一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术提供一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的配方及制备方法，复合材料的原料配方组成为基体Al‑Si合金粉末、原位反应剂纳米CuO粉末、微米SiC颗粒；复合材料的基体为Al‑Si合金，增强相为混杂颗粒，包括微米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒，其中微米SiC颗粒为外加，纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒由原位反应制得；复合强化法包括外加SiC颗粒强化、原位合成Al2O3、AlCu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等方法；复合材料的制备工艺流程包括SiC颗粒预处理、原料配比与混制、装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理；本发明专利技术制备的混杂颗粒增强铝基复合材料具有较高的硬度及耐磨性，可用于活塞、缸套、刹车盘等轻质耐磨件。

A Method of Preparing Hybrid Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites by Composite Strengthening

The invention provides a formula and a preparation method for preparing hybrid particle reinforced aluminium matrix composite by composite strengthening method. The raw material composition of the composite material is matrix Al_Si alloy powder, in-situ reactant nano-CuO powder and micron SiC particle; the matrix of the composite material is Al_Si alloy, and the reinforcing phase is hybrid particle, including micron SiC particle, nano-Al2O3 particle and micron AlCu3 particle. Among them, micron SiC particles are added, nano-Al2O3 particles and micron AlCu3 particles are prepared by in-situ reaction; composite strengthening methods include adding SiC particles, in-situ synthesis of Al2O3, strengthening of AlCu3 particles, hot forging strengthening, heat treatment strengthening and other methods; the preparation process of composite materials includes SiC particle pretreatment, raw material ratio and mixing, loading, heating in-situ reaction, heat treatment, etc. Die forging, solid solution and aging heat treatment; the hybrid particle reinforced aluminum matrix composite prepared by the invention has high hardness and wear resistance, and can be used for piston, cylinder liner, brake disc and other light wear-resistant parts.

【技术实现步骤摘要】
一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法
本专利技术属于铝基复合材料制备领域，具体涉及一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
随着金属基复合材料的快速发展，颗粒增强铝基复合材料作为一种具有潜在应用前景的材料，因其比刚度高、比强度高、热膨胀系数小、耐磨、耐热性能好及优良的尺寸稳定性等优异特点，可取代钢铁材料、铝合金及钛合金，制造出高性能轻量化零件，因而被广泛应用于航空航天结构件、先进武器、汽车零部件、轨道交通以及运动器材等。目前，颗粒增强铝基复合材料的增强相大多数选用单一粒度尺度的增强相，对单一纳米尺度颗粒增强或单一微米尺度颗粒增强铝基复合材料的制备已进行了大量研究。随着对铝基复合材料的深入研究，人们开始关注用多种粒度尺度的颗粒增强的铝基复合材料，一般不同粒度尺度的增强颗粒在基体中所起到的作用不同，纳米粒度尺度增强颗粒在基体中的弥散强化作用较好，可有效提高铝基复合材料的强度；微米粒度尺度增强颗粒在基体中起到骨架支撑作用，可大幅度提高复合材料的整体硬度和耐磨性。与单一增强相比，通过多种尺度增强颗粒及多种类增强颗粒之间的相互作用以及混杂效应，可以保持各增强相的优势，可以得到高硬度高耐磨性的混杂颗粒增强铝基复合材料，用于发动机活塞、缸套、刹车盘等轻质耐磨件，而且可降低材料的成本。申请号为201711096425.7的中国专利技术专利申请公开了一种双尺度SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，首先将微米级和纳米级SiC粉末预热，其次将纳米级SiC粉末与基体粉末混料真空球磨，然后向磨后的粉末中加入微米级SiC颗粒混料进行二次真空球磨，最后将上述混合颗粒装入石墨模具中，在真空烧结压机上进行真空热压获得双尺度SiC颗粒增强铝基复合材料。申请号为201710636951.1的中国专利申请介绍了一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法，材料的基体为铝或铝合金，增强相为纳米级SiC颗粒与其他纳米颗粒，首先在真空或氩气保护下，纳米SiC粉末、其他一种或多种纳米颗粒、微米级铝或铝合金粉混合制备毫米级复合材料；然后，将毫米级复合颗粒压成预制中间合金块，再添加到铝或铝合金熔体中，经过精炼、除气处理，扒去浮渣及氧化物夹杂，并施加机械搅拌和超声振动，促进纳米陶瓷颗粒在金属熔体中均匀分散，获得纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合材料。混杂颗粒增强铝基复合材料研究正处于新兴阶段，相关研究较少，目前混杂颗粒增强铝基复合材料的增强相多数采用单一微米或单一纳米尺度的SiC、Al2O3增强颗粒，基体多选择高强度的铝合金。采用混杂颗粒增强制备高硬度高耐磨性的铝基复合材料的研究基本处于空白，对混杂颗粒增强相的粒度大小及种类、铝合金基体性能以及增强相颗粒与基体的结合界面亟待深入研究，而这些问题对复合材料的制备方法密切相关，目前制备颗粒增强铝基复合材料最常用的方法有粉末冶金法、原位合成法、搅拌铸造法、挤压铸造法，采用单一的制备方法存在这样那样的问题，如粉末冶金方法制备的复合材料具有一定的孔隙度、原位合成法的合成反应及生成的增强相的控制比较困难、搅拌铸造法的增强相不易均匀分布、挤压铸渗法效率较低等问题，因此对混杂颗粒增强铝基复合材料制备工艺的研究也尤为主要。本专利技术结合粉末冶金、原位反应、液态铸造、热压模锻等工艺特点，采用外加微米SiC颗粒强化、原位生成纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等多种强化方法相结合制备微米SiC+纳米Al2O3+微米AlCu3混杂颗粒增强铝基复合材料，综合利用多种制备方法的优势，改善各种方法的缺点以制备高性能复合材料；采用纳米及微米双尺度的不同种类的增强颗粒，改善单一尺度增强颗粒的不足，以使不同性质的增强相的优势互补，产生混杂效应，进一步提高铝基复合材料的硬度和耐磨性等综合性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高铝基复合材料的硬度及耐磨性，提供一种混杂颗粒增强铝基复合材料的配方，并提供一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，用于轻型耐磨零件的制造。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，所述复合材料的原料配方组成为：基体Al-Si合金粉末、原位反应剂纳米CuO粉末、微米SiC颗粒；所述复合材料内部组成为Al-Si合金基体上均匀分布微米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和微米AlCu3颗粒三种混杂颗粒；所述复合材料的制备工艺采用复合强化法，包括外加微米SiC颗粒强化、原位合成纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒强化、热压模锻强化和热处理强化；所述复合材料的制备工艺流程包括：SiC颗粒预处理、原料配粉及混制、原料装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理。所述复合材料原料配方中基体Al-Si合金粉末的成份为含Si量13-17%。所述复合材料原料配方中各组分的体积分数分别为：基体Al-Si合金粉末76.5-87.5%、原位反应剂纳米CuO粉末2.5-3.5%、微米SiC颗粒10-20%。所述原料配方中各组分的粒度分别为：基体Al-Si合金粉末40～100µm、原位反应剂纳米CuO粉末30～80nm、微米SiC颗粒40～100µm。所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法包括以下步骤：（1）微米SiC颗粒预处理：将微米SiC颗粒放入丙酮和异丙醇混合溶液中，超声处理30-50min，在90-120℃下烘干20-50min，放入管式真空炉中在680-720℃下保温1h；（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工艺进行混制，第一次真空球磨：将原位反应剂纳米CuO粉末与基体Al-Si合金粉末在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速250-350r/min、时间3-5h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米SiC颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速200-240r/min、时间0.5-1.5h；（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工艺制备出的混合料装入石墨模具；（4）加热原位反应：将装好混合料的模具放入真空热压烧结机中，加热到600-620℃，保温5min，发生如下原位反应：2Al+3CuO→Al2O3+3Cu，Al+3Cu→AlCu3，生成的增强颗粒为纳米尺寸的Al2O3颗粒和微米尺寸的AlCu3颗粒；（5）热压模锻：将混合料在模具中加热原位反应后，冷却到500-520℃，在3MPa压力下保持3min，然后冷却至室温，得到铝基复合材料；（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为500-520℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为190-210℃，时间为6h，空冷。步骤（1）中丙酮体积浓度为10-30%，异丙酮体积浓度为10-30%。本专利技术的特点及有益效果在于：（1）采用本专利技术制备的混杂颗粒增强铝基复合材料的内部组成为微米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒、微米AlCu3颗粒均匀分布于Al-Si合金基体上，具有不同粒度尺度、不同种类的高硬度增强颗粒，颗粒粒径不同对基体的增强作用不同，各种颗粒协同增强；微米SiC颗粒、微米AlCu3颗粒为较大硬质点作为骨架承担磨损的载荷、可以提高复合材料的整体硬度，从而提高复合材料的耐磨性；纳米A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述复合材料的原料配方组成为：基体Al‑Si合金粉末、原位反应剂纳米CuO粉末、微米SiC颗粒；所述复合材料内部组成为Al‑Si合金基体上均匀分布微米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和微米AlCu3颗粒三种混杂颗粒；所述复合材料的制备工艺采用复合强化法，包括外加微米SiC颗粒强化、原位合成纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒强化、热压模锻强化、和热处理强化；所述复合材料的制备工艺流程包括：SiC颗粒预处理、原料配粉及混制、原料装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理。

【技术特征摘要】
1.一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述复合材料的原料配方组成为：基体Al-Si合金粉末、原位反应剂纳米CuO粉末、微米SiC颗粒；所述复合材料内部组成为Al-Si合金基体上均匀分布微米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和微米AlCu3颗粒三种混杂颗粒；所述复合材料的制备工艺采用复合强化法，包括外加微米SiC颗粒强化、原位合成纳米Al2O3颗粒及微米AlCu3颗粒强化、热压模锻强化、和热处理强化；所述复合材料的制备工艺流程包括：SiC颗粒预处理、原料配粉及混制、原料装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理。2.如权利要求1所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述复合材料原料配方中基体Al-Si合金粉末的成份为含Si量13-17%。3.如权利要求1所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述复合材料原料配方中各组分的体积分数分别为：基体Al-Si合金粉末76.5-87.5%、原位反应剂纳米CuO粉末2.5-3.5%、微米SiC颗粒10-20%。4.如权利要求1所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述原料配方中各组分的粒度分别为：基体Al-Si合金粉末40～100µm、原位反应剂纳米CuO粉末30～80nm、微米SiC颗粒40～100µm。5.如权利要求1所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于：复合材料的制备工艺过程包括以下步骤：（1）微米SiC颗粒预处理：将微...

【专利技术属性】
技术研发人员：高红霞，李莹，王艳，陈宝龙，王蒙，樊江磊，周向葵，吴深，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41