒子的沉降现象得到了有效的抑制，复合材料中几乎未发现粒子富集区域。粒子和晶须间的相互作用使得它们在基体中分散更加均匀，有效的提高了复合材料的力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料及制备方法技术方案作进一步描述。
实施例1。
一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料的配比为：硼酸镁晶须和碳化硅粒子两种增强体的体积分数各占3%，余量为铝合金；其中铝合金为：6000系列铝合金，合金牌号为6061，质量百分比wt%为：Mg-0.86%,Si-0.65%,Cu-0.25%,Mn-0.15%,Zn-0.25%,Cr-0.15%,Ti-0.15%,Fe-0.7%Al-余量。
一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料的制备方包括如下步骤：
(1)混合型增强体的制备步骤：
(1.1)基体和增强体的计算与称量
首先将6061铝锭称量好，然后根据铝锭的质量计算并称量硼酸镁晶须和碳化硅粒子，使得两种增强体的体积分数各占3%；
(1.2)增强体的混粉研磨
将称量好的硼酸镁晶须和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分钟，使得两种增强体初步混合，并使宏观团聚到一起的晶须和粒子进行初步的分散；
(1.3)超声分散
将混合后两种增强体粉末转移到一大容量烧杯中，并加入适量的酒精，是酒精将增强体粉末充分淹没，将烧杯放入超声器皿中进行超声分散40分钟；
(1.4)烘干
将超声后的混合增强体粉末放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，水平送风，对粉末进行烘干24小时；
(2)搅拌铸造法制备铸态复合材料铸锭步骤
(2.1)熔化铝合金；
将预先称量好的6061铝合金铸锭放入一钢坩埚，用中频感应电炉加热至750℃，待铝合金完全融化后，将中频感应电炉功率调小，并将铝液温度控制在640℃，使铝液保持半固态；
(2.2)机械搅拌；
将搅拌器***到铝液中，使其居于坩埚中心，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在铝液表面产生一漩涡，将混合增强体粉末缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到铝液中，增强体粉末完全加入后，再持续搅拌20分钟；
(2.3)超声处理；
将一功率超声发生器***到铝液中，同时将中频感应电炉功率调大，重新将温度升高到750℃，开启超声波，持续超声10分钟；
(2.4)浇铸
超声完毕后，关闭感应电炉，施复合材料熔体稍作冷却，然后浇铸到一事先预热好的石墨模具中，模具预热温度为300℃，冷却后得到铸态复合材料铸锭；
(3)热挤压锭坯步骤
热挤压在200t型材卧式轻合金挤压机上进行；挤压前润滑模具，加热锭坯温度到400℃，挤压模具加热到400℃；将加热好的锭坯推入挤压筒，保温40min后开始挤压，挤压比为10：1，挤压速率为0.6m/min，挤压筒直径为φ90mm，挤压轴在主柱塞的作用下，迫使挤压筒内锭坯流出模孔；通过以上热挤压过程加工成棒材，制备完成。
本发明中所使用的铝合金基本性能为(室温下）：
弹性模量：69GPa
抗拉强度：124MPa
规定非比例延伸强度：116MPa
伸长率：25.0%
本发明中所使用的硼酸镁晶须基本性能为：
平均长度：10~50μm
平均直径：0.2~6μm
密度：2.91g/cm3
拉伸强度：3.92GPa
弹性模量：264.6GPa
本发明所使用的碳化硅粒子基本性能：
平均直径：10μm
密度：3.2g/cm3
弹性模量：450GPa
热膨胀系数：8.0×10-6/℃
本发明中制备的混杂型铝基复合材料的性能(室温下)：
抗拉强度：245Mpa
弹性模量：117.3GPa
密度：2.71～2.73g/cm3
伸长率：10.2%
本发明中制备的混杂型铝基复合材料在150℃温度下的性能：
抗拉强度：196MPa
规定非比例延伸强度：182MPa
断后伸长率：12.3%
本发明中制备的混杂型铝基复合材料在250℃温度下的性能：
抗拉强度：132MPa
规定非比例延伸强度：129MPa
断后伸长率：15.4%。
实施例2。
本发明硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料配比与实施例1相同。硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料的制备方包括如下步骤：
(1)混合型增强体的制备步骤：
(1.1)基体和增强体的计算与称量
首先将6061铝锭称量好，然后根据铝锭的质量计算并称量硼酸镁晶须和碳化硅粒子，使得两种增强体的体积分数各占3%；
(1.2)增强体的混粉研磨
将称量好的硼酸镁晶须和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分钟，使得两种增强体初步混合，并使宏观团聚到一起的晶须和粒子进行初步的分散；
(1.3)超声分散
将混合后两种增强体粉末转移到一大容量烧杯中，并加入适量的酒精，是酒精将增强体粉末充分淹没，将烧杯放入超声器皿中进行超声分散40分钟；
(1.4)烘干
将超声后的混合增强体粉末放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，水平送风，对粉末进行烘干24小时；
(2)搅拌铸造法制备铸态复合材料铸锭步骤
(2.1)熔化铝合金；
将预先称量好的6061铝合金铸锭放入一钢坩埚，用中频感应电炉加热至750℃，待铝合金完全融化后，将中频感应电炉功率调小，并将铝液温度控制在640℃，使铝液保持半固态；
(2.2)机械搅拌；
将搅拌器***到铝液中，使其居于坩埚中心，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在铝液表面产生一漩涡，将混合增强体粉末缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到铝液中，增强体粉末完全加入后，再持续搅拌20分钟；
(2.3)超声处理；
将一功率超声发生器***到铝液中，同时将中频感应电炉功率调大，重新将温度升高到750℃，开启超声波，持续超声10分钟；
(2.4)浇铸
超声完毕后，关闭感应电炉，施复合材料熔体稍作冷却，然后浇铸到一事先预热好的石墨模具中，模具预热温度为300℃，冷却后得到铸态复合材料铸锭；
(3)热挤压锭坯步骤
热挤压在200t型材卧式轻合金挤压机上进行；挤压前润滑模具，加热锭坯温度到425℃，挤压模具加热到400℃；将加热好的锭坯推入挤压筒，保温40min后开始挤压，挤压比为10：1，挤压速率为0.6m/min，挤压筒直径为φ90mm，挤压轴在主柱塞的作用下，迫使挤压筒内锭坯流出模孔；通过以上热挤压过程加工成棒材，制备完成。
实施例3。
本发明硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料配比与实施例1相同。硼酸镁晶须与碳化硅粒子混杂双相增强铝基复合材料的制备方包括如下步骤：
(1)混合型增强体的制备步骤：
(1.1)基体和增强体的计算与称量
首先将6061铝锭称量好，然后根据铝锭的质量计算并称量硼酸镁晶须和碳化硅粒子，使得两种增强体的体积分数各占3%；
(1.2)增强体的混粉研磨
将称量好的硼酸镁晶须和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分钟，使得两种增强体初步混合，并使宏观团聚到一起的晶须和粒子进行初步的分散；
(1.3)超声分散
将混合后两种增强体粉末转移到一大容量烧杯中，并加入适量的酒精，是酒精将增强体粉末充分淹没，将烧杯放入超声器皿中进行超声分散40分钟；
(1.4)烘干
将超声后的混合增强体粉末放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，水平送风，对粉末进行烘干24小时；
(2)搅拌铸造法制备铸态复合材料铸锭步骤
(2.1)熔化铝合金；
将预先称量好的6061铝合金铸锭放入一钢坩埚，用中频感应电炉加热至750℃，待铝合金完全融化后，将中频感应电炉功率调小，并将铝液温度控制在640℃，使铝液保持半固态；
(2.2)机械搅拌；
将搅拌器***到铝液中，使其居于坩埚中心，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在铝液表面产生一漩涡，将混合增强体粉末缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到铝液中，增强体粉末完全加入后，再持续搅拌20分钟；
(2.3)超声处理；
将一功率超声发生器***到铝液中，同时将中频感应电炉功率调大，重新将温度升高到750℃，开启超声波，持续超声10分钟；
(2.4)浇铸
超声完毕后，关闭感应电炉，施复合材料熔体稍作冷却，然后浇铸到一事先预热好的石墨模具中，模具预热温度为300℃，冷却后得到铸态复合材料铸锭；
(3)热挤压锭坯步骤
热挤压在200t型材卧式轻合金挤压机上进行；挤压前润滑模具，加热锭坯温度到450℃，挤压模具加热到400℃；将加热好的锭坯推入挤压筒，保温40min后开始挤压，挤压比为10：1，挤压速率为0.6m/min，挤压筒直径为φ90mm，挤压轴在主柱塞的作用下，迫使挤压筒内锭坯流出模孔；通过以上热挤压过程加工成棒材，制备完成。
Claims (1)
1.一种硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料，其特征在于：硼酸镁晶须和碳化硅粒子两种增强体的体积分数各占3%，余量为铝合金；其中铝合金为：6000系列铝合金，合金牌号为6061，质量百分比wt%为：Mg-0.86%,Si-0.65%,Cu-0.25%,Mn-0.15%,Zn-0.25%,Cr-0.15%,Ti-0.15%,Fe-0.7%Al-余量；
所述的硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料通过如下制备方法制成：
(1)混合型增强体的制备步骤：
(1.1)基体和增强体的计算与称量
首先将6061铝锭称量好，然后根据铝锭的质量计算并称量硼酸镁晶须和碳化硅粒子，使得两种增强体的体积分数各占3%；
(1.2)增强体的混粉研磨
将称量好的硼酸镁晶须和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分钟，使得两种增强体初步混合，并使宏观团聚到一起的晶须和粒子进行初步的分散；
(1.3)超声分散
将混合后两种增强体粉末转移到一大容量烧杯中，并加入适量的酒精，使酒精将增强体粉末充分淹没，将烧杯放入超声器皿中进行超声分散40分钟；
(1.4)烘干
将超声后的混合增强体粉末放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，水平送风，对粉末进行烘干24小时；
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(2.3)超声处理；
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