一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，属于金属铸造成形领域，将纳米陶瓷粉与微米级铝粉或铝合金粉配制成纳米陶瓷颗粒含量为3％～10％的混合粉料，将混合粉料在密封罐内的氩气保护下机械混合制成复合粉料，将复合粉末热压成质量约150g～200g的预制块。将预制块在达到750℃左右熔化后，机械搅拌，然后进行高能超声振动。利用超低速层流压铸将复合材料熔体压射入模具型腔，开模取件，获得质量分数为3％～10％的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料零部件。本发明专利技术成形工艺简单易行、效果好，解决了浇铸高质量分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料粘度大、流动性差、陶瓷颗粒易团聚等的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法
本专利技术属于金属铸造成形领域，更具体地，涉及一种制备高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的层流压铸工艺及成形方法。
技术介绍
纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料比传统铝合金材料具有更多优异性能，在航空航天、汽车等许多领域具有广阔的应用前景，是目前关注与研究的热点。目前，通常制备的纳米颗粒增强铝基复合材料的纳米颗粒含量在0％～3％之间，并且制备过程中容易发生团聚，氧化夹渣，粘度大不易充型等问题。为了克服以上问题，常常采用压铸方法。高压和高速是压铸方法中金属液充型过程的两大特点,也是压铸与其他铸造方法最根本的区别。压铸过程的内浇口充型速度一般为20m/s～70m/s,充填时间只有0.1s～0.2s,金属液充型速度极快,一般型腔中气体很难完全排除,常以气孔形式存留在铸件中,不仅使铸件力学性能下降,不宜进行热处理,而且降低了压铸件的耐压性和气密性,限制了压铸件的使用。含有陶瓷颗粒的复合材料浆料的粘度大，高速充型时更容易卷气和形成气孔。对于普通铝合金材料的低速压铸已有一些研究，例如纪莲清等人(纪莲清，熊守美，村上正幸，等.铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响[J].铸造,2007,56(10):1057-1061.)的研究不同的超低速压铸参数指出：压铸时理想流态应是慢压射时冲头慢速前进，排出压室中的气体，直至合金液充满压室，再选择合适的快压射速度，在合金液不凝固的情况下充满型腔，然后压射冲头以高压施加于合金液上，使压铸件在静压力作用下凝固，以获得表面光洁、轮廓清晰、内部组织致密的压铸件。该研究表明最佳浇道速度要求小于0.6米/秒。但是不同的复合材料熔体的粘度不同，流动状态也不同，不具有参考性。傅蔡安等人的中国专利申请“铝碳化硅精密压铸成型工艺”(公开号为CN102154573A)中将粒度为1000目～2500目的SiC粉末直接加入熔融铝液中在进行搅拌，制浆后直接在普通压铸机上进行传统的压铸成形。SiC粉末为5～10微米级，直接外加过程中容易团聚和上浮，而且粉末很难达到均匀分布。杨杰等人的中国专利申请“一种半固态压铸铝合金材料及使用该材料压铸成型的方法”(公开号为CN105525158A)中将熔融720℃的铝液通氮气搅拌，结束后捞杂质并降至640℃保温，再制成半固态浆料。这样的浆料不是复合材料浆料，而是合金温度低时结晶生成的金属固相，因温度低、固相体积分数大时，不易流动。随后采取的传统压铸，冲头压射速度快，浆料经过内浇口形成高速流动，容易飞溅回流，气体无法及时排出造成裹气、夹渣等缺陷，致使铸件机械性能受到影响，无法达到理想目标。含有陶瓷颗粒、特别是纳米颗粒的半固态浆料粘度大不易流动，陶瓷固相颗粒体积分数高时结晶潜热低，传统压铸工艺很难获得良好铸件。因此，需要开发一种新型的纳米颗粒增强复合材料浆料的压铸成形方法，克服现有技术的以上缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种含有纳米陶瓷颗粒的复合材料浆料的压铸成形方法，其目的在于，提供一种新型的纳米颗粒增强铝基复合材料的层流压铸成形方法，解决制备高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料时充型困难、纳米陶瓷颗粒分散不均、易团聚的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，其用于制备纳米陶瓷粉末占原料总质量3％～10％的纳米颗粒增强铝基复合材料，其包括如下步骤：S1：称取纳米陶瓷颗粒和微米铝基粉末，铝基粉末为铝合金粉或者铝粉，S2：将微米铝基粉末和纳米陶瓷颗粒放入有混料陶瓷球的封闭罐体中，罐体中充入氩气保护，将罐体放到滚动混料机进行混料，滚动混料时间为10小时～20小时，混合制备出纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末，S3：将复合粉末放入热压烧结炉中热压成预制块，热压压力10MPa～30MPa，压制温度400℃～500℃，预制块块体重量为150g～200g，S4：将装有预制块的容器置于在740℃～760℃的高温下熔化，保温20分钟～40分钟，获得熔体，S5：对熔体先执行机械搅拌，再执行超声振动，获得分散均匀的复合材料浆料，S6：预热压铸模具，S7：将复合材料浆料浇入压射室，然后利用压铸机冲头将浆料推射进入已预热的压铸模具型腔中，高速压射充型时使复合材料浆料在内浇口的流动速度控制在0.6m/s～1.2m/s的超低速度，且浆料在型腔内以层流流动，所述层流流动是指控制复合材料浆料在型腔流动时的雷诺数小于2300，S8：待复合材料浆料充满型腔后，进行增压及保压，保压时间8s～10s，后开模、取件，制备获得高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其中，步骤S6与其前述步骤可以同步进行。进一步的，步骤S1中，所选纳米陶瓷粉粒径为10nm～100nm，纳米陶瓷颗粒选自SiC、Al2O3和TiC，纳米陶瓷粉进行烘干处理，烘干温度在110℃～150℃，当纳米陶瓷颗粒为纳米SiC颗粒，进行预氧化处理。进一步的，铝基粉末为微米级，其粒径为20μm～200μm。进一步的，步骤S5中，在700℃～750℃左右利用机械搅拌机的螺旋头深入熔体中机械搅拌10～15分钟左右，转速150～250转/分钟，液面采用覆盖剂和全程氩气保护，结束后扒除表面杂质，随后，将复合材料浆料进行高能超声振动，获得完全分散的纳米陶瓷颗粒复合材料半固态浆料。进一步的，超声振动时，超声振动头伸入液面以下10mm左右，超声功率在1kW～3kW，时间为2分钟～10分钟。进一步的，步骤S6中，压铸模具的内浇口横截面积的数值等于0.18～0.25倍铸件重量的数值，其中，内浇口横截面积的数值是以平方毫米为单位，铸件重量的数值是以克为单位。或者是描述为，压铸模具的内浇口横截面积的平方毫米数等于0.18～0.25倍铸件重量的克数，以控制复合材料浆料进入型腔的速度。进一步的，压铸前，压铸模具预热到250℃～350℃，并在模具内表面喷涂脱模剂。本专利技术提供了制备高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的一条简易高效率的压铸工艺，其制备3％～10％高质量分数的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料时，通过熔铸法及超声振动制浆工艺获得陶瓷颗粒分散均匀的半固态浆料，将浆料进行层流压铸获得所需复合材料，解决了粘度大不易浇铸的弊端，为制备高质量分数的纳米颗粒增强铝基复合材料提供了一条高效简易的工艺与成形方法。通过使合金液低速层流流动充型，不仅有充足时间容易排除气体，而且合金液也不会因剧烈流动导致飞溅回流、裹气、夹渣等问题，大大提高了铸件的力学性能。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：由纳米陶瓷混合合金粉的复合材料粉末，用石墨模具热压成预制块，相比纳米颗粒从液面搅拌加入合金熔体，陶瓷颗粒宏观上分布更加均匀，减少氧化杂质。采用先压制成预制块，再熔化预制块的方式掺杂陶瓷粉末，可使复合粉末原料中纳米陶瓷粉末含量高、分布均匀，并且其工艺简单、效率高。将预制块在坩埚中重熔并采用机械搅拌法制备复合材料半固态浆料，随后进行超声振动，获得了纳米陶瓷颗粒分散均匀的复合材料浆料，保证了最终产品的性能。本专利技术考虑高质量分数纳米SiC增强铝基复合材料半固态浆料粘度大、不易充型的问题，采用超低速层流压铸，并设计截面积大的内浇口(传统压铸工艺中内浇口面积(mm2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，其特征在于，其用于制备纳米陶瓷粉末占原料总质量3％～10％的纳米颗粒增强铝基复合材料，其包括如下步骤：S1：称取纳米陶瓷颗粒和微米铝基粉末，铝基粉末为铝合金粉或者铝粉，S2：将微米铝基粉末和纳米陶瓷颗粒放入有混料陶瓷球的封闭罐体中，罐体中充入氩气保护，将罐体放到滚动混料机进行混料，滚动混料时间为10小时～20小时，混合制备出纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末，S3：将复合粉末放入热压烧结炉中热压成预制块，热压压力10MPa～30MPa，压制温度400℃～500℃，预制块块体重量为150g～200g，S4：将装有预制块的容器置于在740℃～760℃的高温下熔化，保温20分钟～40分钟，获得熔体，S5：对熔体先执行机械搅拌，再执行超声振动，获得分散均匀的复合材料浆料，S6：预热压铸模具，S7：将复合材料浆料浇入压射室，然后利用压铸机冲头将浆料推射进入已预热的压铸模具型腔中，高速压射充型时使复合材料浆料在内浇口的流动速度控制在0.6m/s～1.2m/s的超低速度，且浆料在型腔内以层流流动，所述层流流动是指控制复合材料浆料在型腔流动时的雷诺数小于2300，S8：待复合材料浆料充满型腔后，进行增压及保压，保压时间8s～10s，后开模、取件，制备获得高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其中，步骤S6与其前述步骤可以同步进行。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，其特征在于，其用于制备纳米陶瓷粉末占原料总质量3％～10％的纳米颗粒增强铝基复合材料，其包括如下步骤：S1：称取纳米陶瓷颗粒和微米铝基粉末，铝基粉末为铝合金粉或者铝粉，S2：将微米铝基粉末和纳米陶瓷颗粒放入有混料陶瓷球的封闭罐体中，罐体中充入氩气保护，将罐体放到滚动混料机进行混料，滚动混料时间为10小时～20小时，混合制备出纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末，S3：将复合粉末放入热压烧结炉中热压成预制块，热压压力10MPa～30MPa，压制温度400℃～500℃，预制块块体重量为150g～200g，S4：将装有预制块的容器置于在740℃～760℃的高温下熔化，保温20分钟～40分钟，获得熔体，S5：对熔体先执行机械搅拌，再执行超声振动，获得分散均匀的复合材料浆料，S6：预热压铸模具，S7：将复合材料浆料浇入压射室，然后利用压铸机冲头将浆料推射进入已预热的压铸模具型腔中，高速压射充型时使复合材料浆料在内浇口的流动速度控制在0.6m/s～1.2m/s的超低速度，且浆料在型腔内以层流流动，所述层流流动是指控制复合材料浆料在型腔流动时的雷诺数小于2300，S8：待复合材料浆料充满型腔后，进行增压及保压，保压时间8s～10s，后开模、取件，制备获得高质量分数纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其中，步骤S6与其前述步骤可以同步进行。2.如权利要求1所述的一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴树森，鲁康，吕书林，袁渡，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42