一种陶瓷颗粒选择性增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。制备方法：第一步是制备多孔陶瓷坯体；第二步是将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，在750~1100℃将熔融铝合金注入模具中，施加20~50MPa的压力强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，凝固后就得到选择性增强的铝基复合材料。本发明专利技术的优点是将发泡技术与注射成形和凝胶注模工艺相结合，使多孔陶瓷坯体具有可设计性。采用挤压铸造工艺实现了金属基复合材料（MMC）增强体和铝基体的一体化成形，充分发挥了铝基体高强高韧和MMC增强体耐磨性优异的优点。所得的复合材料热导率高、散热能力良好、耐磨性优异、并且重量轻。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属基复合材料研究领域，特别提供了一种制备陶瓷颗粒选择性增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
铝基复合材料在航空、航天和汽车领域都有广泛的应用。在一些结构件中，要求复合材料既要有足够的强度和刚度，又要具备良好的导热性能和耐磨性能，例如车轮上使用的制动鼓，它必须具备良好的综合力学性能(高强度和高韧性)以承受很高的扭矩载荷，又要有优异的摩擦磨损性能以实现制动功能，同时还要求其具有高的热导率以释放摩擦产生的大量热量。这样苛刻的要求是单一铝合金或单一铝基复合材料都难以满足的。单一铝合金(如锻造铝合金和超硬铝合金)虽然能够保证结构件优异的综合力学性能，但是不能满足局部耐磨性能要求。单一铝基复合材料(Metal matrix composites，MMC)虽然能满足耐磨性能和热物理性能优异的要求，但是存在材料延性低的问题，使复合材料缺乏足够的韧性， 降低了疲劳强度。此外，单一铝基复合材料很难进行钻孔及其它机加工处理。若将高强铝合金和耐磨铝基复合材料结合起来，就能充分发挥两个组元的热物理性能和摩擦磨损性能优异的特性，同时保留了铝基复合材料轻量化的巨大优势。目前液相法制备铝基复合材料是将熔融铝合金通过加压浸渗或无压浸渗的方法渗入多孔陶瓷坯体，得到的单一铝基复合材料不能同时满足对力学性能、热物理性能和耐磨性能的要求。因此，需要采用硬质陶瓷颗粒或纤维进行强化。陶瓷相以多孔陶瓷坯体的形式引入，在铸造过程中将多孔陶瓷坯体置于需要增强的特殊部位进行选择性增强，并在压力作用下使熔融铝合金渗入多孔陶瓷坯体和填充模腔，合金凝固后相当于在铸件中嵌入了金属基复合材料增强体，而其余部位仍然为低成本、易加工的铸造铝合金。这种局部为金属基复合材料增强体的铝基复合材料称为新型MMC/A1复合材料，它不仅具有高的强度和刚度，还具有优异的热物理性能(高热导率和低热膨胀系数)和摩擦磨损性能。该方法为铝基复合材料的研发开辟了一条新路。新型MMC/A1复合材料在军工和民用领域都具有广阔的应用前景，适宜于制备一些刹车组件和发动机组件。在刹车组件中，可以应用该技术来制备制动鼓、离合器片、制动盘和制动钳。在发动机组件中，这种新型MMC/A1复合材料可以用作铝合金活塞、气缸套或连杆等零部件。将这种新型MMC/A1复合材料替代军用车辆中的铸铁制动鼓及履带板等结构件将会起到显著的减重效果，对武器装备的轻量化，以及机动性和设计自由度具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种陶瓷坯体选择性增强铝基复合材料的制备工艺。通过挤压铸造将高强铝合金基体和局部MMC增强体结合为一个整体，能充分将铝基体的高强度、 高韧性和MMC增强体的耐磨损、热物理性能优异的特性发挥出来。本专利技术制备选择性增强铝基复合材料的工艺主要分为两个步骤第一是多孔陶瓷坯体的制备；第二是挤压铸造，一体化成形。1.多孔陶瓷坯体的制备多孔陶瓷坯体采用“添加造孔剂+注射成形法”和“添加造孔剂+凝胶注模法”两种工艺来制备1.1添加造孔剂+注射成形法多孔陶瓷坯体的主要原料为粒径为1(Γ106 μ m的SiC粉末。纯度大于98%的A1203、 IO3和SiO2粉末作为烧结助剂。粒径为10(Γ600μπι的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)充当造孔剂，PMMA适合用作注射成形工艺的造孔剂，这是因为其起始分解温度为340°C，完全脱除温度为425°C，因此在混炼温度(145-175°C)下不会发生分解，可以占据坯体中一定的空间。 此外，还添加了一种无机粘结剂。首先将Al2O3J2O3和SW2粉末按6:3:1的重量比混合均勻后制得Al2O3-Y2O3-SW2 烧结助剂。然后在SiC粉末中添加5 30wt. %的Al2O3-Y2O3-SiA烧结助剂和广5wt. %的无机粘结剂(如硅酸纳等)，从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加1(Γ40体积％的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在球磨机上以15(Γ250转/分的速度混合8l4h。 混合均勻后的粉末B与多聚物组元石蜡基粘结剂(45 70wt. %石蜡、l(T25wt. %高密度聚乙烯、15 20wt. %聚丙烯和5 10重量硬脂酸)在双辊挤压机上进行混炼而得到均勻喂料，粉末 B占喂料的5(Γ68体积％。随后将该喂料在粉末注射成形机上以145 175°C的注射温度和 75 125MI^的注射压力成形，得到所需形状的预成型坯。预成型坯先在三氯乙烯溶液中进行溶剂脱脂以脱除部分粘结剂后，然后以30°C /小时的速度升温到40(T80(TC以去除大部分粘结剂和造孔剂，最后于120(Γ1700 的温度下在真空气氛或空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。1. 2添加造孔剂+凝胶注模法注射成形技术在制备大尺寸陶瓷坯体时比较困难，采用凝胶注模法能克服这个缺点， 它能实现大尺寸、复杂形状多孔陶瓷坯体的近终成形。采用水基丙烯酰胺凝胶体系对陶瓷粉末进行凝胶注模成形，通过调节造孔剂的添加量来控制孔隙度。首先将单体(丙烯酰胺) 和交联剂(N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺)按质量比为10:广40:1进行配比，并按总的质量浓度为109Γ30%溶于去离子水中制成均一透明的预混液，然后向预混液中加入1. 1节中得到的混合粉末B和混合粉末B体积0. 19Γ5%的分散剂(氨水)和0. 059Γ3%的消泡剂(异辛醇)后进行搅拌混合，在队保护气氛下球磨8l4h获得悬浮浆料。经过真空除泡后，将浆料注入模具并于40°C 80°C保温使凝胶反应充分进行，浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体，该坯体再经过真空恒温干燥就获得预成型坯。预成型坯以30°C /小时的速度升温到40(T80(TC 以去除粘结剂和造孔剂，然后于120(Tl70(rC的温度下在真空或空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。2. 挤压铸造一体化成形采用挤压成形-挤压铸造一体化成形技术来制备新型MMC/A1复合材料。图2所示为挤压铸造工艺制备陶瓷坯体选择性增强铝基复合材料的示意图。选用了两种成分的高强铝合金一种铝合金的成分为6. 5^8wt. %Si、3. 5^4. 5wt. %Cu和余量Al。另一种铝合金的成分为6 9wt. %Zn,广3wt. %Mg，广3wt. %Cu和余量Al。首先将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的4部位，随后在75(T110(TC的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入模具中以避免坯体位移、出现裂纹和发生紊流，接着在2(T50MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔， 浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体。高的压力有助于多孔陶瓷坯体被完全填充，并有效的减少了铸造缺陷。图3所示为一种新型MMC/A1复合材料的显微组织，可见多孔陶瓷坯体已经被铝合金完全填充，陶瓷颗粒在基体中的分布均勻，铝合金和 MMC增强体之间的界面冶金结合良好。本专利技术的优点主要体现在以下几个方面(1)多孔陶瓷坯体具有可设计性。可根据具体使用要求对多孔陶瓷坯体的几何形状、 尺寸、成分(摩擦组元和润滑组元的含量)、孔隙度进行设计并选择合适的制备方法。(2)挤压铸造实现一体化成形。金属基复合材料增强体(MMC)在复合材料中并不仅仅是一个简单的衬底。MMC增强体在挤压铸造一体化成形过程中已经和铝合金基体形成一个有机整体，避免了由于本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种陶瓷颗粒选择性增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：制备方法分为两个步骤：步骤一是多孔陶瓷坯体的制备；步骤二是挤压铸造，一体化成形；步骤一、多孔陶瓷坯体的制备多孔陶瓷坯体采用“添加造孔剂＋注射成形法”或“添加造孔剂＋凝胶注模法”来制备：１）添加造孔剂＋注射成形法多孔陶瓷坯体的主要原料为粒径为１０～１０６μｍ的ＳｉＣ粉末，采用纯度大于９８％的Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３和ＳｉＯ２粉末作为烧结助剂，用粒径为１００－６００μｍ的聚甲基丙烯酸甲脂充当造孔剂，还添加多聚物组元石蜡基粘结剂；首先将Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３和ＳｉＯ２粉末按６：３：１的重量比混合均匀后制得Ａｌ２Ｏ３－Ｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２烧结助剂；然后在ＳｉＣ粉末中添加ＳｉＣ粉末重量的５～３０％的Ａｌ２Ｏ３－Ｙ２Ｏ３－ＳｉＯ２烧结助剂和１～５％的无机粘结剂，得到混合粉末Ａ；在混合粉末Ａ中添加Ａ体积的１０～４０％的造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂得到混合粉末Ｂ；将混合粉末Ｂ在球磨机上以１５０～２５０转／分的速度混合８～２４小时，向混合均匀的粉末Ｂ中加入多聚物组元石蜡基粘结剂后在双辊挤压机上进行混炼而得到均匀喂料，其中粉末Ｂ占喂料体积的５０～６８ ％；将该喂料在粉末注射成形机上以１４５～１７５℃的注射温度和７５～１２５ＭＰａ的注射压力成形，得到所需形状的预成型坯；预成型坯先在三氯乙烯溶液中进行溶剂脱脂以脱除部分粘结剂后，然后以０．５～５℃／分的速度升温到４００～８００℃以去除大部分粘结剂和造孔剂，最后于１２００～１７００℃的温度下在真空气氛或空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体；２）添加造孔剂＋凝胶注模法采用水基丙烯酰胺凝胶体系对陶瓷粉末进行凝胶注模成形，通过调节造孔剂的添加量来控制孔隙度；首先将丙烯酰胺和Ｎ，Ｎ’－亚甲基双丙烯酰胺按质量比为１０：１～４０：１进行配比，并按总的质量浓度为１０％～３０％溶于去离子水中制成均一透明的预混液，然后向预混液中加入步骤１）得到的混合粉末Ｂ、混合粉末Ｂ体积的０．１％～５％的氨水和混合粉末Ｂ体积的０．０５％～３％的异辛醇后进行搅拌混合，在Ｎ２保护气氛下球磨８～２４ｈ 获得悬浮浆料；经过真空除泡后，将浆料注入模具并于４０℃～８０℃保温使凝胶反应充分进行，浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体，该坯体再经过真空恒温干燥后获得预成型坯；预成型坯以３０℃／小时的速度升温到４００～８００℃以去除粘结剂和造孔剂，然后于１２００～１７００℃的温度下在真空或空气气氛中烧结，从而得到多孔陶瓷坯体；步骤二、挤压铸造一体化成形选用高强铝合金采用挤压成形－挤压铸造一体化成形技术来制备新型ＭＭＣ／Ａｌ复合材料；所选用的高强铝合金成分重量百分含量为：６．５～８％的Ｓｉ、３．５～４．５％的Ｃｕ和余量的Ａｌ；首先将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在７５０～１１００℃的温度范围内将熔融高强铝合金缓慢注入模具中；在２０～５０ＭＰａ的压力下强制熔融高强铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曲选辉，章林，何新波，任淑彬，秦明礼，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。