硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及新材料【技術領域】，具體地說是涉及一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料及制備方法。本發(fā)明硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料體積分數(shù)配比：硼酸鎂晶須3%(體積分數(shù))；碳化硅粒子3%(體積分數(shù))；余量為鋁合金。本發(fā)明的制備方法是：混合性增強體的制備；攪拌鑄造法制備混雜型鋁基復合材料鑄錠；熱擠壓錠坯。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過合理的設計工藝制備了硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混雜雙相增強的鋁基復合材料，改善了碳化硅粒子在制備過程中沉降現(xiàn)象嚴重的問題，提高了晶須在復合材料中的分散性，晶須和粒子在復合材料中起到了協(xié)同增強效應，有效地提高了鋁基復合材料的力學性能。
【專利說明】硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及新材料【技術領域】，具體地說是涉及一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料及制備方法。
【背景技術】
[0002]目前對單一碳化硅粒子和單一硼酸鎂晶須增強的復合材料研究較多。但是對硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混雜增強的鋁基復合材料研究尚未見報導。金培鵬課題組對硼酸鎂晶須增強的鎂基復合材料的制備工藝以及性能進行了全面的研究，發(fā)現(xiàn)硼酸鎂晶須的引入有效的提高了鎂基復合材料的力學性能和摩擦磨損性能，高溫下的穩(wěn)定性得到改善，但是本研究制得的復合材料為高體積分數(shù)，采用的工藝為真空氣壓滲流法，并且基體為鎂合金。同時本課題組利用攪拌鑄造法制備了低體積分數(shù)硼酸鎂晶須增強的鋁基復合材料，復合材料的摩擦磨損性能相比基體合金有了一定的提高，但是晶須在基體合金的中團聚現(xiàn)象比較嚴重，因此解決晶須在基體合金中的分散性問題，是提高低體積分數(shù)硼酸鎂晶須增強鋁基復合材料力學性能的關鍵。
[0003]肖代紅和黃伯云研究表明利用攪拌鑄造法制備的碳化硅粒子增強的鋁基復合材料相對基體合金其硬度和耐磨性能雖有了大幅提高，但拉伸性能卻明顯降低。這主要是由于碳化硅粒子存在尖銳的邊角，同時粒子與基體間的熱錯配較大，因此在尖銳的邊角前沿會產(chǎn)生巨大的內(nèi)應力，造成嚴重的應力集中，當復合材料受到外力時，尖角部位很易劃傷基體，從而產(chǎn)生微裂紋，微裂紋不斷萌生擴散，因而使復合材料的拉伸性能急劇降低。同時利用攪拌鑄造法制備復合材料時粒子出現(xiàn)沉降，造成局部富集，對提高復合材料的性能也會造成不利影響。
[0004]呂映賓等利用混合鹽原位反應方法制備了SiC、TiB2雙相混雜顆粒增強的鋁基復合材料，和單一顆粒增強的復合材料相比，由于顆粒的混雜協(xié)同增強效應，使得混雜復合材料的彈性模量以及拉伸性能具有了明顯的提升。并且碳化硅顆粒的沉降現(xiàn)象得到了明顯的抑制，使粒子在復合材料中的分散趨于均勻。Byung-Chul Ko和Yeon-Chul Yoo利用粉末冶金法制備了一系列不同配比的SiCw和SiCp增強的鋁基復合材料，對復合材料的力學性研究表明，當SiCw和SiCp的配比為1:1時，復合材料會獲得最高的強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料及制備方法。
[0006]本發(fā)明的制備方法是:混合性增強體的制備；攪拌鑄造法制備混雜型鋁基復合材料鑄錠；熱擠壓錠坯。
[0007]本發(fā)明硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料體積分數(shù)配比:
硼酸鎂晶須3% (體積分數(shù))；
碳化硅粒子3% (體積分數(shù))；余量為招合金；
鋁合金是:6000系列鋁合金，合金牌號為6061，化學成分(質(zhì)量百分比wt%):Mg-0.86%, S1-0.65%, Cu-0.25%, Mn-0.15%, Zn-0.25%, Cr-0.15%, T1-0.15%, Fe-0.7%Al-余量。
[0008]本發(fā)明的制備方法包括如下步驟:
(1)混合型增強體的制備步驟
(1.1)基體和增強體的計算與稱量；
首先將6061鋁錠稱量好，然后根據(jù)鋁錠的質(zhì)量計算并稱量硼酸鎂晶須和碳化硅粒子，使得兩種增強體的體積分數(shù)各占3% ；
(1.2)增強體的混粉研磨；
將稱量好的硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分鐘，使得兩種增強體初步混合，并使宏觀團聚到一起的晶須和粒子進行初步的分散；
(1.3)超聲分散;
將混合后兩種增強體粉末轉(zhuǎn)移到一大容量燒杯中，并加入適量的酒精，是酒精將增強體粉末充分淹沒，將燒杯放入超聲器皿中進行超聲分散40分鐘；
(1.4)烘干
將超聲后的混合增強體粉末放入一立式烘箱中，溫度恒定80°C，水平送風，對粉末進行烘干24小時；
(2)攪拌鑄造法制備鑄態(tài)復合材料鑄錠步驟 (2.1)熔化鋁合金；
將預先稱量好的6061鋁合金鑄錠放入一鋼坩堝，用中頻感應電爐加熱至750°C，待鋁合金完全融化后，將中頻感應電爐功率調(diào)小，并將招液溫度控制在640 C，使招液保持半固態(tài)；
(2.2)機械攪拌；
將攪拌器插入到鋁液中，使其居于坩堝中心，開啟攪拌器，使其轉(zhuǎn)速控制在350r/min，此時在鋁液表面產(chǎn)生一漩渦，將混合增強體粉末緩慢的加入到漩渦中，使其隨漩渦卷入到鋁液中，增強體粉末完全加入后，再持續(xù)攪拌20分鐘；
(2.3)超聲處理；
將一功率超聲發(fā)生器插入到鋁液中，同時將中頻感應電爐功率調(diào)大，重新將溫度升高到750°C，開啟超聲波，持續(xù)超聲10分鐘；
(2.4)澆鑄
超聲完畢后，關閉感應電爐，施復合材料熔體稍作冷卻，然后澆鑄到一事先預熱好的石墨模具中，模具預熱溫度為300°C，冷卻后得到鑄態(tài)復合材料鑄錠； (3)熱擠壓錠坯步驟
熱擠壓在200t型材臥式輕合金擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，加熱錠坯溫度到400~450°C范圍，擠壓模具加熱到400°C ;將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min后開始擠壓，擠壓比為10:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ90mm，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內(nèi)錠坯流出?？?；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，制備完成。
[0009]本發(fā)明一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料及制備方法與現(xiàn)有技術相比較有如下有益效果:本發(fā)明一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材及制備方法是針對鋁基復合材料中增強方式進行改進的制備工藝。通過合理的設計工藝制備了硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混雜雙相增強的鋁基復合材料。改善了碳化硅粒子在制備過程中沉降現(xiàn)象嚴重的問題，提高了晶須在復合材料中的分散性，晶須和粒子在復合材料中起到了協(xié)同增強效應，有效地提高了鋁基復合材料的力學性能。
[0010]由于硼 酸鎂晶須與鋁基體潤濕性不好，在熔融的鋁液中不易分散，團聚現(xiàn)象嚴重，同時碳化硅粒子在鋁液中沉降現(xiàn)象嚴重，會造成局部富集，從而造成單一增強的鋁基復合材料性能不夠理想。本發(fā)明通過合理的工藝設計，采用晶須和碳化硅粒子雙相混雜增強方式，有效地改善了晶須在鋁基體中的分散性，延緩了制備過程中碳化硅粒子在鋁液中的沉降速度，消除了碳化硅粒子的富集現(xiàn)象，有效地提高了復合材料的力學性能。本發(fā)明采用攪拌鑄造法制備硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混雜雙相增強的鋁基復合材料，在機械攪拌鑄造過程中借助粒子在鋁液中易分散的特性(粒子與鋁基體具有良好的潤濕性)來打散晶須的團聚，同時晶須的引入增加了鋁熔液的動力學粘度，從而延緩了粒子的沉降速度。通過表征分析，發(fā)現(xiàn)碳化硅粒子以及晶須在基體合金中分散性良好，相比單一晶須增強的鋁基復合材料，混雜復合材料中晶須具有更加良好的分散性，并且碳化硅粒子的沉降現(xiàn)象得到了有效的抑制，復合材料中幾乎未發(fā)現(xiàn)粒子富集區(qū)域。粒子和晶須間的相互作用使得它們在基體中分散更加均勻，有效的提高了復合材料的力學性能。
【具體實施方式】
[0011]下面結合實施例對本發(fā)明一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料及制備方法技術方案作進一步描述。
[0012]實施例1
[0013]一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料的配比為:硼酸鎂晶須和碳化硅粒子兩種增強體的體積分數(shù)各占3%，余量為鋁合金；其中鋁合金為:6000系列鋁合金，合金牌號為 6061，質(zhì)量百分比被％為:Mg-0.86%, S1-0.65%, Cu-0.25%, Mn-0.15%, Zn-0.25%,Cr-0.15%, T1-0.15%, Fe-0.7% Al-余量。
[0014]一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料的制備方包括如下步驟:
(I)混合型增強體的制備步驟:
(1.1)基體和增強體的計算與稱量
首先將6061鋁錠稱量好，然后根據(jù)鋁錠的質(zhì)量計算并稱量硼酸鎂晶須和碳化硅粒子，使得兩種增強體的體積分數(shù)各占3% ；
(1.2)增強體的混粉研磨
將稱量好的硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分鐘，使得兩種增強體初步混合，并使宏觀團聚到一起的晶須和粒子進行初步的分散；
(1.3)超聲分散
將混合后兩種增強體粉末轉(zhuǎn)移到一大容量燒杯中，并加入適量的酒精，是酒精將增強體粉末充分淹沒，將燒杯放入超聲器皿中進行超聲分散40分鐘；
(1.4)烘干
將超聲后的混合增強體粉末放入一立式烘箱中，溫度恒定80°C，水平送風，對粉末進行烘干24小時；
(2)攪拌鑄造法制備鑄態(tài)復合材料鑄錠步驟 (2.1)熔化鋁合金；
將預先稱量好的6061鋁合金鑄錠放入一鋼坩堝，用中頻感應電爐加熱至750°C，待鋁合金完全融化后，將中頻感應電爐功率調(diào)小，并將招液溫度控制在640 C，使招液保持半固態(tài)；
(2.2)機械攪拌；
將攪拌器插入到鋁液中，使其居于坩堝中心，開啟攪拌器，使其轉(zhuǎn)速控制在350r/min，此時在鋁液表面產(chǎn)生一漩渦，將混合增強體粉末緩慢的加入到漩渦中，使其隨漩渦卷入到鋁液中，增強體粉末完全加入后，再持續(xù)攪拌20分鐘；
(2.3)超聲處理；
將一功率超聲發(fā)生器插入到鋁液中，同時將中頻感應電爐功率調(diào)大，重新將溫度升高到750°C，開啟超聲波，持續(xù)超聲10分鐘；
(2.4)澆鑄
超聲完畢后，關閉感應電爐，施復合材料熔體稍作冷卻，然后澆鑄到一事先預熱好的石墨模具中，模具預熱 溫度為300°C，冷卻后得到鑄態(tài)復合材料鑄錠；
(3)熱擠壓錠坯步驟
熱擠壓在200t型材臥式輕合金擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，加熱錠坯溫度到400°C，擠壓模具加熱到400°C ;將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min后開始擠壓，擠壓比為10:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 90mm，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內(nèi)錠坯流出?？?；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，制備完成。
[0015]本發(fā)明中所使用的鋁合金基本性能為(室溫下):
彈性模量:69 GPa 抗拉強度:124 MPa 規(guī)定非比例延伸強度:116 MPa 伸長率:25.0%
本發(fā)明中所使用的硼酸鎂晶須基本性能為:
平均長度:10~50 μπι
平均直徑:0.2~6 μπι
密度:2.91 g/cm3
拉伸強度:3.92 GPa
彈性模量:264.6 GPa
本發(fā)明所使用的碳化硅粒子基本性能:
平均直徑:10 ym 密度:3.2 g/cm3 彈性模量:450 GPa 熱膨脹系數(shù):8.0X10_7°C
本發(fā)明中制備的混雜型鋁基復合材料的性能(室溫下):
抗拉強度:245 Mpa彈性模量:117.3 GPa 密度:2.71 ~2.73g/cm3 伸長率:10.2%
本發(fā)明中制備的混雜型鋁基復合材料在150°C溫度下的性能:
抗拉強度:196 MPa
規(guī)定非比例延伸強度:182 MPa
斷后伸長率:12.3%
本發(fā)明中制備的混雜型鋁基復合材料在250°C溫度下的性能:
抗拉強度:132 MPa
規(guī)定非比例延伸強度:129 MPa
斷后伸長率=15.4%。
[0016]實施例2
[0017]本發(fā)明硼酸鎂晶須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料配比與實施例1相同。硼酸鎂晶須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料的制備方包括如下步驟:
(1)混合型增強體的制備步驟:
(1.1)基體和增強體的計算與稱量
首先將6061鋁錠稱量好，然后根據(jù)鋁錠的質(zhì)量計算并稱量硼酸鎂晶須和碳化硅粒子，使得兩種增強體的體積分數(shù)各占3% ；
(1.2)增強體的混粉研磨
將稱量好的硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分鐘，使得兩種增強體初步混合，并使宏觀團聚到一起的晶須和粒子進行初步的分散；
(1.3)超聲分散
將混合后兩種增強體粉末轉(zhuǎn)移到一大容量燒杯中，并加入適量的酒精，是酒精將增強體粉末充分淹沒，將燒杯放入超聲器皿中進行超聲分散40分鐘；
(1.4)烘干
將超聲后的混合增強體粉末放入一立式烘箱中，溫度恒定80°C，水平送風，對粉末進行烘干24小時；
(2)攪拌鑄造法制備鑄態(tài)復合材料鑄錠步驟 (2.1)熔化鋁合金；
將預先稱量好的6061鋁合金鑄錠放入一鋼坩堝，用中頻感應電爐加熱至750°C，待鋁合金完全融化后，將中頻感應電爐功率調(diào)小，并將招液溫度控制在640 C，使招液保持半固態(tài)；
(2.2)機械攪拌；
將攪拌器插入到鋁液中，使其居于坩堝中心，開啟攪拌器，使其轉(zhuǎn)速控制在350r/min，此時在鋁液表面產(chǎn)生一漩渦，將混合增強體粉末緩慢的加入到漩渦中，使其隨漩渦卷入到鋁液中，增強體粉末完全加入后，再持續(xù)攪拌20分鐘；
(2.3)超聲處理；
將一功率超聲發(fā)生器插入到鋁液中，同時將中頻感應電爐功率調(diào)大，重新將溫度升高到750°C，開啟超聲波，持續(xù)超聲10分鐘；(2.4)澆鑄
超聲完畢后，關閉感應電爐，施復合材料熔體稍作冷卻，然后澆鑄到一事先預熱好的石墨模具中，模具預熱溫度為300°C，冷卻后得到鑄態(tài)復合材料鑄錠；
(3)熱擠壓錠坯步驟
熱擠壓在200t型材臥式輕合金擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，加熱錠坯溫度到425°C，擠壓模具加熱到400°C ;將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min后開始擠壓，擠壓比為10:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 90mm，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內(nèi)錠坯流出模孔；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，制備完成。
[0018]實施例3
[0019]本發(fā)明硼酸鎂晶 須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料配比與實施例1相同。硼酸鎂晶須與碳化硅粒子混雜雙相增強鋁基復合材料的制備方包括如下步驟:
(1)混合型增強體的制備步驟:
(1.1)基體和增強體的計算與稱量
首先將6061鋁錠稱量好，然后根據(jù)鋁錠的質(zhì)量計算并稱量硼酸鎂晶須和碳化硅粒子，使得兩種增強體的體積分數(shù)各占3% ；
(1.2)增強體的混粉研磨
將稱量好的硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分鐘，使得兩種增強體初步混合，并使宏觀團聚到一起的晶須和粒子進行初步的分散；
(1.3)超聲分散
將混合后兩種增強體粉末轉(zhuǎn)移到一大容量燒杯中，并加入適量的酒精，是酒精將增強體粉末充分淹沒，將燒杯放入超聲器皿中進行超聲分散40分鐘；
(1.4)烘干
將超聲后的混合增強體粉末放入一立式烘箱中，溫度恒定80°C，水平送風，對粉末進行烘干24小時；
(2)攪拌鑄造法制備鑄態(tài)復合材料鑄錠步驟 (2.1)熔化鋁合金；
將預先稱量好的6061鋁合金鑄錠放入一鋼坩堝，用中頻感應電爐加熱至750°C，待鋁合金完全融化后，將中頻感應電爐功率調(diào)小，并將招液溫度控制在640 C，使招液保持半固態(tài)；
(2.2)機械攪拌；
將攪拌器插入到鋁液中，使其居于坩堝中心，開啟攪拌器，使其轉(zhuǎn)速控制在350r/min，此時在鋁液表面產(chǎn)生一漩渦，將混合增強體粉末緩慢的加入到漩渦中，使其隨漩渦卷入到鋁液中，增強體粉末完全加入后，再持續(xù)攪拌20分鐘；
(2.3)超聲處理；
將一功率超聲發(fā)生器插入到鋁液中，同時將中頻感應電爐功率調(diào)大，重新將溫度升高到750°C，開啟超聲波，持續(xù)超聲10分鐘；
(2.4)澆鑄
超聲完畢后，關閉感應電爐，施復合材料熔體稍作冷卻，然后澆鑄到一事先預熱好的石墨模具中，模具預熱溫度為300°C，冷卻后得到鑄態(tài)復合材料鑄錠；(3)熱擠壓錠坯步驟
熱擠壓在200t型材臥式輕合金擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，加熱錠坯溫度到450°C，擠壓模具加熱到400°C ;將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min后開始擠壓，擠壓比為10:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 90mm，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內(nèi)錠坯流出?？?；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，制備完成。
【權利要求】
1.一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料，其特征在于:硼酸鎂晶須和碳化硅粒子兩種增強體的體積分數(shù)各占3%，余量為鋁合金；其中鋁合金為:6000系列鋁合金，合金牌號為 6061，質(zhì)量百分比 wt% 為:Mg-0.86%, S1-0.65%, Cu-0.25%, Mn-0.15%,Zn-0.25%, Cr-0.15%, T1-0.15%, Fe-0.7% Al-余量。
2.一種硼酸鎂晶須與碳化硅粒子增強鋁基復合材料的制備方法，其特征在于所述的制備方法包括如下步驟: (1)混合型增強體的制備步驟: (1.1)基體和增強體的計算與稱量 首先將6061鋁錠稱量好，然后根據(jù)鋁錠的質(zhì)量計算并稱量硼酸鎂晶須和碳化硅粒子，使得兩種增強體的體積分數(shù)各占3% ； (1.2)增強體的混粉研磨 將稱量好的硼酸鎂晶須和碳化硅粒子混合到一起，手工研磨30分鐘，使得兩種增強體初步混合，并使宏觀團聚到一起的晶須和粒子進行初步的分散； (1.3)超聲分散 將混合后兩種增強體粉末轉(zhuǎn)移到一大容量燒杯中，并加入適量的酒精，是酒精將增強體粉末充分淹沒，將燒 杯放入超聲器皿中進行超聲分散40分鐘； (1.4)烘干 將超聲后的混合增強體粉末放入一立式烘箱中，溫度恒定80°C，水平送風，對粉末進行烘干24小時； (2)攪拌鑄造法制備鑄態(tài)復合材料鑄錠步驟 (2.1)熔化鋁合金； 將預先稱量好的6061鋁合金鑄錠放入一鋼坩堝，用中頻感應電爐加熱至750°C，待鋁合金完全融化后，將中頻感應電爐功率調(diào)小，并將招液溫度控制在640 C，使招液保持半固態(tài)； (2.2)機械攪拌； 將攪拌器插入到鋁液中，使其居于坩堝中心，開啟攪拌器，使其轉(zhuǎn)速控制在350r/min，此時在鋁液表面產(chǎn)生一漩渦，將混合增強體粉末緩慢的加入到漩渦中，使其隨漩渦卷入到鋁液中，增強體粉末完全加入后，再持續(xù)攪拌20分鐘； (2.3)超聲處理； 將一功率超聲發(fā)生器插入到鋁液中，同時將中頻感應電爐功率調(diào)大，重新將溫度升高到750°C，開啟超聲波，持續(xù)超聲10分鐘； (2.4)澆鑄 超聲完畢后，關閉感應電爐，施復合材料熔體稍作冷卻，然后澆鑄到一事先預熱好的石墨模具中，模具預熱溫度為300°C，冷卻后得到鑄態(tài)復合材料鑄錠； (3)熱擠壓錠坯步驟 熱擠壓在200t型材臥式輕合金擠壓機上進行；擠壓前潤滑模具，加熱錠坯溫度到400~450°C范圍，擠壓模具加熱到400°C ;將加熱好的錠坯推入擠壓筒，保溫40min后開始擠壓，擠壓比為10:1，擠壓速率為0.6m/min，擠壓筒直徑為Φ 90mm，擠壓軸在主柱塞的作用下，迫使擠壓筒內(nèi)錠坯流出?？?；通過以上熱擠壓過程加工成棒材，制備完成。
【文檔編號】C22C21/08GK103981391SQ201410047478
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權日:2014年2月11日
【發(fā)明者】金培鵬, 王金輝, 王明亮, 朱云鵬, 唐彬彬, 吳震, 潘志強, 崔闖 申請人:青海大學