碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的制备方法技术

本分案申请涉及碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的制备方法，添加Al粒子与熔融态Al‑基合金互溶，与传统的固相法、液相法相比具有低成本，效率高等优点。有效的控制了SiC/Al之间的界面反应的生成。复合材料在摩擦时，薄膜状的界面生成物可以组织裂纹地扩散，增强了强化材料与基体之间的结合力，提高了材料的耐磨性能。本发明专利技术制备的碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料与现有的金属基复合材料相比，材料的耐磨性能更优异，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的制备方法本申请为申请号为2017103685184、申请日为2017年5月22日、专利技术名称为“低压加压法制作SiC陶瓷纤维/粒子强化Al-基合金复合材料”的分案申请。
本专利技术涉及低压下制作SiC陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料，特别是强化Al-基合金复合材料。
技术介绍
近年来，金属基复合材料(MetalMaterialComposite:MMC)因其具有高比强度、比模量以及耐磨等优点使其在机车、航空等领域上得到了广泛的应用。而随着金属基复合材料的问世，各种制作工艺如高压加压铸造法和粉末冶金法等技术被开发了出来。然而这两种方法均存在缺陷。碳化硅(SiC)由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，因其具有高强度，高模量的性能被机车、航空领域得到认可。在日本丰田汽车的刹车盘上SiC粒子强化金属合金复合材料已得到了应用。但是，目前的研究中Al-基合金与SiC在高温下将发生界面反应，而一般情况下发生界面反应对材料的机械性能起到负作用，界面反应的种类越多，对机械性能的负面影响越大，违背添加刚性粒子提高金属合金机械性能的初衷。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术通过低压加压法(Lowpressureinfiltration:LPI)制备SiC陶瓷纤维/粒子强化Al-基合金复合材料，铸造时间短，通过抑制SiC/Al之间的界面反应，使合金表面形成薄膜，阻止裂纹的扩散，提高了强化材料和基材的结合力使之复合材料的机械性、耐磨性得到提高。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。SiC陶瓷纤维/粒子强化Al-基合金复合材料制备方法如下：(1)向装有乙醇的烧杯中加入粘合剂，待粘合剂完全溶解后添加纯Al粒子、SiC粒子和SiC纤维，使液体与SiC纤维/粒子均匀附着；(2)将步骤(1)所得试料放入试管内，同时压缩试管两端，制成高度为1～2cm圆柱体，将圆柱体放置在773K电炉内加热，使粘合剂全分解后取出，得到SiC陶瓷胚体；(3)将陶瓷珠粒，SiC陶瓷胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5～0.8mm的实验管中，通过高周波加热器加热至Al-基合金完全熔化，从试管上方加入Ar气0.2～0.4MPa到液体合金表面，使液体合金渗透到SiC陶瓷胚体中；当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压，冷却得到Al-基合金复合材料。优选的，纯Al粒子直径为18μm，SiC粒子直径为20-50μm，SiC纤维为剪切长度在0.5mm，直径20μm的纤维。在该尺寸范围下，颗粒之间分布更均匀，颗粒间缝隙不大，试样的耐磨性最佳。优选的，步骤(2)具体为：将步骤(1)所得试料放入直径为15mm的试管内，两端同时压缩成高为1cm圆柱体。在温度773K的电炉内加热1小时，使PEG完全分解后取出，得到SiC陶瓷胚体。优选的，步骤(3)具体为：将直径为1mm的陶瓷珠粒、SiC陶瓷的胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5～0.8mm的实验管中，通过高周波加热器加热至1173K使Al-基合金完全熔化，从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面15s后停止加压，冷却得到Al-基合金复合材料。优选的，所述Al-基合金为Cu含量为4mass％的铜铝合金或Mg含量为4mass％的镁铝合金或Si含量为12mass％的硅铝合金。优选的，所述粘合剂为聚乙烯乙二醇(PEG)。开口直径过大加压时将会使液体合金瞬间流出，过小将会提高对压力值要求而无法达到低压加压的状态。陶瓷珠粒的加入可有效防止液体受到加压后直接喷出，作为优选，陶瓷珠粒直径为1mm。本专利技术采用低压加压法在非常低的压强下(0.2MPa)即可完成，铸造时间一般在15秒，由于时间短，速度快，有效地抑制了界面反应的生成，在合金表面形成了一层厚度在1μm以下的薄膜。该薄膜一方面可以保护强化材料如碳化硅的表面，避免其受到损伤，另一方面该薄膜有效防止碳化硅在摩擦时脱落，阻止裂纹的扩散。提高了碳化硅和基材的结合力使复合材料的耐磨性得到提高。本专利技术与传统的固相法、液相法相比具有制备工艺简单、低成本，效率高等优点。附图说明图1为本专利技术金属基复合材料的摩擦磨损测试对比结果；图2为SiC/Al-Si金属基复合材料摩擦后界面组织扫描电镜照片；图3a为SiC/Al-Cu摩擦后界面组织扫描电镜照片；图3b为SiC/Al-Cu摩擦后界面组织透射电镜照片；图4a为SiC/Al-Mg摩擦后结构组织扫描电镜照片；图4b为SiC/Al-Mg摩擦后结构组织透射电镜照片。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案进一步的说明，但本专利技术不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法，如无特殊说明，所述化学试剂和材料，均可从商业途径获得。本专利技术中涉及到SiC/Al-Cu代表该复合材料是以Al-4mass％Cu(Cu含量是4mass％)为基材，与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料；SiC/Al-Si代表以Al-12mass％Si(Si含量是12mass％)为基材，与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料；；SiC/Al-Mg代表以Al-4mass％Mg(Mg含量是4mass％)为基材，与SiC粒子、SiC纤维制备的复合材料；实施例1向装有20ml乙醇的烧杯中加入2g粘合剂PEG，待完全溶解后，添加纯Al粒子(直径:18μm)0.8g，体积分数7.5vol.％的SiC粒子(直径50μm)，体积分数12.5vol.％的SiC纤维(直径:20μm，剪切长度0.5mm)，放入烧杯中搅拌，使液体混合物与SiC粒子和SiC纤维附着。将混合后的试料放入直径15mm的试管中，同时压缩试管的两端，将其压缩成高为1cm的圆柱体并放入773K电炉中加热1小时，使PEG完全分解后取出制得SiC陶瓷坯体。以Al-4mass％Cu为母材，将直径为1mm的陶瓷珠粒，SiC陶瓷胚体和Al-4mass％Cu合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5～0.8mm的实验管。陶瓷珠粒作用是防止液体金属在加压后瞬间流光，本实施例使用的是直径1mm的氧化铝珠粒。通过高周波加热器将实验管加热到1173K使合金完全熔化。从试管上方加入0.2MPaAr气到液体合金表面，使合金渗透到SiC陶瓷胚体中，当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，加压时间15s。当液体合金从试管尖口中缓慢流出后停止加压。待冷却后得到MMC试料。实施例2向装有20ml乙醇的烧杯中加入2g粘合剂PEG，待完全溶解后，添加纯Al粒子(直径:18μm)0.8g，体积分数7.5vol.％的SiC粒子(直径50μm)，体积分数12.5vol.％的SiC纤维(直径:20μm，剪切长度0.5mm)，放入烧杯中搅拌，使液体混合物与SiC粒子和SiC纤维附着。将混合后的试料放入直径15mm的试管中，同时压缩试管的两端，将其压缩成高为1cm的圆柱体并放入773K电炉中加热1小时，使PEG完全分解后取出制得SiC陶瓷坯体。以Al-4mass％Mg为母材，将直径为1mm的陶瓷珠粒，SiC陶瓷胚体和Al-4mass％Mg合金从下往上依次排列放置在开口直径0.5～0.8mm的实验管。陶瓷珠粒作用是防止本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备SiC陶瓷胚体；(2)将陶瓷珠粒，SiC陶瓷胚体和Al‑基合金从下往上依次排列放置，通过高周波加热器加热至Al‑基合金完全熔化，加入Ar气体0.2～0.4MPa到液体合金表面，使液体合金渗透到SiC陶瓷胚体中；当液体合金从试管口中缓慢流出后停止加压，待冷却后得到金属基复合材料。

【技术特征摘要】
1.碳化硅陶瓷纤维/粒子强化金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备SiC陶瓷胚体；(2)将陶瓷珠粒，SiC陶瓷胚体和Al-基合金从下往上依次排列放置，通过高周波加热器加热至Al-基合金完全熔化，加入Ar气体0.2～0.4MPa到液体合金表面，使液体合金渗透到SiC陶瓷胚体中；当液体合金从...

【专利技术属性】
技术研发人员：王通，董桂馥，孙毓彬，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21