一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法，属于颗粒增强金属基复合材料领域。该复合材料由碳化硅、硅和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，铝铜合金：25～40wt.％；碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜合金基体形成三维空间网状结构。采用粉末冶金法制备。本发明专利技术所得的铝基复合材料组织均匀、完全致密，具有轻质、低膨胀、高模量、高强度、耐空间辐照环境、易加工等综合性能，适合空间环境使用，可用作航空航天领域相关零部件材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料及其制备方法，该以碳化硅和硅颗粒为增强相、铝铜合金为基体的复合材料具有轻质、低膨胀、高模量、高强度的特点，尤其适合空间环境使用，属于颗粒增强金属基复合材料领域。
技术介绍
随着宇航技术的不断发展，航空航天领域复杂的服役环境对材料的密度、热膨胀系数、模量、强度等综合性能提出了越来越苛刻的要求。近年来，金属基复合材料以其低膨胀、高导热、高模量、一定的强度等综合性能，在航空、航天、电子、能源、交通等领域有着较为良好的应用前景，欧美一些国家研制的部分种类的碳化硅增强铝基复合材料、碳纤维增强铝基复合材料等金属基复合材料已经实现工程化应用，满足了航空航天技术应用需求，同时取得了显著的经济效益。金属基复合材料常见的增强相有碳化硅颗粒、硅颗粒、二氧化硅颗粒、金刚石颗粒、氮化铝颗粒、三氧化二铝颗粒、碳化硼颗粒、碳纤维等，基体有铁、铝、铜、镁、钛及其合金等。具有高强度、低膨胀系数、高模量性能的增强相，可热处理强化的铝、镁等轻质合金基体已成为金属基复合材料设计及研发趋势，航空航天用复合材料中，以高硬度、高模量的碳化硅作为增强相、低密度的铝合金作为基体的铝基复合材料，技术已经较为成熟。如英国AMC公司制备的25vol.％SiC/2124Al复合材料弹性模量为115GPa，抗拉强度为690MPa，热膨胀系数为15.5×10-6/K。但是，当碳化硅体分在25％以上时，后续机械加工较为困难。北京有色金属研究总院研制的50vol.％Si/Al-Cu复合材料弹性模量为112GPa，弯曲强度为548.3MPa，热膨胀系数为12.7×10-6/K，具有良好的综合性能。同时，硅密度2.33g/cm3，碳化硅密度3.2g/cm3，硅密度比碳化硅密度低27.2％。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种轻质、低膨胀、高模量、高强度、耐空间环境的铝基复合材料及其制备方法。碳化硅具有高模量(455GPa)、高硬度(2800Kg/mm2)、低热膨胀系数(4×10-6/K)，其本征特性使得其作为复合材料的颗粒增强相，对于降低复合材料的热膨胀系数、提高复合材料的模量及强度有较为显著的作用。由单一体积分数的碳化硅制备的复合材料，有优异的热膨胀系数、强度、模量等综合性能。硅具有高模量(130～190GPa)、中等硬度(850Kg/mm2)、低热膨胀系数(2.6×10-6/K)，相比碳化硅而言，其硬度降低，材料易于加工。一般而言，热膨胀系数与增强相的体积分数成负相关，而模量与其成正相关。综合考虑弹性模量、热膨胀系数、密度、加工难易程度，采用碳化硅及硅颗粒两种相作为增强相、铝合金为基体制备高体分颗粒增强铝基复合材料，是一种开发轻质、低膨胀、高强度、高模量的材料的新途径。航天环境的粒子及射线辐照环境要求材料在此服役环境下有一定的承受能力，材料的性能在较小的范围内变化，满足服役环境下由该材料制备的元器件及设备的结构及性能的稳定性。碳化硅及硅颗粒在辐照环境下具有较好的稳定性，铝铜合金辐照环境下材料本也可以维持其本征特性，把碳化硅、硅及铝铜合金复合起来，可以耐受空间辐照环境。一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料，采用碳化硅和硅颗粒双相增强铝铜基复合材料，由碳化硅、硅和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，铝铜合金：25～40wt.％；其中，铝铜合金作为基体，碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜合金基体形成三维空间网状结构。所述的铝铜合金采用铸造铝铜合金，其中铜的重量百分比含量为0.5wt.％～6wt.％，优选铜含量为0.5wt.％～4.5wt.％，其余为铝。所述碳化硅和硅颗粒的重量百分比之和为60wt.％～75wt.％。为使得所制备的复合材料易于加工，所添加的碳化硅的含量不高于25％。为使得所制备的复合材料具有低热膨胀系数、高模量特性，碳化硅和硅的总含量不低于60％。为保证铝基复合材料完全致密，铝铜合金雾化粉末的含量不低于25％，在热等静压致密化过程中，铝铜合金雾化粉末形成完整的三维空间网络。本专利技术的复合材料具有轻质、低膨胀、高模量、高强度、耐空间辐照环境等综合性能优势。该复合材料的密度为2.50～2.95g/cm3，碳化硅和硅颗粒双相增强铝铜基复合材料在空间环境下辐照后，弯曲强度降低小于10％，模量基本不变。上述碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料所用制备方法为粉末冶金工艺方法，主要包括以下工序：(1)铝铜合金雾化粉末：铝铜合金按照重量百分比配料，经过铸造后在气雾化设备上制备雾化粉末；(2)粉末混合：碳化硅粉、硅粉和铝铜合金雾化粉末按照重量百分比配料，经过预混合后，放入混料罐中均匀混合制成三种颗粒的混合粉末；(3)冷等静压：将所得混合粉末装包套进行冷等静压，粉末成型；(4)冷等静压坯锭预除气：将冷等静压粉末坯锭进行预除气；(5)热等静压：预除气后的坯锭经过热等静压达到完全致密化；(6)机加工：将热等静压致密化的复合材料坯锭经机加工形成零部件。步骤(1)中，铝铜合金雾化时，加热温度在铝铜合金液相线以上，使得铜在铝中充分溶解；雾化加热温度在580～650℃之间，雾化用气体为高纯氩气。雾化粉末经过筛分后，获得-600目或更细粉末。步骤(2)中，碳化硅粉、硅粉和铝铜合金雾化粉末三种粉末经过预混合后，配以一定重量比例的不锈钢钢球，不锈钢钢球重量约为粉末总重的3倍～10倍，之后放入混料罐中进行机械混合，混合时间为8～45小时，混合后的粉末多次过筛去除钢球。碳化硅粉平均粒度为3.5～9μm，纯度大于等于99.8wt.％；硅粉平均粒度为15～24μm，纯度大于等于99.9wt.％；铝铜合金雾化粉末，采用铸造铝-铜合金(Cu：0.5wt.％～6wt.％)的气雾化粉末，平均粒度为-900目～-600目，纯度大于等于99.8wt.％。硅颗粒与碳化硅颗粒的平均粒度之比优选在2.67～4.28之间，两种颗粒的长径比均小于5。铝铜合金雾化粉末平均粒度与硅颗粒平均粒度相近。本专利技术中硅的含量比碳化硅的含量高，为保证粉末易于混合，碳化硅的平均粒度小于硅颗粒的平均粒度，硅颗粒的平均粒度不大于碳化硅颗粒平均粒度的4.5倍，以便可以填充铝铜粉末与硅颗粒之间的间隙。选择碳化硅颗粒、硅颗粒形貌为多角形、颗粒长径比小于5的颗粒。铝铜雾化颗粒的平均粒度为-600目，雾化粉末的粒度也可小于-600目，雾化粉末经过多次过筛后，选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料，其特征在于：由碳化硅、硅和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，铝铜合金：25～40wt.％；碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜合金基体形成三维空间网状结构。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料，其特征在于：由碳化硅、硅
和铝铜合金组成，重量百分比组成为碳化硅：15～25wt.％，硅：45～50wt.％，铝铜
合金：25～40wt.％；碳化硅及硅颗粒作为增强相均匀分布在铝铜合金基体中，铝铜
合金基体形成三维空间网状结构。
2.如权利要求1所述的碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料，其特征在于：
所述的铝铜合金采用铸造铝铜合金，其中铜的重量百分比含量为0.5wt.％～6wt.％，
其余为铝。
3.如权利要求1或2所述的碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料的制备方法，
包括如下步骤：
(1)铝铜合金按照重量百分比配料，经过铸造后在气雾化设备上制备雾化粉末；
(2)碳化硅粉、硅粉和铝铜合金雾化粉末按照重量百分比配料，经过预混合后，
放入混料罐中均匀混合制成三种颗粒的混合粉末；
(3)将所得混合粉末装包套进行冷等静压，粉末成型；
(4)将冷等静压粉末坯锭进行预除气；
(5)预除气后的坯锭经过热等静压达到完全致密化；
(6)将热等静压致密化的复合材料坯锭经机加工形成零部件。
4.如权利要求3所述的碳化硅和硅颗粒增强的铝铜基复合材料的制备方法，
其特征在于：所述的铝铜合金的雾化温度在580～650℃之间，雾化气体为高纯氩气。
5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝心想，樊建中，马自力，刘彦强，肖雪婷，赵月红，魏少华，左涛，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11