一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法，包括SiC粉体的氧化处理混料、高速压制成型、N2气氛保护烧结和冷却步骤。本发明专利技术通过高速压制技术制备高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的压坯，该过程制备的压坯密度高且密度分布均匀、生产率高、成本低廉，可经济成形大型零件。SiC颗粒增强Al压坯经高速压制技术单次压制后，相对密度为85‑92％，较高的压坯密度有利于降低烧结温度和烧结时间。在N2气氛保护下，压坯加热到铝合金熔点以上进行液相烧结，液相填充碳化硅颗粒之间的空隙和铝合金粉末间的冶金结合同时进行。烧结坯凝固冷却后的得到碳化硅分布均匀、相对密度94‑98％、热导率150‑190W/mK的碳化硅增强铝基复合材料。

A method for the preparation of high volume fraction SiC particles reinforced Al based composites by high speed pressing

The invention discloses a method for preparing high volume fraction SiC particle reinforced Al based composite materials by high-speed pressing, including SiC powder oxidation treatment, mixing, high-speed pressing molding, N2 atmosphere protection, sintering and cooling steps. The high speed volume pressing technology is used to prepare high volume fraction SiC particles reinforced Al based composites. The process has high density, uniform density distribution, high productivity and low cost, and can be used for forming large parts economically. SiC particle reinforced Al compacts by single pressing high velocity compaction technology, relative density of 85 92%, blank high density to reduce the sintering temperature and time. Under the protection of N2 atmosphere, the billet is heated to the melting point above the aluminum alloy for liquid phase sintering, and the metallurgical bonding between the liquid filled silicon carbide particles and the aluminum alloy powder is carried out at the same time. Sintering solidification cooling the silicon carbide distribution, relative density and thermal conductivity of 94 98% 150 190W/mK SiC reinforced aluminum matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法
本专利技术涉及金属基复合材料材料领域，具体是一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法。
技术介绍
碳化硅颗粒作为增强材料具有高熔点、高热稳定性、低热膨胀系数、成本低廉等优点，其热膨胀系数为4.7×10-6K-1，热导率为80-240W/mK；同时Al作为基体材料，具有高热导率(170-220W/mK、低密度(2.7g/cm2))、价格低廉和易于加工等优点，结合二者的优势制备出的高体积分数SiC增强Al基复合材料具有密度低、高导热、热膨胀系数可控等优异性能，成为今金属基复合材料研究的热点之一，在航空航天、大规模集成电路、军事电子器材有着十分广阔的应用前景。目前，高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的制备方法有粉末冶金法、真空热压烧结法、无压渗透法等。上几种方法中，放电等离子烧结法制备复合材料具有成分比例准确、增强体在A1基中分布均匀、烧结温度低保温时间短等优点，但是该设备主要用于实验室研究，极少用于工业化生产。真空热压法制备复合材料过程中有专门设备提供高压和真空，该设备成本高、生产效率低。无压浸渗制备SiC/Al复合材料过程中，熔渗温度远高于铝基体的熔点，易生成Al4C3，且在渗透的过程中基体和增强体的比例不易控制，在制备预制体的过程中一些闭气孔不能被基体填充。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是：鉴于目前制备高体积分数SiC颗粒增强A1基复合材料所存在的技术缺限和不足，提供一种制备成本相对低廉，工艺流程简化，最终获得低孔隙率、热导率高、高体积分数的SiC增强Al基复合材料的方法，且适宜工业化大规模生产。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)碳化硅粉体表面处理：将碳化硅粉末在去离子水中超声振动30-60分钟，除去碳化硅表面的杂质和油污，然后进行干燥处理，先在150-200℃烘箱中干燥10-12小时，将干燥后的碳化硅放到刚玉坩埚中，再放入高温炉中，在1000-1200℃的温度下保温2-4小时，升温速度2-5℃/min，使其表面形成一层致密的SiO2层，然后随炉冷却。(2)混料：向氧化处理后的碳化硅粉体中加入铝合金粉末，其中碳化硅粉体占混合粉末的体积分数为30-50％，铝合金粉末占混合粉末的体积分数为50-70％，将混合原料置于滚筒式混料机中混12-15小时，转速为180r/min，得到均匀性良好的混合粉末；(3)高速压制成型：采用重力势能作为蓄能方式，将步骤(2)制得的混合粉末高速压制实验机压制生坯，重锤重量的为50-100Kg，将重锤的升至0.2-1.0m的高处，通过调节重锤质量和压制高度改变压制能量，通过重锤的自由落体运动压制混合粉体，得到SiC增强Al基复合材料压坯；(4)N2气氛保护烧结：将SiC增强Al基复合材料压坯放置管式气氛炉中，设置烧结温度为680-720℃，N2气氛下保护烧结，升温速率3-4℃/min，到达预定烧结温度后保温2-3小时，得到SiC增强Al基复合材料预成品；(5)冷却：通过管式气氛炉控制SiC增强Al基复合材料预成品降温冷却至400-450℃，冷却速率2-3℃/min，保温1-3小时，随炉冷却，待其冷却至室温，取出样品，去除附着在样品表面的铝合金和氧化层，得到SiC颗粒增强Al基复合材料成品。上述步骤(1)中，SiC颗粒粒径为5-40um。上述步骤(2)中，所述铝合金粉末为6061铝合金粉末，6061铝合金粉末的粒径为1-20um。上述步骤(3)中，高速压制为一次压制成型，使用硬脂酸锌润滑模具内壁，压坯压制后无分层或缺角，单次压制后，SiC颗粒增强Al压坯相对密度为85-92％。上述步骤(4)中，将压坯放在刚玉烧舟中，其上下表面覆盖2-3mm厚6061铝合金粉。烧结之前，管式气氛炉先通入0.5-1小时的N2以排除残余空气，防止压坯被氧化。上述步骤(5)中，去除样品表面的铝合金和氧化层厚度为2-3mm。本专利技术方法制备的SiC增强Al基复合材料的技术参数为：致密率为94.0％-98.0％，热导率为150-190W/mK。本专利技术方法制备的SiC增强Al基复合材料，可应用于航空航天、大规模集成电路、军事电子器材领域。本专利技术的基本机理为：在高速压制过程中，混合粉末主要以填充和变形方式进行致密化。同时碳化硅在高速碰撞时发生了碎化，填充到颗粒之间的间隙，进一步提高了压坯的致密度，在高速碰撞、摩擦过程中破坏了铝合金粉表面的氧化层，形成冷焊的界面和新鲜的表面，有利于烧结过程中的致密化。因此在压制阶段就可以得到相对密度较高的压坯。在烧结温度为680-720℃，N2气氛保护下，SiC颗粒表面的SiO2氧化层与融熔Al在界面处发生了有利于SiC颗粒增强Al基复合材料界面结合的反应：2Al+SiO2+Mg＝MgAl2O4+Si，从而提高SiC颗粒增强Al基复合材料的力学性能，且反应产物中的Si填充到烧结坯中的间隙，降低其孔隙率，使材料的致密度增加。最终制备出高强度、高致密度、高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料。本专利技术与现有技术相比，具有以下的有益效果：1、采用高速压制的方法压制SiC颗粒增强Al基复合材料，有效的提高了压坯的相对密度。由于压坯的高密度可以缩短烧结时间，所以进一步有利于晶粒度的控制，进而提升制品的性能，并降低了成本。整个高速压制过程可以实现全自动化，极大地提高了生产效率。2、制备工艺简单，在所制备的SiC颗粒增强Al基复合材料中SiC颗粒的相对密度高、增强体在A1基中分布均匀、体积分数较大、烧结温度低、制作成本低廉。3、最终制备出致密率为致密率为94.0％-98.0％，热导率为150-190W/mK、体积分数为50％的SiC颗粒增强Al基复合材料。目前，国内外大量的研究基本集中无压渗透法制备中高体积分数的SiC增强Al基复合材料的研究开发上，制备出的材料性能优良，可以满足先进电子构件的轻量化、高功率密度、高可靠性和长寿命设计要求，但是设备成本高、工艺复杂限制了高体积分数的SiC增强Al基复合材料的应用。采用粉末冶金法(高速压制+无压烧结)可低成本高效率制备高体积分数SiC增强Al基复合材料，性能可以满足设计要求。使高体积分数SiC增强Al基复合材料在航空航天、大规模集成电路、军事电子器材有更广阔的应用前景。与
技术介绍
中的其他方法相比，本专利技术的高速压制-无压烧结法制备工艺简单，高速压制技术使复合粉末压坯制备时间大大缩短，制备出的压坯密度高且分布均匀，有利于烧结过程中的复合的致密化使所制的SiC增强A1基复合材料孔隙率较低、导热性能好，该工艺生产效率高、成本低，促进了SiC增强A1基复合材料的大规模应用。附图说明图1是本专利技术材料中实施例4制备的SiC颗粒增强Al基复合材料样品金相图谱；图2是本专利技术材料中实施例4制备SiC颗粒增强Al基复合材料样品SEM图谱。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步说明，但不限定本专利技术。实施例1：一种高体积分数SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)碳化硅粉体表面处理：将碳化硅粉末在去离子水中超声振动45分钟，除去碳化硅表面的杂质和油污，然后进行干燥处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳化硅粉体表面处理：将碳化硅粉末在去离子水中超声振动30‑60分钟，除去碳化硅表面的杂质和油污，然后进行干燥处理，先在150‑200℃烘箱中干燥10‑12小时，将干燥后的碳化硅放到刚玉坩埚中，再放入高温炉中，在1000‑1200℃的温度下保温2‑4小时，升温速度2‑5℃/min，使其表面形成一层致密的SiO2层，然后随炉冷却；(2)混料：向氧化处理后的碳化硅粉体中加入铝合金粉末，其中碳化硅粉体占混合粉末的体积分数为30‑50％，铝合金粉末占混合粉末的体积分数为50‑70％，将混合原料置于滚筒式混料机中混12‑15小时，转速为180r/min，得到均匀性良好的混合粉末；(3)高速压制成型：采用重力势能作为蓄能方式，将步骤(2)制得的混合粉末高速压制实验机压制生坯，重锤重量的为50‑100Kg，将重锤的升至0.2‑1.0m的高处，通过调节重锤质量和压制高度改变压制能量，通过重锤的自由落体运动压制混合粉体，得到SiC增强Al基复合材料压坯；(4)N2气氛保护烧结：将SiC增强Al基复合材料压坯放置管式气氛炉中，设置烧结温度为680‑720℃，N2气氛下保护烧结，升温速率3‑4℃/min，到达预定烧结温度后保温2‑3小时，得到SiC增强Al基复合材料预成品；(5)冷却：通过管式气氛炉控制SiC增强Al基复合材料预成品降温冷却至400‑450℃，冷却速率2‑3℃/min，保温1‑3小时，随炉冷却，待其冷却至室温，取出样品，去除附着在样品表面的铝合金和氧化层，得到SiC颗粒增强Al基复合材料成品。...

【技术特征摘要】
1.一种通过高速压制制备高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳化硅粉体表面处理：将碳化硅粉末在去离子水中超声振动30-60分钟，除去碳化硅表面的杂质和油污，然后进行干燥处理，先在150-200℃烘箱中干燥10-12小时，将干燥后的碳化硅放到刚玉坩埚中，再放入高温炉中，在1000-1200℃的温度下保温2-4小时，升温速度2-5℃/min，使其表面形成一层致密的SiO2层，然后随炉冷却；(2)混料：向氧化处理后的碳化硅粉体中加入铝合金粉末，其中碳化硅粉体占混合粉末的体积分数为30-50％，铝合金粉末占混合粉末的体积分数为50-70％，将混合原料置于滚筒式混料机中混12-15小时，转速为180r/min，得到均匀性良好的混合粉末；(3)高速压制成型：采用重力势能作为蓄能方式，将步骤(2)制得的混合粉末高速压制实验机压制生坯，重锤重量的为50-100Kg，将重锤的升至0.2-1.0m的高处，通过调节重锤质量和压制高度改变压制能量，通过重锤的自由落体运动压制混合粉体，得到SiC增强Al基复合材料压坯；(4)N2气氛保护烧结：将SiC增强Al基复合材料压坯放置管式气氛炉中，设置烧结温度为680-720℃，N2气氛下保护烧结，升温速率3-4℃/min，到达预定烧结温度后保温2-3小时，得到SiC增强Al基复合材料预成品；(5)冷却：通过管式气氛炉控制SiC增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉程，王武杰，洪雨，刘家琴，汤文明，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34