一种铝基复材及其制备方法技术

本申请涉及金属材料技术领域，具体涉及一种强界面结合且耐高温耐磨的铝基复材及其制备方法。以铝基复材的总质量为基准，其包括10~30%质量分数的增强体以及余量的铝合金；增强体包括陶瓷颗粒和Al2O3纤维。该铝基复材中的增强体

【技术实现步骤摘要】
一种铝基复材及其制备方法


[0001]本申请涉及金属材料
，特别是涉及一种具有强界面结合、且耐高温耐磨的铝基复材及其制备方法。

技术介绍

[0002]铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由铝基体和增强体通过各种工艺手段复合而成。与单纯的铝合金相比，铝基复合材料具有更高的比强度和耐磨性能，同时具有热膨胀系数小，尺寸稳定等优点，还可通过控制合金基体和增强体的数量和种类，来设计所需要的性能，近年来在汽车、航空航天、军工和电子封装等领域的使用量越来越大。
[0003]在铝基复合材料中，铝合金作为基体材料，其性能的高低直接影响着复合材料的整体性能水平，因此选择性能优异的铝合金基体至关重要。在铝合金基体中，添加高硬度、高强度和低密度的增强体，例如SiC（碳化硅）、B4C（碳化硼）、Al2O3（氧化铝）等，可以大幅度提高复合材料的耐磨性能。但是铝基复合材料普遍存在增强体与铝合金基体界面结合不够紧密，以及分散性差、易团聚等问题。这些问题极大的破坏了铝基复合材料的性能，限制了铝基复合材料的应用。

技术实现思路

[0004]本申请所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种增强体与铝合金基体结合紧密、且兼具良好的耐高温和耐磨性能的铝基复材。
[0005]本申请所要解决的第二个技术问题是提供一种上述铝基复材的制备方法，实现了铸造方法加入增强纤维，简化了铝基复材的制备工艺，节约了能耗，降低了生产成本，利于某些特殊用途铝基复材的大规模制备和应用。
[0006]本申请解决上述技术问题所采用的技术方案为：第一方面，本申请提供一种铝基复材，以铝基复材的总质量为基准，包括10%～30%质量分数的增强体，余量为铝合金；其中，所述铝合金包括按质量百分比计的以下组分：Si：7~13%，Cu：1~6%，Ni：1~4%，Mg：0.5~1.5%，Fe：0.3~1.5%，Mn：0.3~1.5%，Zr：0.1~0.5%，Ti：0.02~0.3%，Sr：0.005~0.02%，B：0.005~0.1%，余量为Al及不可避免的杂质，其中Fe/Mn≤2；所述增强体包括陶瓷颗粒和Al2O3纤维，所述陶瓷颗粒为微米级的SiC、B4C、Al2O3颗粒中的至少一种，选用成本较低的微米级颗粒和Al2O3纤维，在不使用昂贵增强体的同时，能够保证铝基复材具有优异的高温性能和抗摩擦磨损性能。
[0007]本申请的铝合金基体中，Cu、Mg和Si可生成Q相（Al5Cu2Mg8Si6），可提高材料的强度和硬度；Ni元素的加入可与Cu元素生成δ相（Al3CuNi），Ni元素足够多时还可生成ε相（Al3Ni），上述两种富镍相是高温增强相，与加入的增强体在高温下稳定，提高材料的高温性能和摩擦性能；Zr的加入可以形成Al3Zr相，显著细化晶粒，提高强度；Sr的加入可以有效
变质共晶硅，提高材料的强度和塑性；Ti和B的加入对Al
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Si合金的晶粒细化有显著的作用；生成相中，ε相（Al3Ni）和α
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Fe相（Al
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(Mn, Fe)3Si2）是硬质相，在摩擦过程中作为硬质支撑点不易磨损，保护Al基体，提高材料的摩擦性能。另外，铝合金基体中，Fe并不是杂质元素，通过Mn的加入且控制Fe/Mn＜2，可以确保生成的Fe相为α
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Fe相，α
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Fe相呈星状或多边形形状而不是β
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Fe相的长条状，减轻了铁相的危害。因此，本申请中的α
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Fe相是一种有益相，因为富铁相在450℃以上有很好的高温稳定性，是耐热铝合金优异高温性能的重要保证。
[0008]本申请的铝基复材，生成的Q相（Al5Cu2Mg8Si6）、δ相（Al3CuNi）、ε相（Al3Ni）、α
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Fe相（Al
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(Mn, Fe)3Si2）和硅组成三维网状结构，而作为增强体的陶瓷颗粒和Al2O3纤维进一步加固了该网状结构，从而充分发挥混杂增强复合材料的优势，这种网状结构分割并包裹Al基体，阻碍Al基体和位错的运动，从而提高了材料的强度和硬度，同样也改善了材料的高温性能和摩擦性能。
[0009]另外，本申请的铝基复材中，增强体可以作为其他生成相的形核质点。多种生成相在增强体的表面形核长大。以颗粒增强体SiC为例，生成相可作为SiC
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Al之间的过渡介质，形成SiC
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生成相
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Al过渡结构，这种结构会显著增强SiC
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Al之间的结合力，强度明显高于常规方案中SiC
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Al的直接结合。对于Al2O3纤维同样适用，构成了Al2O3‑
生成相
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Al过渡结构。上述结合方式强度高于传统的增强体
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Al的直接结合。重要的是，可以省略现有技术中常规的增强体预处理步骤，比如高温预氧化或金属镀层，简化生产工艺，降低生产成本，利于铝基复合材料大规模生产与应用。
[0010]进一步的，为了更优地实现上述技术效果，以铝基复材的总质量为基准，所述陶瓷颗粒的占比为15%～25%，所述Al2O3纤维的占比为1%～5%。
[0011]进一步的，所述陶瓷颗粒的粒径为5～60μm，进一步优选为8~20um；所述Al2O3纤维为95%Al2O3，直径为5~10um，长度≤200um，进一步优选为长度≤50um；使用该质量分数和尺寸的增强体制备的铝基复合材料综合性能最优。
[0012]第二方面，本申请提供一种上述铝基复材的制备方法，包括以下步骤：采用搅拌铸造法将所述陶瓷颗粒和所述Al2O3纤维加入所述铝合金的液相中，然后通过真空铸造制成所述铝基复材的铸锭或零件。
[0013]现有技术中，铝基复材的制备方法主要有铸造、粉末冶金、铝液浸渗三种方法。相比于粉末冶金和浸渗，铸造法具有设备简单、生产成本低、利于工业化生产等优点，采用铸造法制备的铝基复材占据铝基复合材料总量的40%以上。对于汽车零部件，铸造法制备铝基复合材料更有利于其控制成本和批量化生产。
[0014]本申请的制备方法中，通过搅拌铸造法将增强体（陶瓷颗粒以及Al2O3纤维）加入到液相的铝合金基体中，搅拌铸造法又称搅拌复合工艺，是通过机械搅拌装置使增强体与液态的铝合金基体混合，然后通过常压铸造或真空压铸造或压力铸造制成铝基复材的铸锭或零件，其优点在于采用常规的熔炼设备，成本低廉，可以制备精密复杂的零件结构，但仍存在一些问题待解决，如：铸造缺陷（气体、夹杂物的混入），颗粒分布不均匀，另外，需要较长的时间和较高的温度，基体金属与颗粒之间容易发生界面反应，颗粒的增加会使金属熔体的粘度增大，成型效果差等。现有技术中，大多使用搅拌铸造法在金属熔体中引入颗粒的增强体，通过机械搅拌在金属熔体中产生涡流来引入颗粒，但未有使用上述方法来引入纤维增强体的记载，常规方案中通常使用粉末冶金或浸渗方法在金属基体中引入纤维增强体，
工序复杂，制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝基复材，其特征在于，以铝基复材的总质量为基准，包括10%～30%质量分数的增强体，余量为铝合金；其中，所述铝合金包括按质量百分比计的以下组分：Si：7~13%，Cu：1~6%，Ni：1~4%，Mg：0.5~1.5%，Fe：0.3~1.5%，Mn：0.3~1.5%，Zr：0.1~0.5%，Ti：0.02~0.3%，Sr：0.005~0.02%，B：0.005~0.1%，余量为Al及不可避免的杂质，其中Fe/Mn≤2；所述增强体包括陶瓷颗粒和Al2O3纤维，所述陶瓷颗粒为SiC、B4C、Al2O3颗粒中的至少一种，且所述陶瓷颗粒的粒径为5～60μm；所述Al2O3纤维的直径为5～10μm，长度≤200μm；所述铝基复材的主要生成相包括Q相（Al5Cu2Mg8Si6）、δ相（Al3CuNi）、ε相（Al3Ni）、α
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Fe相（Al
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(Mn, Fe)3Si2），上述四种生成相和硅组成三维网状结构。2.根据权利要求1所述的铝基复材，其特征在于，以铝基复材的总质量为基准，所述陶瓷颗粒的占比为15%～25%，所述Al2O3纤维的占比为1%～5%。3.根据权利要求1所述的铝基复材，其特征在于，所以陶瓷颗粒的粒径为8～20μm。4.根据权利要求1所述的铝基复材，其特征在于，所述Al2O3纤维为72%或95%Al2O3，长度≤50μm。5.根据权利要求1所述的铝基复材，其特征在于，所述的铝基复合材料铸态300℃抗拉强度≥150MPa，3...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾丽娜，张虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：