一种SiC诱导多相增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于增材制造技术领域，涉及一种SiC诱导多相增强铝基复合材料及其制备方法。该制备方法，通过对SiC颗粒表面进行预氧化处理后形成SiO2氧化层，改善了SiC与Al基体之间的界面润湿性，同时延缓了SiC颗粒与Al基体之间的反应，在高温下SiO2会与基体优先发生反应，仅生成少量的Al2O3颗粒，SiC颗粒基本被保留下来。在局部温度过高区域则会发生反应，可完全消耗该处的SiC颗粒，生成Al4SiC4硬质陶瓷相。通过预氧化

【技术实现步骤摘要】
一种SiC诱导多相增强铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于增材制造
，涉及铝基复合材料，具体涉及一种SiC诱导多相增强铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代科技的迅速发展，轻质高强铝基复合材料（Aluminum Matrix Composites，AMCs）在航空航天及汽车轻量化等领域展现出广阔的应用前景，因此引起了人们的广泛关注和研究。例如，现有工艺中有通过添加一些性能优异的增强相（诸如SiC、CNTs、TiC、TiB2、Al2O3、AlN等）有利于实现纯铝/铝合金综合力学性能的提升。其中，SiC颗粒因其密度低、硬度高（约25GPa）、弹性模量高（约410GPa）、化学性质稳定以及价格低廉等优点，被认为是制备AMCs的理想增强相。然而，在传统方法（诸如搅拌铸造法、熔体浸渗法、颗粒冶金法等）制备AMCs的过程中都不可避免地存在增强相颗粒难以均匀分散、基体与增强颗粒之间润湿性较差、界面结合不牢固以及易生成Al4C3脆性相等问题，使得SiC在AMCs中的强化效果难以得到有效发挥。同时，由于模具及加工方法的限制，明显制约了SiC增强AMCs在复杂形状零件中的应用。
[0003]选区激光熔化技术（Selective laser melting，SLM）作为一种可整体成形形状复杂、高性能AMCs的新工艺，因其成形过程中极高的熔化/凝固速率（约103~106℃/s），有利于实现增强相的均匀分散并细化晶粒，这对制备性能优异、结构复杂的AMCs具有独特的优势。因此，制备纳米颗粒均匀分布并适用于颗粒床激光熔融的复合颗粒仍是获得晶粒细化、性能优异铝基复合材料的关键。
[0004]然而，在采用外加法制备复合材料的过程中，如何将比表面能大的纳米颗粒均匀分散在基体颗粒上一直是困扰科研人员的一大难题。同时，由于在1173K以下，SiC与Al液的接触角大于90
°
，两者不润湿，并且SiC加入时表面附有气体层，这势必增加了成形过程中SiC与Al基体复合的难度，导致增强相与基体之间界面相容性差、且成形样品内部含有较多孔隙，致密度不高。此外，在较低的成形温度下（940
‑
1620K），铝基体与SiC颗粒还会发生反应4Al(l)+3SiC(s)
→
Al4C3(s)+3Si生成易水解的脆性相Al4C3。上述这些因素都会导致AMCs的塑韧性显著下降，材料性能难以满足应用需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种SiC诱导多相增强铝基复合材料及其制备方法，利用预氧化
‑
预分散
‑
选区激光熔化相结合的方法制备了纳米颗粒分散均匀、致密度高、晶粒细小、力学性能优异的多相增强铝基复合材料。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种SiC诱导多相增强铝基复合材料，原料粉末由纳米SiC粉末和AlSi10Mg粉末组成，增强相包括外加的纳米SiC颗粒和经原位反应生成的Al2O3、Al4SiC4颗粒。
[0007]进一步，所述原料粉末中纳米SiC粉末的质量百分比为2~10%，AlSi10Mg粉末的质量百分比为90~98%；所述纳米SiC粉末粒径为40~100nm，AlSi10Mg粉末粒径为45~106μm，所述多相增强铝基复合材料中Al基体的晶粒尺寸为400~600nm。
[0008]另一方面，本专利技术提供了一种SiC诱导多相增强铝基复合材料的制备方法，即先对预氧化后的纳米SiC颗粒进行预分散处理，得到SiC
OX
悬浊液，再将SiC
OX
悬浊液和AlSi10Mg颗粒进行球磨混合后得到SiC
OX
/AlSi10Mg复合粉末，最后通过选区激光熔化成形工艺制备多相增强铝基复合材料。
[0009]进一步，上述制备方法具体包括以下步骤：1）将纳米SiC颗粒均匀铺展并置于热处理炉内，在空气气氛下进行预氧化处理，预氧化温度为800~1200℃，保温2~6h后随炉冷却至室温；2）将预氧化的纳米SiC
OX
颗粒与分散剂一同加入无水乙醇溶液中，通过机械搅拌与超声分散得到SiC
OX
悬浊液；所述分散剂质量为纳米SiC
OX
颗粒质量的0.5%~20%；3）将AlSi10Mg颗粒与所述SiC
OX
悬浊液一同加入球磨罐中进行行星球磨分散；4）对步骤3）球磨分散得到的复合颗粒进行筛分，并通过选区激光熔化成形工艺制备多相增强铝基复合材料。
[0010]进一步，所述步骤1）对纳米SiC颗粒进行预氧化处理前，先将纳米SiC颗粒置于有机溶剂中超声清洗0.5~1h，然后再用蒸馏水清洗两遍，并于60~80℃下干燥。
[0011]进一步，所述步骤1）中预氧化处理采用分段式加热工艺：先以5~15℃/min的升温速率升温至300℃，保温15~60min；再以5~15℃/min的升温速率升温至600℃，保温15~60min，随后加热到预氧化温度保温2~6h。
[0012]进一步，所述步骤2）中机械搅拌的转速为50~150r/min，机械搅拌与超声分散的时间为0.5~1h。
[0013]进一步，所述步骤3）中球磨罐在球磨过程中采用氩气保护，球料比为（1~2）：1，球磨转速为50~150r/min，球磨时间为2~6h。
[0014]进一步，所述步骤4）中的筛分具体为：将步骤3）中经球磨分散后的颗粒在真空干燥箱中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为6~12h；随后用150目的筛网进行筛分。
[0015]进一步，所述步骤4）中选区激光熔化成形工艺在氩气气氛下进行，所述氩气压力不高于10bar；选区激光熔化成形工艺参数如下：扫描速度为800~1600mm/s，激光功率为280~350W。
[0016]与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案包括以下有益效果：利用预氧化
‑
预分散
‑
选区激光熔化相结合的方法制备得到纳米颗粒分散均匀、致密度高、晶粒细小、力学性能优异的多相增强铝基复合材料。通过对纳米SiC颗粒表面进行预氧化处理后形成SiO2氧化层，一方面，有效改善了SiC与Al基体之间的界面润湿性，显著提升了复合材料的致密度；另一方面，该SiO2氧化层显著延缓了SiC颗粒与Al基体之间的反应，在高温下其会与基体优先发生反应：Al+SiO2→
Al2O3+Si，由于Al
‑
Si合金中较高的Si含量抑制了此反应的正向进行，因此仅生成了少量的Al2O3颗粒，SiC颗粒基本被保留下来。在局部温度过高区域（>1670K）则会发生反应：4Al(l)+4SiC(s)
→
Al4SiC4(s)+3Si，完全消耗该处的SiC颗粒，生成
Al4SiC4硬质陶瓷相。通过原位反应所生成的反应产物（Al2O3和Al4SiC4）可作为新增强相与原增强相SiC一同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC诱导多相增强铝基复合材料，其特征在于，原料粉末由纳米SiC粉末和AlSi10Mg粉末组成，增强相包括外加的纳米SiC颗粒和经原位反应生成的Al2O3、Al4SiC4颗粒。2.根据权利要求1所述的SiC诱导多相增强铝基复合材料，其特征在于，所述原料粉末中纳米SiC粉末的质量百分比为2~10%，AlSi10Mg粉末的质量百分比为90~98%；所述纳米SiC粉末粒径为40~100nm，AlSi10Mg粉末粒径为45~106μm，所述多相增强铝基复合材料中Al基体的晶粒尺寸为400~600nm。3.一种SiC诱导多相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，先对预氧化后的纳米SiC
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颗粒进行预分散处理，得到SiC
OX
悬浊液，再将SiC
OX
悬浊液和AlSi10Mg颗粒进行球磨混合后得到SiC
OX
/AlSi10Mg复合粉末，最后通过选区激光熔化成形工艺制备多相增强铝基复合材料。4.根据权利要求3所述SiC诱导多相增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1）将纳米SiC颗粒均匀铺展并置于热处理炉内，在空气气氛下进行预氧化处理，预氧化温度为800~1200℃，保温2~6h后随炉冷却至室温；2）将预氧化的纳米SiC
OX
颗粒与分散剂一同加入无水乙醇溶液中，通过机械搅拌与超声分散得到SiC
OX
悬浊液；所述分散剂质量为纳米SiC
OX
颗粒质量的0.5%~20%；3）将AlSi10Mg颗粒与所述SiC
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悬浊液一同加入球磨罐中进行行星球磨分散；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽钰，瞿宗宏，宋嘉明，白瑞敏，陈蕾蕾，罗成，赖运金，梁书锦，王庆相，
申请(专利权)人：西安欧中材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：