一种SIALON晶须增强型铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种SIALON晶须增强型铝基复合材料及其制备方法，所述SIALON晶须增强型铝基复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相，SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。

A Sialon whisker reinforced aluminum matrix composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种SIALON晶须增强型铝基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种以SIALON晶须为增强体的增强型铝基复合材料及其制备方法，属于新材料制备领域。
技术介绍
铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等一系列优点，具有潜在的应用前景和广阔的市场。陶瓷材料具有高的硬度和强度，是一类应用最为广泛的增强相材料。其中，陶瓷颗粒和晶须是最常见的陶瓷增强相类型。虽然陶瓷颗粒原材料成本相对较低，但是其内部缺陷较多，对基体材料的增强作用有限，并且通常还会降低复合材料的延展性和可加工性。而对于陶瓷晶须来说，它们有着典型的单晶结构，无孔洞、位错、晶界等缺陷，密度和强度均接近理论值。此外，陶瓷晶须外形类似短纤维，较大的长径比可以使晶须的增强效果变得更加突出。其中，SIAlON晶须不仅密度和铝相近，而且具有很高的强度和刚度。因此，SIAlON晶须是铝基复合材料中一种理想的增强相材料。对于铝基复合材料而言，搅拌铸造法是一种操作简单，成本低廉，可以制备大尺寸材料，极其适合工业化生产的一种制备工艺。然而，传统的搅拌铸造法的缺点也十分明显。这主要是由于增强相的尺寸大多处于微米级，宏观的搅拌不仅极易导致团聚现象的发生，而且还会在高速搅拌过程中卷入气体和杂质，从而极大地降低铸件性能。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术目的是提供一种以SIAlON晶须为增强相的增强型铝基复合材料及其制备方法，有效地解决陶瓷在金属基体内的分布均匀性较差的问题，提高材料致密性，并实现两相良好的界面结合。一方面，本专利技术提供了一种SIALON晶须增强型铝基复合材料，所述复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相，SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。本专利技术提供的铝基复合材料中增强相SIALON晶须均匀地分布于铝基材料内部，并与铝基材料紧密结合，使得该铝基复合材料力学性能得到大幅度提高。所得SIALON晶须增强铝基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨损和低膨胀等优点。较佳的，所述SIALON晶须所占的质量百分比为1～40％，所述基体相所占的质量百分比为60～99％；优选地，所述SIALON晶须所占的质量百分比为5～20％，所述基体相所占的质量百分比为80～95％。较佳的，所述SIAlON晶须的直径为0.1～1μm，长度为1～5μm，晶须长径比为1～50。另一方面，本专利技术还提供了一种上述的SIALON晶须增强铝基复合材料的制备方法，包括：(1)将SIALON晶须加入到装有纯铝熔体或者铝合金熔体的坩埚中，然后采用机械搅拌的方法实现SIALON晶须在铝基体中的预分散，得到混合液；(2)在所得混合液中引入超声搅拌杆进行超声搅拌处理后，浇注到模具中，并在熔体凝固过程中将模具的底部接触超声装置(目的是为防止熔体凝固初期晶须的非均匀沉降)，继续进行超声处理，直至完全凝固得到块体；(3)为进一步提高复合材料的致密性和力学性能，采用热挤压工艺对所得块体进行挤压处理，得到所述SIALON晶须增强型铝基复合材料。本专利技术中，采用机械搅拌结合超声搅拌的方法，首先实现SIALON晶须在铝熔体中的宏观预分散，然后通过高强度超声在铝熔体内产生的空化和声流效应，从微观的角度对熔体进行混合，不仅可以有效破碎SIALON晶须团聚体，而且还能改善晶须与铝基体的润湿性。此外，超声搅拌还可有效去除熔体内部的气泡，从而得到更为均匀稳定的组织。采用机械搅拌结合超声搅拌的方法还可有效减少材料的生产时间，提高生产效率，节约成本。较佳的，所述纯铝熔体或者铝合金熔体的温度为800～1100℃，优选为850～1000℃。较佳的，所述机械搅拌的速率为200～500转/分钟，时间为0.5～5小时；优选地，所述机械搅拌的速率为300～400r/min，时间为2～3小时。较佳的，所述超声搅拌杆的材质为Nb-Zr材质；所述超声搅拌处理的频率为80～150kHz，时间为10～30分钟。较佳的，所述超声处理的方式为将多根材质为Nb-Zr材质的超声震动杆与模具(例如，坩埚)外侧的底部接触，通过模具间接传递超声，直至完全凝固；所述超声的频率为100～150kHz。在凝固过程中引入超声处理一方面可以加速熔体内部的原子运动，使得坩埚内部温度场更为均匀；另一方面，还能有效避免SIALON晶须在凝固过程中的沉淀，具体指防止凝固初期晶须的非均匀沉降。此外，超声在一定程度上还能起到细化铝基体晶粒的作用，对提高材料力学性能有利。较佳的，所述挤压处理的温度为400～500℃；所述挤压处理的挤压比为(1～8)：1，优选为2:1、4:1或8:1，材料致密度和力学性能均提高。挤压比是指挤压筒腔的横断面面积同挤压制品总横断面面积之比，也叫挤压系数，挤压前后体积无变化。有益效果：本专利技术中，在基体金属熔融状态下，采用机械搅拌对SIALON晶须进行预分散，并以超声搅拌的方法实现晶须在基体内部的进一步分散，而后浇筑到模具内，在其凝固过程中再次引入超声，最后对所得铸件进行热挤压处理，从而获得均匀分散的SIALON晶须增强铝基复合材料；本专利技术中，SIALON晶须具有极高的硬度和强度，以及优异的化学稳定性；其次，SIALON晶须有着一定的长径比，可以更好地起到应力传递的作用；再者，SIALON晶须晶体结构中含有Al原子，和铝基体的相容性更好。综上，SIALON晶须是一理想的铝基增强体材料。并且通过实际验证发现，20wt％晶须含量的铝基复合材料相比于纯铝基体而言，强度最大提升了113MPa，提升幅度达91.9％；本专利技术使用的是超声辅助的液相搅拌法，该方法特点是生产效率高，适合推广应用。附图说明图1为本专利技术实施例1-5中所用的SIALON晶须的扫描电子显微镜照片；图2为本专利技术实施例1所制得的增强型铝基复合材料的增强相和基体相两相界面的透射电子显微镜图片；图3为本专利技术实施例1所制得的增强型铝基复合材料的表面抛光形貌图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本公开中，SIALON晶须增强型铝基复合材料是以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相。其中，SIAlON晶须直径可为0.1～1μm，长度可为1～5μm，晶须长径比可为1～50。作为一种优选方案，该复合材料中的SIALON晶须所占的质量百分比为1～40％，基体相所占的质量百分比为60～99％。若SIALON晶须含量过低，则增强效果不够明显；若SIALON晶须含量过高，则易造成晶须团聚现象，从而降低材料的力学性能，例如强度下降或者延展性下降。进一步优选地，SIALON晶须所占的质量百分比为5～20％，基体相所占的质量百分比为80～95％。具有该组成的复合材料具有更优异的力学性能。在本专利技术一实施方式中，将一定量的SIALON晶须加入到纯铝或者铝合金熔体中，并采用机械搅拌实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SIALON晶须增强型铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相，SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。/n

【技术特征摘要】
1.一种SIALON晶须增强型铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相，SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。


2.根据权利要求1所述的SIALON晶须增强型铝基复合材料，其特征在于，所述SIALON晶须所占的质量百分比为1～40%，所述基体相所占的质量百分比为60～99%；优选地，所述SIALON晶须所占的质量百分比为5～20%，所述基体相所占的质量百分比为80～95%。


3.根据权利要求1或2所述的SIALON晶须增强型铝基复合材料，其特征在于，所述SIAlON晶须的直径为0.1～1μm，长度为1～5μm，晶须长径比为1～50。


4.一种如权利要求1-3中任一项所述的SIALON晶须增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将SIALON晶须加入到装有纯铝熔体或者铝合金熔体的坩埚中，然后采用机械搅拌的方法实现SIALON晶须在铝基体中的预分散，得到混合液；
（2）在所得混合液中引入超声搅拌杆进行超声搅拌处理后，浇注到模具中，并在熔体凝固过程中将模具的底部接触超声装置，继续进行超声处理，直至完全凝固得到块...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，张晨旭，尹金伟，左开慧，夏咏峰，姚冬旭，梁汉琴，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31