CN111690840B - 一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及制备 - Google Patents

一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备与应用，所述铝基复合材料包括作为基体的铝基体以及作为增强体的硅酸盐颗粒和SiC颗粒，所述硅酸盐颗粒位于铝基体和SiC颗粒之间，所述硅酸盐颗粒呈非晶相。所述铝基复合材料采用粉末冶金方法或熔炼铸造方法制备得到，所述硅酸盐颗粒在550‑650℃下，通过水冷淬火呈非晶相。与现有技术相比，本发明中呈非晶相的硅酸盐基陶瓷颗粒能修饰界面并起到了“粘结剂”的作用，提高了SiC/Al界面润湿性，改善了微观结构的均匀性，进而改善了材料性能。

Description

一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及制备
技术领域
本发明涉及铝基复合材料领域，具体涉及一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备与应用。
背景技术
铝基复合材料作为一种轻量化复合材料，具有质量轻，磨损量低，导热性能以及抗热疲劳性能好的优点，在金属基复合材料的研究中占据了关键的地位，广泛应用于汽车业、航天航空等领域。近年来，颗粒增强铝基复合材料得到了快速的发展，该材料通过改变增强颗粒的种类、含量、尺寸等来实现铝基材料不同的力学和使用性能。目前，在铝基复合材料中引入的增强体颗粒主要包括陶瓷颗粒、碳纳米管、纳米线和石墨烯等，但增强体和铝基之间的截面结合力较弱，在较为严苛的条件下，增强体会从基体上脱落，使得材料的性能大幅度下降。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备与应用，呈非晶相的硅酸盐颗粒提高了SiC/Al界面润湿性，改善了微观结构的均匀性，使铝基复合材料具有优异的布什硬度和抗弯强度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，所述铝基复合材料包括作为基体的铝基体以及作为增强体的硅酸盐颗粒和SiC颗粒，所述硅酸盐颗粒位于铝基体和SiC颗粒之间，所述硅酸盐颗粒呈非晶相。其中，铝基复合材料的厚度为10-15mm，铝基体的厚度为10-15mm，铝基复合材料的厚度和铝基体的厚度一致，取决于工艺，硅酸盐颗粒的粒径为58-45um，SiC颗粒的粒径为10-20um。
优选地，所述铝基体为铝合金。
优选地，所述铝基体为硅铝合金，所述硅铝合金中，Si元素的质量百分比含量为15-25％。含有过高Si含量的铝基体不利于整体性能，含有过低Si含量的铝基体与SiC颗粒之间会产生有害相Al4C3。
优选地，所述铝基复合材料中，SiC颗粒的质量百分比含量为15-20％。
优选地，所述铝基复合材料中，硅酸盐颗粒的质量百分比含量为10-20％。
优选地，所述铝基复合材料中，SiC颗粒的质量百分比含量为20％，硅酸盐颗粒的质量百分比含量为10％。
优选地，所述硅酸盐颗粒包括硅酸盐基陶瓷颗粒和天然硅酸盐颗粒，某些天然的硅酸盐颗粒材料，例如棕榈壳灰，稻壳灰等，这些材料的主要成分和硅酸盐基陶瓷颗粒接近，可以达到类似的效果。
优选地，所述硅酸盐基陶瓷颗粒包含SiO2、CaSO4、H3BO3、Na2O或MgO中的一种或多种。所述硅酸盐基陶瓷颗粒中还包含Al2O3等成分，但这些成分的含量对硅酸盐基陶瓷颗粒形成非晶相影响细微，因此不对这些成分的含量进行限定。
优选地，所述硅酸盐基陶瓷颗粒中，SiO2、CaSO4、H3BO3、Na2O和MgO的质量比为(55-70):(10-15):(5-10):5:5。具体地，SiO2的质量百分比含量为55-70％，CaSO4的质量百分比含量为10-15％，H3BO3的质量百分比含量为5-10％，Na2O的质量百分比含量为5％，MgO的质量百分比含量为5％，其余为其他组分，其他组分包含Al2O3等。
优选地，所述硅酸盐颗粒在550-650℃下，通过水冷淬火呈非晶相。水冷淬火采用冰水。
优选地，所述硅酸盐颗粒的玻璃相转变温度为100-200℃。
一种用于制备上述非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该铝基复合材料采用粉末冶金方法或熔炼铸造方法制备得到，所述硅酸盐颗粒在550-650℃下，通过水冷淬火呈非晶相。
具体地，粉末冶金方法包括以下步骤：将符合粒度和成分要求的SiC颗粒、硅酸盐颗粒和铝基体，在机械搅拌器中进行50-70分钟的混合过程，以获得均匀的混合物。随后将混合物进行成型，成形工艺为模具冷压成型，冷压压力为700-900MPa，升压速率1.5kN/s，保压时间160-200s，粉末冶金烧结温度不超过650摄氏度，烧结时间为3-5h。再经550-650℃固溶20-40min后进行冰水淬火，淬火1-2秒，200-240℃下人工时效22-26小时，最终在空气中冷却至室温。
具体地，熔炼铸造方法包括以下步骤：将符合粒度和成分要求的铝基体加热至铝基体的熔点以上进行熔化并精炼，之后加入符合粒度和成分要求的SiC颗粒和硅酸盐颗粒，搅拌均匀后静置5-15min，再经冷却成型、550-650℃固溶20-40min、1-2秒冰水淬火和200-240℃下人工时效22-26小时，最终在空气中冷却至室温。
一种上述非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料的应用，该铝基复合材料可用于制作汽车零部件、航空航天器等。
混合增强铝基复合材料通常会同时加入两类材料—硬质陶瓷和软相材料来使铝基复合材料表现出更好的性能，比如石墨，MoS2，碳纳米管等。某些成分合适的硅酸盐基材料能在中等温度下(600℃附近)通过水冷淬火形成非晶相，这种非晶相能改善SiC和铝基的结合界面，提高材料整体性能。本发明通过控制铝基体中Si元素的含量，控制硅酸盐基陶瓷颗粒中SiO2、CaSO4、H3BO3、Na2O及MgO这几种关键成分的含量，使得硅酸盐基陶瓷颗粒能在550-650℃下经过水冷淬火形成非晶相。相比于一些研究通过添加合金元素，对陶瓷颗粒进行表面预处理以及涂镀金属层等方法改善界面强度的方法，非晶相的效果更理想，且不会产生脆硬相的金属间化合物损害材料的性能。控制硅酸盐基陶瓷颗粒几种关键成分的含量是为了使其具有良好的非晶相形成能力，并使其熔点在铝合金熔点以下，避免在后续加热过程中破坏已成型的铝合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)呈非晶相的硅酸盐颗粒能修饰界面并起到了“粘结剂”的作用，提高了SiC/Al界面润湿性，改善了微观结构的均匀性。
(2)通过调节控制铝基体中Si元素的含量，以及硅酸盐基陶瓷颗粒中各关键成分的含量配比，使得硅酸盐颗粒能够呈现非晶相。
(3)两种制备方法均能得到含有呈非晶相的硅酸盐颗粒的铝基复合材料。
(4)铝基复合材料的布什硬度和抗弯强度的性能优异，可用于制作汽车零部件、航空航天器等。
附图说明
图1为实施例1、对比例1和对比例2的材料的XRD对比图；
图2为实施例1中硅酸盐基陶瓷颗粒的XRD图；
图3为实施例1中的铝基复合材料、对比例1中的铝合金和对比例2中的单一复合材料的时效前时效后的布什硬度对比图；
图4为实施例1中的铝基复合材料的、对比例1中的铝合金和对比例2中的单一复合材料的抗弯强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料(记为ASC)，包括作为基体的铝基体以及作为增强体的硅酸盐颗粒和SiC颗粒，硅酸盐颗粒位于铝基体和SiC颗粒之间，铝基复合材料的厚度为10-15mm，铝基体的厚度为10-15mm，硅酸盐颗粒的粒径为58-45um，SiC颗粒的粒径为10-20um。
硅酸盐颗粒为硅酸盐基陶瓷颗粒，在550-650℃下，通过水冷淬火形成非晶相，硅酸盐基陶瓷颗粒的玻璃相转变温度为100-200℃。该材料的XRD图具体如图1所示，可以看到，在经过加热到600℃后再经水冷淬火后，ASC中的硅酸盐基陶瓷颗粒失去了衍射峰，基地略微突起呈现馒头峰。
其中，铝基体为硅铝合金，硅铝合金中，Si元素的质量百分比含量为15％，铝基复合材料中，SiC颗粒的质量百分比含量为20％，硅酸盐基陶瓷颗粒的质量百分比含量为10％。硅酸盐基陶瓷颗粒包含SiO2、CaSO4、H3BO3、Na2O、MgO以及Al2O3，其中，SiO2的质量百分比含量为65％，CaSO4的质量百分比含量为7.5％，H3BO3的质量百分比含量为10％，Na2O的质量百分比含量为5％，MgO的质量百分比含量为5％，Al2O3质量百分比含量为7.5％，如图2所示，SiO2有明显的衍射峰，由于其他峰较杂，图中便不标出。
该铝基复合材料采用以下制备方法制备得到：
将符合粒度和成分要求的SiC颗粒，硅酸盐基陶瓷颗粒，硅铝合金粉末，在机械搅拌器中进行60分钟的混合过程，以获得均匀的混合物。随后通过粉末冶金方法获得铝基复合材料(一般包括粉末制备、粉末预处理、成形、烧结及后处理，在本实施例中，粉末制备和粉末预处理省略，成形工艺为模具冷压成型，冷压压力为800MPa，升压速率1.5kN/s，保压时间180s，后处理包括固溶和时效)，粉末冶金烧结温度不超过650摄氏度，烧结时间为4h。再经600℃固溶30min后进行冰水淬火，冰水的温度为0摄氏度，淬火1-2秒，220℃下人工时效24小时，最终在空气中冷却至室温。
对制得的铝基复合材料的力学性能进行检测，具体如图3、4所示。从图3中可以看出，本实施例的铝基复合材料在时效前的布什硬度就已接近80HB，时效后可高达100HB，从图4中可以看出，本实施例的铝基复合材料的抗弯强度为220Mpa，该铝基复合材料可用于制作汽车零部件、航空航天器等。
实施例2
一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，除了硅铝合金中，Si元素的质量百分比含量为25％，SiC颗粒的质量百分比含量为15％，硅酸盐基陶瓷颗粒的质量百分比含量为10％外，其余均与实施例1相同，得到的铝基复合材料具有优异的布什硬度和抗弯强度。
该铝基复合材料采用以下制备方法制备得到：
取符合粒度和成分要求的SiC颗粒，硅酸盐基陶瓷颗粒，硅铝合金粉末。随后通过熔炼铸造方法获得铝基复合材料，即先将坩埚、模具和舀勺等试验用具预热至120～200℃后，在其表面涂上或喷上涂料，随后加热到200～300℃，以烘干排除水分。将电阻炉升温至600℃，用钳子夹取铝硅合金块放入坩埚内，将电阻炉炉温升高到720℃并稳定保温4h，确保铝硅合金完全熔化。铝硅合金完全融化后，在液面均匀撒上精炼剂，凝固成一片之后，用舀勺压入液体底部保持数秒，待其充分反应后，用舀勺搅拌均匀约5分钟后，表面漂浮大量残渣，将残渣扒出，重复以上的精炼多次。依次加入定量的SiC颗粒和硅酸盐基陶瓷颗粒，搅拌均匀后，静置约10分钟，准备进行对熔体的浇铸。用钳子钳出预热完的模具，依次排列在干净的地面上，并用固定钳固定模具，铝液静置完毕后，提出坩埚，放在地面上稍事冷却后，小心倒入模具内；自然冷却成形后，取出，再经600℃固溶30min后进行冰水淬火，冰水的温度为0摄氏度，220℃下人工时效24小时，最终在空气中冷却至室温。
实施例3
一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，除了硅铝合金中，Si元素的质量百分比含量为20％，SiC颗粒的质量百分比含量为15％，硅酸盐基陶瓷颗粒的质量百分比含量为20％外，其余均与实施例1相同，得到的铝基复合材料具有优异的布什硬度和抗弯强度。
实施例4
一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，除了硅酸盐颗粒采用棕榈壳灰即天然硅酸盐颗粒之外，其余均与实施例1相同，得到的铝基复合材料具有优异的布什硬度和抗弯强度。
对比例1
一种硅铝合金(记为AA)，其中，Si元素的质量百分比含量为15％，该材料的XRD图具体如图1所示，对制得的铝基复合材料的力学性能进行检测，具体如图3、4所示。从图3中可以看出，本实施例的硅铝合金在时效前的布什硬度为50HB，时效后略微下降，从图4中可以看出，本实施例的硅铝合金的抗弯强度为140Mpa。
对比例2
一种单一SiC颗粒增强的铝基复合材料(记为AS)，包括作为基体的铝基体以及作为增强体的SiC颗粒，SiC颗粒的质量百分比含量为20％，其中，铝基体为硅铝合金，硅铝合金中，Si元素的质量含量为15％，该材料的XRD图具体如图1所示，对制得的铝基复合材料的力学性能进行检测，具体如图3、4所示。从图3中可以看出，本实施例的铝基复合材料在时效前的布什硬度为60HB，时效后为70HB左右，从图4中可以看出，本实施例的铝基复合材料的抗弯强度为195Mpa。
比较实施例1、对比例1和对比例2，可看到，本发明的铝基复合材料的力学性能有明显提升，即硅酸盐基颗粒改善了SiC/Al的结合界面，进而改善了材料性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料包括作为基体的铝基体以及作为增强体的硅酸盐颗粒和SiC颗粒，所述硅酸盐颗粒位于铝基体和SiC颗粒之间，所述硅酸盐颗粒呈非晶相，所述硅酸盐颗粒在550-650℃下，通过水冷淬火呈非晶相，所述硅酸盐颗粒为硅酸盐基陶瓷颗粒，所述硅酸盐基陶瓷颗粒中，SiO2、CaSO4、H3BO3、Na2O和MgO的质量比为(55-70) : (10-15) : (5-10) : 5 : 5。
2.根据权利要求1所述的一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝基体为硅铝合金，所述硅铝合金中，Si元素的质量百分比含量为15-25%。
3.根据权利要求1所述的一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料中，SiC颗粒的质量百分比含量为15-20%。
4.根据权利要求1所述的一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，硅酸盐颗粒的质量百分比含量为10-20%。
5.根据权利要求1所述的一种非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述硅酸盐颗粒的玻璃相转变温度为100-200℃。
6.一种用于如权利要求1-5任一项所述的非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料采用粉末冶金方法或熔炼铸造方法制备得到，所述硅酸盐颗粒在550-650℃下，通过水冷淬火呈非晶相。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的非晶相硅酸盐颗粒和SiC颗粒增强铝基复合材料在汽车零部件或航空航天器中的应用。
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