高强耐热混杂颗粒增强铝基复合材料及其复合制备方法技术

本发明专利技术为一种高强耐热混杂颗粒增强铝基复合材料及其复合制备方法，该复合材料主要由基体合金和增强相组成，其中基体合金可以为标准牌号铝合金，也可以其它铝合金，增强相为原位反应生成的纳米级的Ａｌ↓［３］Ｔｉ、ＴｉＢ↓［２］颗粒和由液态搅拌引入的微米级ＳｉＣ颗粒。该复合制备方法包括如下步骤：熔制基体合金，并对基体合金进行原位反应和液态搅拌处理，经变质、精练后，浇注零件毛坯。方法工艺简单，稳定性好、适于工业化生产。本发明专利技术将单一的原位反应自生增强技术与液态搅拌制备技术相结合，使制备的混杂增强铝基复合材料中增强颗粒与基体界面结合良好、分布均匀，具备高强韧、高模量、耐热、耐磨、耐疲劳、低膨胀的性能，适用于制造新型环保活塞、气缸、刹车片及其它气密性零件，也可用于制造连杆、传动装置、转子、精铸压型等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料领域，主要涉及铝基复合材料及其制备方法，具体就是一种高强耐热混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
金属基复合材料是新材料研究的一个重要的方面军，金属基复合材料通常具备基体合金的优点，同时还具备增强体所带来的特性，所以具备较基体合金优越的性能特性。研究较多的有镁基复合材料、铝基复合材料等。在复合材料的研究和制备中，增强体的尺寸、分布以及与基体的界面结合程度等对新材料的影响很大。陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、低热膨胀系数、良好体积稳定性等优良性能，适用于制造新型环保活塞、气缸、刹车片及其它气密性零件，同时也是制造连杆、传动装置、转子等的理想材料。因此陶瓷颗粒增强铝基复合材料的研究和开发也是新材料研究的一个重要方向。随着科学技术的发展，各个
均对新材料提出更高的要求，比如现代发动机正朝着大功率、高增压、高紧凑、低散热方向发展，这一发展对发动机关键零部件活塞的材料及成型技术提出了越来越高的要求，也就是要求新的材料具备高强韧、耐磨损、尺寸稳定性好，同时也具备塑性好，加工性能优良的轻材料，而目前现有技术中采用单一制备方法制备的复合材料还难于满足现代发动机对新材料的要求。由液体搅拌所制备的铝基复合材料即外加颗粒制成的金属基复合材料可以有效的提高材料的耐磨性，尺寸稳定性和高温拉伸性能。但是增强体与基体有害的界面反应和低的界面结合强度，致使材料的塑性和疲劳性能降低，只能达到基体铝合金的60～80％，并且硬质的陶瓷颗粒致使材料的加工性能变差，加工能量增大，对刀具的磨损量增大。所有的这些严重的阻碍了该材料的推广和运用。原位自生法制备复合材料是近年来开发的较新型的复合材料制备方法，它的基本原理是在一定条件下，依靠合金成分设计，通过在合金液内发生化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体而达到增强金属基体的目的。由于增强体是通过原位反应在基体中自生的，增强体与基体界面清洁，稳定，结合强度大，没有有害结合界面，分布均匀。增强体在复合材料中起到高温增强作用和晶粒细化作用，所以制备的复合材料的拉伸强度、塑性和疲劳性能都有大幅度的提高。但是，由于增强体尺寸细小(≤1μm)，致使该材料的磨损和阻尼性能均与基体铝合金相当，远远不能和外加颗粒增强复合材料相比。两种复合材料的制备技术各有优缺点，国内外关于单一制备技术制备复合材料的研究文献很多，比如《机械工程学报》2000年04期上刊载的文章、《中国有色金属学报》2003年03期上刊登顾敏等人研究了SiC和Gr(石墨)颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能、阻尼性能，采用真空反压渗透技术、喷射共沉技术、挤压法成型。其增强物均为外加颗粒，尺寸大，存在有害界面结合，另外，工艺复杂，只适合实验室制作，不能大规模工业化生产。《中国有色金属学报》2004年07期上有对SiCw和纳米SiCp混杂增强铝基复合材料的制备与评价，主要采用湿法成型。还有在《机械工程学报》2003年11期上刊载的文章是研究Al3O2和C短纤维混杂增强铝基复合材料高温磨损性能，也主要采用挤压渗透法成型。同样均是外加增强物类型，虽耐磨性的优点突出，但制备的铝基复合材料加工性能、抗疲劳性能和塑性均较差。专利85108934和85102454分别报道了一种共晶活塞合金，均不是复合材料的范畴。经在现有的信息系统和网络检索，采用复合制备技术进行铝基复合材料的研究尚未见报道。同样采用复合制备技术直接制备出的混杂颗粒增强铝基复合材料的信息也未见报道。文献检索的结果表明本专利技术的研究在国内外尚未见报道。也未发现有与本专利技术相同的文献和信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述技术或方法存在的缺点，提供一种高强韧、耐高温、耐磨损、耐疲劳、模量大(刚度好)、尺寸稳定性好、重量轻的微-纳米混杂颗粒增强铝基复合材料及其工艺简单、稳定性好、适于大规模工业化生产的制备该复合材料的复合制备技术。本专利技术是在实践和分析的基础上发现采用单一方法制备的颗粒增强复合材料具有某些性能上突出优点，而在另一些性能上又存在较大的缺陷。本专利技术的构思是结合上述两种单一复合材料制备方法，即将液态搅拌制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法与原位自生法制备复合材料的方法相结合，开发一种新型的复合制备方法，这种新型的复合制备方法发挥了各单一制备技术的优势，制备的高强耐热混杂增强铝基复合材料也是一种新的结合体，具备高强韧、高模量、耐热、耐磨、耐疲劳、低膨胀的优点。下面对本专利技术的技术方案进行详细说明本专利技术作为一种产品即新材料的实现在于以铝合金为基体合金，其增强物为原位反应生成的纳米级Al3Ti、TiB2颗粒，和通过液态搅拌引入的微米级SiC颗粒。Al3Ti、TiB2重量百分比控制在1.0～3.0％，SiC重量百分比控制在8～10％。本专利技术作为一种产品即新材料的实现还在于混杂增强的Al3Ti、TiB2和SiC的重量比为1∶1∶3～10。本专利技术的实现在于还在于该复合材料的复合制备方法，即微-纳米混杂增强铝基复合材料的复合制备方法的具体步骤为第一步选用铝合金为基体合金，对基体合金进行熔配；第二步对熔配好的基体合金变质、除气、精炼；第三步当温度在700～1000℃加入预热的TiO2、Na3AlF6、KBF4粉末和SiC微粒，其加入量按上述生成增强物Al3Ti、TiB2的重量百分比控制和外加增强物SiC的重量百分比控制，并以600～2500转/分的速度搅拌20～50分钟，待颗粒分布均匀后降温至740～800℃；第四步再次除气、精炼、撇渣；第五步静置30分钟，浇注零件。在第一步中可以选用标准牌号的铝合金作为基体合金，也可以选用其它新型铝合金作为基体合金。为防止增强物团聚，在加入之前对其预热，并在之后的步骤中进行再次精练。本专利技术采用的设备为虽已失效，但曾为中国技术专利的96236021.0的液态搅拌陶瓷增强金属基复合材料制备装置。本专利技术将两种单一的颗粒增强铝基复合材料的制备方法结合运用，使原位自生法制备复合材料的方法与液态搅拌制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法相结合，不需要增加新的设备，在应用原设备的基础上开发了一种新型的复合制备方法，这种新型的复合制备方法发挥了各单一制备技术的优势，在采用原位自生法制备复合材料的过程中在由于依靠合金成分设计，通过在合金液内发生化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体，这些增强体颗粒细小，通常为纳米级，在合金液中分布均匀，使得新的材料获得良好的强度、塑性以及尺寸稳定性；又在基体中通过液态搅拌技术增加了颗粒较大的SiC增强物，大大提高了材料的耐磨、耐热性能。用该方法制备的高强耐热混杂颗粒增强铝基复合材料既有纳米级的Al3Ti和TiB2增强颗粒，又有微米级的SiC增强颗粒，增强颗粒在基体中分布均匀，界面清洁稳定，结合强度大，由于SiC颗粒、Al3Ti和TiB2颗粒的加入与良好结合，使得该材料的晶粒显著细化，强度大幅度提高、延伸率基本不变的前提下将合金的抗拉强度和屈服强度提高100MPa；同时，材料的磨损性能提高一倍左右。制备过程工艺简单、稳定性好、适于大规模工业化生产。材料的强度和塑性通常是一对矛盾，对于某些材料可以偏重于强度，对于另一些材料可能偏重于塑性，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强耐热混杂增强铝基复合材料，其特征在于：以铝合金为基体合金，在其中原位反应生成纳米级的Ａｌ↓［３］Ｔｉ、ＴｉＢ↓［２］颗粒，通过液态搅拌加入微米级的ＳｉＣ颗粒增强，Ａｌ↓［３］Ｔｉ、ＴｉＢ↓［２］重量百分比控制在１．０～３．０％，ＳｉＣ重量百分比控制在８～１０％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李建平，郭永春，李高宏，杨忠，夏峰，杨觉民，杨通，
申请(专利权)人：西安工业学院，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]