一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及颗粒增强金属基复合材料技术领域，具体为一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

2.颗粒增强铝基合金是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它集低膨胀、高导热、高强轻质三大特性于一身，成为航空航天、汽车以及电子通信等领域亟待推广的高新材料。颗粒增强铝合金以其基体合金可选择范围宽、成本低、易于用传统工艺方法制备和加工、能实现批量和大规模生产、制备的材料表现出良好的尺寸稳定性和各向同性而备受瞩目。颗粒增强铝合金用于制造车辆发动机的汽缸体和缸盖等部件，在保留合金材质优点的同时，可进一步改善发动机部件的强度、耐磨性、耐热性和抗疲劳性能。例如，sicp/al复合材料活塞应用于摩托车及小型汽车的发动机。部分发达国家已经将颗粒增强铝基复合材料应用于军用战斗机的腹鳍，相比于传统的铝合金材料，它将材料的刚度提高了50％，并且使用寿命也从原来的400h 提高到6000h。另外，用精密铸造、挤压铸造和粉末冶金等方法制备的颗粒增强铝合金，可以减小由于应力释放而产生的变形，提高材料的尺寸稳定性，同时还具有高的比强度、阻尼和谐振频率，减小振动放大。
3.目前用于颗粒增强铝基合金制备的主要方法包括粉末冶金、铸造法等，其中铸造法工艺流程简单，成本较低，适合批量生产，是该领域的重要研发方向。而现有的颗粒增强铝基合金所用的增强颗粒主要为陶瓷颗粒(al2o3、 sic等)为主，但陶瓷颗粒与金属熔体润湿性很差，界面结合不良。如何将其良好的引入熔体，并分散均匀化，是铸造法制备颗粒增强铝基合金的技术难点。

技术实现要素：

4.针对背景技术中提出的现有球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，具备增强颗粒在基体中分散均匀，两者结合良好的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。
5.本发明提供如下技术方案：一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：其结构特点如下：
6.(1)金属基体为铝合金，凝固温度区间为20℃至50℃；
7.(2)金属基体中包含1％-30％的颗粒增强体，颗粒增强体直径尺寸在1至 100μm之间，且均匀分散于基体中；基于扩散时间长短，颗粒增强体从颗粒界面至核心，梯度分布着全部或部分alcu金属间化合物层、cual固溶体、纯铜组织。
8.(3)颗粒增强体为原位自生。
9.优选的，所述金属基体为alsi系的a356铸造铝合金。
10.优选的，所述颗粒增强体形态为球形。
11.优选的，所述梯度alcu金属间化合物层指靠近铝侧的al2cu，靠近铜侧的al4cu9，以及处于两者间的alcu三层金属间化合物。
12.制备上述球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
13.步骤一、以铝合金为基体材料，将其在熔炉中升温至680-720℃保温熔化；
14.步骤二、铝合金基体材料熔化后，向熔炉中撒入除渣剂，并保温10-30 分钟；
15.步骤三、将铝合金基体材料熔体表面的浮渣撇除，加入铝合金变质剂进行变质处理，变质剂为altib或alsr合金；
16.步骤四、将变质处理后的铝合金基体材料熔体降温至580℃-630℃区间后保温，形成半固态浆料；
17.步骤五、使用螺旋搅拌杆深入步骤四的所形成的液面之下，控制杆底距离熔体底面5-10cm，搅拌速度200-800rpm，使液面形成涡旋；
18.步骤六、在液面漩涡附近分批加入铜粉，加入时间在2-5分钟，铜粉加入完成后继续搅拌2-5分钟，静置形成浆料；
19.步骤七、将步骤六形成的浆料取出制胚，供后续半固体铸造成形或将浆料快速升温640-680℃后快速浇注成形。
20.优选的，步骤五中，为加快铜粉与铝液间的快速充分混合，多个螺旋杆在坩埚熔体空间内横向和纵向截面上需均匀分布排列，不留或少留搅拌死角。
21.优选的，步骤6中，加入的铜粉颗粒形态为球形，直径尺寸在1-100μm 之间。
22.优选的，步骤四至步骤六过程中，同步在熔体表面吹入惰性保护气体，降低熔体表面氧气含量，减少铝液及铜粉表面氧化及氧化物卷入熔体内部。
23.优选的，所述步骤六至步骤七过程中，铜粉的加入搅拌分散和静置时间应控制在10分钟以内；
24.优选的，所述步骤三至步骤七过程中，从加入变质剂至浇注成形过程时间应在1小时内，防止变质衰退。
25.本发明具备以下有益效果：
26.铜增强相颗粒在加入和分散过程为金属材质，与铝合金熔体间无润湿不良或困难现象，因此增强颗粒可加入比例上限较高。
27.1、本发明选择在铝合金基体熔体将温至低温度区间，并将一定尺寸的球形或类球形铜颗粒粉末，通过一至多个搅拌杆快速导入熔融态铝合金浆料内部，在短时间内分散均匀后快速铸出。高熔点的金属颗粒与低熔点铝合金基体润湿良好，并通过扩散机制原位自生形成了球形形态与结合界面良好的 alcu金属间化合物增强相。该方法制备的铝铜金属间化合物形状可控，且硬度较高，分散均匀，界面冶金结合紧密，因而在综合力学性能和耐热耐磨损性能等方面均有明显提升。
28.2、本发明通过选择凝固温度低的铜颗粒加入铝合金基体熔体中，在铝合金尚处于熔融的液固温度区间时，在多搅拌杆和快速搅拌下铜颗粒在铝合金浆料中的分散速度快，且由于铜颗粒在高温区停留时间短的原因，使得铜颗粒能保持良好的初始形态而不融入铝基体中，而是在搅拌期间和后期冷却过程在扩散机制作用下原位自生形成部分乃至全部的alcu金属化合物，提高了 alcu金属化合物的含量，从而进一步提高复合材料的性能。
附图说明
29.图1为30wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金组织低倍图；
30.图2为30wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金组织高倍图；
31.图3为30wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金能谱面扫分析图；
32.图4为30wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金与a356铝合金硬度对比；
33.图5为10wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金组织低倍图；
34.图6为10wt％球状alcu颗粒增强a356铝合金与a356铝合金硬度对比。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例中所用a356铝合金化学成分如下表1所示：
37.表1 a356铝合金化学成分(wt.％)
[0038][0039]
实施例一：
[0040]
一种原位自生的球形alcu金属间化合物颗粒增强的a356铝合金，其alcu 颗粒质量百分比为30％，颗粒直径均值为30μm，如图1、图2所示，颗粒球形度良好，能谱结果如图3所示，球形黑区域成分为alcu金属间化合物。维氏硬度结果如图4所示，较常规a356铝合金提升明显。
[0041]
制备工艺包括如下步骤：
[0042]
步骤一、以a356铝合金为基体材料，将其在熔炉中升温至720℃保温熔化；
[0043]
步骤二、熔化后撒入除渣剂保温15分钟；
[0044]
步骤三、熔体表面撇渣，加入altib变质剂；
[0045]
步骤四、熔体降温至630℃后保温；
[0046]
步骤五、降下呈品字分布的三个螺旋搅拌杆并深入液面，控制杆底距离坩埚底部5cm，搅拌速度800rpm；
[0047]
步骤六、在搅拌杆漩涡附近分批加入铜粉，加入时间控制在2分钟以内；加粉完成后继续搅拌2分钟，静置形成浆料；
[0048]
步骤七、将步骤六形成的浆料直接取出制胚，供后续半固体铸造成形。
[0049]
实施例二、
[0050]
一种原位自生的球形alcu金属间化合物颗粒增强的a356铝合金，与实施例一不同的是：其alcu颗粒质量百分比为10％，颗粒直径的均值也为30μ m，如图5所示，颗粒球形度良好，维氏硬度结果图6所示，较常规a356铝合金提升明显。
[0051]
制备工艺包括如下步骤：
[0052]
步骤一、以a356铝合金为基体材料，将其在熔炉中升温至680℃保温熔化；
[0053]
步骤二、熔化后撒入除渣剂保温30分钟；
[0054]
步骤三、表面撇渣，加入alse变质剂；
[0055]
步骤四、降温至590℃后保温；
[0056]
步骤五、降下单螺旋搅拌杆并深入液面，控制杆底距离坩埚底部5cm；搅拌速度200rpm；
[0057]
步骤六、在搅拌杆漩涡附近分批加入铜粉，加入时间控制在5分钟以内；加粉完成后继续搅拌5分钟，静置形成浆料；
[0058]
步骤七、将浆料快速升温640-680℃后快速浇注成形。
[0059]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0060]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：其结构特点如下：(1)金属基体为铝合金，凝固温度区间为20℃至50℃；(2)金属基体中包含1％-30％体积比的颗粒增强体，颗粒增强体直径尺寸在1至100μm之间，且均匀分散于基体中；基于扩散时间长短，颗粒增强体从颗粒界面至核心，梯度分布着全部或部分alcu金属间化合物层、cual固溶体、纯铜组织。(3)颗粒增强体为通过扩散机制原位自生。2.根据权利要求1所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述金属基体优选为alsi系的a356铸造铝合金。3.根据权利要求1所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述颗粒增强体形态为球形。4.根据权利要求1所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述梯度alcu金属间化合物层指靠近铝侧的al2cu，靠近铜侧的al4cu9，以及处于两者间的alcu三层金属间化合物。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、以铝合金为基体材料，将其在熔炉中升温至680-720℃保温熔化；步骤二、铝合金基体材料熔化后，向熔炉中撒入除渣剂，并保温10-30分钟；步骤三、将铝合金基体材料熔体表面的浮渣撇除，加入铝合金变质剂进行变质处理，变质剂为altib或alsr合金；步骤四、将变质处理后的铝合金基体材料熔体降温至580℃-630℃区间后保温，形成半固态浆料；步骤五、使用螺旋搅拌杆深入步骤四的所形成的液面之下，控制杆底距离熔体底面5-10cm，搅拌速度200-800rpm，使液面形成涡旋；步骤六、在液面漩涡附近分批加入铜粉，加入时间在2-5分钟，铜粉加入完成后继续快速搅拌2-5分钟，静置形成浆料；步骤七、将步骤六形成的浆料取出制胚，供后续半固体铸造成形，或将浆料快速升温640-680℃后快速浇注成形。6.根据权利要求5所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤五中，为加快铜粉与铝液间的快速充分混合，多个螺旋杆在坩埚熔体空间内横向和纵向截面上需均匀分布排列。7.根据权利要求5所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤6中，加入的铜粉颗粒形态为球形，直径尺寸在1-100μm之间。8.根据权利要求5所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤四至步骤六过程中，同步在熔体表面吹入惰性保护气体，降低熔体表面氧气含量，减少铝液及铜粉表面氧化及氧化物卷入熔体内部。9.根据权利要求5所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六至步骤七过程中，铜粉的加入搅拌分散和静置时间应控制在10分钟以内。10.根据权利要求5所述的一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法，
其特征在于：所述步骤三至步骤七过程中，从加入变质剂至浇注成形过程时间应在1小时内，防止变质衰退。

技术总结

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料技术领域，且公开了一种球形金属间化合物颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。针对铸造法在铝合金熔体中导入陶瓷颗粒增强相困难，界面结合差的问题，本发明选择在铝合金基体熔体将温至低温度区间，并将一定尺寸的球形或类球形铜颗粒粉末，通过一至多个搅拌杆快速导入熔融态铝合金浆料内部，在短时间内分散均匀后快速铸出。高熔点的金属颗粒与低熔点铝合金基体润湿良好，并通过扩散机制原位自生形成了球形形态与结合界面良好的AlCu金属间化合物增强相。该方法制备的铝铜金属间化合物形状可控，且硬度较高，分散均匀，界面冶金结合紧密，因而在综合力学性能和耐热耐磨损性能等方面均有明显提升。学性能和耐热耐磨损性能等方面均有明显提升。学性能和耐热耐磨损性能等方面均有明显提升。