一种可调控Mg元素梯度分布的高强β-SiCnp增强铝基复合材料的制备方法

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、伴随着科学的发展和技术的进步，为应对越来越复杂的材料工作环境。金属基复合材料因其可设计性强以及诸多优异性能发展迅速。铝基复合材料又因轻质、高比刚度等特点成为金属基复合材料的研究热点。sic颗粒是一种具有熔点高、弹性模量高、硬度高、线膨胀系数低等优异性能的颗粒增强相。通过添加sic颗粒的铝基复合材料具有高强度、高模量、高耐磨性、低热膨胀系数、尺寸稳定性良好等特点，受到复合材料领域研究者的广泛关注。sic颗粒包括α-sicp和β-sicp。β-sicp具有与铝基相似的晶体结构，有利于提高sicp/al复合材料的性能。少量纳米颗粒的引入即可获得与高含量微米级颗粒增强复合材料相当的强度，而且塑性要优于微米颗粒增强的复合材料，因此有必要将微米级β-sicp颗粒转为纳米级碳化硅颗粒，即β-sicnp。但在sicnp的制备过程中，纳米颗粒由于其比表面积大的特性，其很难均匀扩散到基体合金中。同时sic颗粒与铝液之间润湿性较差，难以形成很好的界面结合的问题。

2、为此，需要一种既能解决β-sicnp颗粒团聚，使β-sicnp颗粒均匀分布在铝基体中，并使得β-sicnp与铝基体能够形成优异界面结合的铝基复合材料的制备方法。

3、粉末冶金法是将比例不同的粉末逐层排布，形成层状梯度材料，但成分阶梯变化明显，可制备的层数有限，并需要对材料进行致密化处理。离心铸造法是利用离心力获得梯度材料的方法，离心铸造法将具有密度差的成分分离，凝固后得到成分梯度变化的材料，存在的问题是不同成分间的分布的均匀性差，成分不能精确控制。激光熔覆法是将基体表面与熔覆层之间发生冶金结合，存在的问题是设备复杂，成本高昂。

技术实现思路

1、本发明为了解决β-sicnp颗粒团聚和β-sicnp与铝基体界面结合差问题、以及现有的梯度材料制备方法制备的材料的成分阶梯变化明显均匀性差的问题，提供了一种可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法。

2、本发明可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

3、一、称料：

4、称取β-sicnp粉末、铝合金粉和块体铝合金；

5、所述铝合金粉和块体铝合金的成分相同；

6、所述铝合金粉和块体铝合金中mg含量为1.5wt.％-4wt.％；

7、二、混合粉末：

8、首先对β-sicnp粉末进行加热预处理，然后处理后的β-sicnp粉末和步骤一称取的铝合金粉进行超声混合和烘干，得到混合粉末；

9、所述β-sicnp粉末的加热预处理工艺为：在1000℃-1200℃下保温1h；

10、三、大气环境下室温压力浸渗与合金元素梯度分布调控

11、将块体铝合金熔炼得到熔融的铝合金，将步骤二得到的混合粉末过筛后放入模具中冷压得到预制体，并预热预制体；在空气中室温下采用熔融的铝合金对冷压得到的预制体进行压力浸渗，得到β-sicnp增强铝基复合材料；

12、所述进行压力浸渗时的压力为40-200mpa；

13、所述块体铝合金和预制体的体积比为12：1；

14、四、材料的固溶时效：

15、将步骤三得到的β-sicnp增强铝基复合材料进行固溶时效处理，即完成；

16、所述固溶时效工艺为：在490-500℃固溶1-2h，然后在190-195℃时效8-10h。

17、本发明原理及有益效果：

18、1、相较于粉末冶金法、离心铸造法和激光熔覆法本发明选择大气环境下室温压力浸渗的方法获得的梯度复合材料，本发明借助增强体β-sicnp调控铝合金自身的mg元素的分布，在复合材料的制备过程中获得可控的mg元素梯度分布的复合材料。mg元素梯度分布表现为由表及里mg元素含量逐渐降低，制备的复合材料致密度高，β-sicnp-al的界面结合良好，可以承载更高的载荷。本发明在浸渗过程中，液态铝合金经过β-sic颗粒时由于β-sic经过高温氧化形成氧化膜，氧化膜与基体中的mg、al合金元素反应，合金中的mg元素被β-sic吸附，导致液态铝合金中mg元素含量减少，从而在液态铝合金向下浸渗过程中形成mg元素梯度分布。mg元素由表含量逐渐降低的梯度分布使得复合材料转变为梯度复合材料，能够缓和材料内部的应力，具有竹子、贝壳等应对内外不同的环境的能力。β-sic经过高温氧化形成的氧化膜使得基体中的mg元素、o元素和铝合金基体产生铝酸镁，促进界面结合；并且所采用的压力浸渗工艺属于液相烧结，通过熔融的铝合金基体使其与β-sicnp充分混合，因此本发明能够实现β-sicnp-al的界面结合良好，并提高致密度。

19、2、本发明选择β-sicp，相较于α-sicp，β-sicp具有与铝基相似的晶体结构，有利于提高sicp/al复合材料的性能。β-sicp颗粒粒径从微米级减小至纳米级后，颗粒内部所含本征缺陷少，所制备的复合材料性能更高。

20、3、本发明通过高温氧化处理掉β-sicnp表面上的杂质，并在表面形成氧化层，提高β-sicnp的润湿性，有利于β-sicnp与合金粉末的混合，减小在实验过程中杂质对实验造成的误差。再结合对粉末损伤小的液相分散与超声波技术将β-sicnp与合金粉末混合，以及使用无水乙醇作为分散介质，可以使β-sic粉末具有很好的分散稳定性。

21、4、本发明通过固溶时效处理，既促进β-sicnp颗粒对铝合金基体内mg元素的调控，防止出现mg元素在铝基体内某处聚集的情况，利于mg元素在不同浓度范围内分布，拓展β-sicnp增强铝基复合材料功能性使用；又促进mg元素在不同浓度范围内以细小的第二相颗粒形式存在，改善初始的复合材料的热加工性和力学性能。通过与mg元素相关的金属间化合物(纳米弥散体)作为形核点，促进非均匀形核，控制晶粒尺寸的大小，细化晶粒。

技术特征：

1.一种可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述铝合金粉材质为2024铝合金。

3.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述β-sicnp粉的平均粒径为50-150nm。

4.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述铝合金粉末的平均粒径为5-15μm。

5.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述β-sicnp粉末和铝合金粉的质量比为29-31：1。

6.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述超声混合在无水乙醇中进行，超声混合时间为14-16min。

7.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述烘干的温度为100℃，时间为5-7小时。

8.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述冷压的压力5-120mpa，保压时间为5-25min。

9.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述预制体的预热温度为100-200℃。

10.根据权利要求1所述的可调控mg元素梯度分布的高强β-sicnp增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述块体铝合金的熔炼温度为650℃。

技术总结
一种可调控Mg元素梯度分布的高强β?SiCnp增强铝基复合材料的制备方法，涉及一种铝基复合材料的制备方法。为了解决β?SiCnp颗粒团聚和β?SiCnp与铝基体界面结合差问题、以及现有的梯度材料制备方法制备的材料的成分阶梯变化明显均匀性差的问题。本发明借助增强体β?SiCnp调控铝合金自身的Mg元素的分布，在复合材料的制备过程中获得可控的Mg元素梯度分布的复合材料。Mg元素梯度分布表现为由表及里Mg元素含量逐渐降低，制备的复合材料致密度高，β?SiCnp?Al的界面结合良好，可以承载更高的载荷，并提高致密度。

技术研发人员：陈国钦,韩智超,王平平,鞠渤宇,马媛媛,武高辉
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8