一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法与流程

本发明属于铝基复合材料制备领域，具体涉及一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法。

背景技术：

随着金属基复合材料的快速发展，颗粒增强铝基复合材料作为一种具有潜在应用前景的材料，因其比刚度高、比强度高、热膨胀系数小、耐磨、耐热性能好及优良的尺寸稳定性等优异特点，可取代钢铁材料、铝合金及钛合金，制造出高性能轻量化零件，因而被广泛应用于航空航天结构件、先进武器、汽车零部件、轨道交通以及运动器材等。目前，颗粒增强铝基复合材料的增强相大多数选用单一粒度尺度的增强相，对单一纳米尺度颗粒增强或单一微米尺度颗粒增强铝基复合材料的制备已进行了大量研究。

随着对铝基复合材料的深入研究，人们开始关注用多种粒度尺度的颗粒增强的铝基复合材料，一般不同粒度尺度的增强颗粒在基体中所起到的作用不同，纳米粒度尺度增强颗粒在基体中的弥散强化作用较好，可有效提高铝基复合材料的强度；微米粒度尺度增强颗粒在基体中起到骨架支撑作用，可大幅度提高复合材料的整体硬度和耐磨性。与单一增强相比，通过多种尺度增强颗粒及多种类增强颗粒之间的相互作用以及混杂效应，可以保持各增强相的优势，可以得到高硬度高耐磨性的混杂颗粒增强铝基复合材料，用于发动机活塞、缸套、刹车盘等轻质耐磨件，而且可降低材料的成本。

申请号为201711096425.7的中国发明专利申请公开了一种双尺度sic颗粒增强铝基复合材料的制备方法，首先将微米级和纳米级sic粉末预热，其次将纳米级sic粉末与基体粉末混料真空球磨，然后向磨后的粉末中加入微米级sic颗粒混料进行二次真空球磨，最后将上述混合颗粒装入石墨模具中，在真空烧结压机上进行真空热压获得双尺度sic颗粒增强铝基复合材料。申请号为201710636951.1的中国专利申请介绍了一种混杂增强铝基复合材料及其制备方法，材料的基体为铝或铝合金，增强相为纳米级sic颗粒与其他纳米颗粒，首先在真空或氩气保护下，纳米sic粉末、其他一种或多种纳米颗粒、微米级铝或铝合金粉混合制备毫米级复合材料；然后，将毫米级复合颗粒压成预制中间合金块，再添加到铝或铝合金熔体中，经过精炼、除气处理，扒去浮渣及氧化物夹杂，并施加机械搅拌和超声振动，促进纳米陶瓷颗粒在金属熔体中均匀分散，获得纳米陶瓷颗粒混杂增强铝基复合材料。

混杂颗粒增强铝基复合材料研究正处于新兴阶段，相关研究较少，目前混杂颗粒增强铝基复合材料的增强相多数采用单一微米或单一纳米尺度的sic、al2o3增强颗粒，基体多选择高强度的铝合金。采用混杂颗粒增强制备高硬度高耐磨性的铝基复合材料的研究基本处于空白，对混杂颗粒增强相的粒度大小及种类、铝合金基体性能以及增强相颗粒与基体的结合界面亟待深入研究，而这些问题对复合材料的制备方法密切相关，目前制备颗粒增强铝基复合材料最常用的方法有粉末冶金法、原位合成法、搅拌铸造法、挤压铸造法，采用单一的制备方法存在这样那样的问题，如粉末冶金方法制备的复合材料具有一定的孔隙度、原位合成法的合成反应及生成的增强相的控制比较困难、搅拌铸造法的增强相不易均匀分布、挤压铸渗法效率较低等问题，因此对混杂颗粒增强铝基复合材料制备工艺的研究也尤为主要。

本发明结合粉末冶金、原位反应、液态铸造、热压模锻等工艺特点，采用外加微米sic颗粒强化、原位生成纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等多种强化方法相结合制备微米sic+纳米al2o3+微米alcu3混杂颗粒增强铝基复合材料，综合利用多种制备方法的优势，改善各种方法的缺点以制备高性能复合材料；采用纳米及微米双尺度的不同种类的增强颗粒，改善单一尺度增强颗粒的不足，以使不同性质的增强相的优势互补，产生混杂效应，进一步提高铝基复合材料的硬度和耐磨性等综合性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提高铝基复合材料的硬度及耐磨性，提供一种混杂颗粒增强铝基复合材料的配方，并提供一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，用于轻型耐磨零件的制造。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，所述复合材料的原料配方组成为：基体al-si合金粉末、原位反应剂纳米cuo粉末、微米sic颗粒；所述复合材料内部组成为al-si合金基体上均匀分布微米sic颗粒、纳米al2o3颗粒和微米alcu3颗粒三种混杂颗粒；所述复合材料的制备工艺采用复合强化法，包括外加微米sic颗粒强化、原位合成纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒强化、热压模锻强化和热处理强化；所述复合材料的制备工艺流程包括：sic颗粒预处理、原料配粉及混制、原料装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理。

所述复合材料原料配方中基体al-si合金粉末的成份为含si量13-17%。

所述复合材料原料配方中各组分的体积分数分别为：基体al-si合金粉末76.5-87.5%、原位反应剂纳米cuo粉末2.5-3.5%、微米sic颗粒10-20%。

所述原料配方中各组分的粒度分别为：基体al-si合金粉末40～100µm、原位反应剂纳米cuo粉末30～80nm、微米sic颗粒40～100µm。

所述的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法包括以下步骤：

（1）微米sic颗粒预处理：将微米sic颗粒放入丙酮和异丙醇混合溶液中，超声处理30-50min，在90-120℃下烘干20-50min，放入管式真空炉中在680-720℃下保温1h；

（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工艺进行混制，第一次真空球磨：将原位反应剂纳米cuo粉末与基体al-si合金粉末在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速250-350r/min、时间3-5h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米sic颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速200-240r/min、时间0.5-1.5h；

（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工艺制备出的混合料装入石墨模具；

（4）加热原位反应：将装好混合料的模具放入真空热压烧结机中，加热到600-620℃，保温5min，发生如下原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，

al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；

（5）热压模锻：将混合料在模具中加热原位反应后，冷却到500-520℃，在3mpa压力下保持3min，然后冷却至室温，得到铝基复合材料；

（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为500-520℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为190-210℃，时间为6h，空冷。

步骤（1）中丙酮体积浓度为10-30%，异丙酮体积浓度为10-30%。

本发明的特点及有益效果在于：

（1）采用本发明制备的混杂颗粒增强铝基复合材料的内部组成为微米sic颗粒、纳米al2o3颗粒、微米alcu3颗粒均匀分布于al-si合金基体上，具有不同粒度尺度、不同种类的高硬度增强颗粒，颗粒粒径不同对基体的增强作用不同，各种颗粒协同增强；微米sic颗粒、微米alcu3颗粒为较大硬质点作为骨架承担磨损的载荷、可以提高复合材料的整体硬度，从而提高复合材料的耐磨性；纳米al2o3颗粒尺度较小，具有较好的弥散强化效果，可以提高基体的强度及硬度，使得微米sic颗粒、微米alcu3颗粒能牢固镶嵌进基体中而不易脱落，更好地发挥微米颗粒的骨架支撑作用；微米sic颗粒、纳米al2o3颗粒、微米alcu3颗粒的混杂增强效果使得该复合材料与基体相比具有较高的硬度及耐磨性，可用于活塞、缸套、刹车盘等轻质耐磨件；

（2）本发明的制备方法采用复合强化法，包括外加微米sic颗粒强化、原位生成纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等多种强化方法，使复合材料的组织得到改善、性能得到提高；本发明的制备工艺过程中包含粉末冶金法、原位反应法、液态铸造法、热压模锻法等工艺方法，充分发挥各种方法的优势，避免各种方法的缺点，制备出高质量的铝基复合材料；采用粉末冶金的混料方法，使微米sic颗粒增强相分布均匀，而且使原位反应剂分布均匀，生成的原位反应增强相的分布也均匀；原位反应过程中复合材料的原料处于液态，便于各种反应产物的扩散，避免成分偏析；原料冷却到一定温度时进行热压模锻，使复合材料的组织致密化，避免粉末冶金方法制备的复合材料中有空隙的缺点；

（3）本发明采用30～80nm尺度较小的纳米cuo粉末，可以大大降低复合材料制备过程中原位反应的温度，使制备工艺简化，可以使原位反应更加充分，使原位反应产物更加细小均匀地分布，另外纳米cuo的加入及原位反应时的放热，可降低基体al-si合金粉末的熔点，使复合材料混合料在600-620℃时处于液态，利于材料成分的均匀化，使材料性能提高；采用40～100µm的微米尺度的al-si合金粉末和sic颗粒方便原料混合均匀，同时较大的微米sic颗粒可以更好地提高复合材料的硬度及耐磨性；本发明的复合材料基体采用13-17%较高含si量的al-si合金粉末，可以提高复合材料基体的硬度及复合材料整体的硬度，从而提高复合材料的耐磨性；

（4）外加微米sic颗粒的高温加热预处理，可以去除水分及杂质，改善sic颗粒表面的状态，提高sic颗粒与基体之间的润湿性，提高sic颗粒与基体的结合力；采用二次真空球磨工艺进行混料，可以达到较好的混料效果，第一次采用250-350r/min、3-5h高速长时间真空球磨，可以将原位反应剂纳米cuo粉末与基体al-si合金粉末在真空球磨机中充分混合，并使纳米cuo粉末嵌入基体al-si合金粉末表面，第二次采用200-240r/min、0.5-1.5h低速短时间真空球磨，将微米sic颗粒均匀混入，使sic颗粒在混制过程中因磨损使尺寸降低较少；通过原位反应生成纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；热压模锻使原位反应后的铝基复合材料发生塑性变形，可消除复合材料疏松、缩孔等缺陷，得到细小均匀的组织；对复合材料进行固溶和时效热处理，可以改善复合材料的基体组织，提高基体性能；

（5）本发明的复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的工艺，虽然结合了粉末冶金法、原位反应法、液态铸造法、热压模锻法等多种工艺方法，但多种工艺基本都是在真空热压烧结机中进行，工艺流程简单，操作简便，工艺参数易于控制，工艺成本较低；采用本发明制备的混杂颗粒增强铝基复合材料具有纳米及微米双尺度增强颗粒、具有sic、al2o3、alcu3多种增强颗粒的混杂增强效果，具有外加sic颗粒强化、原位生成al2o3及alcu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等多种强化效果，使铝基复合材料的强度、硬度、耐磨性能显著提高，可广泛应用于轻型耐磨机械零件。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明制备方法的流程示意图，本发明提供一种复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，复合材料的原料配方组成为：含si量13～17%的基体al-si合金粉末、原位反应剂纳米cuo粉末、微米sic颗粒；复合材料中的增强相包括微米sic颗粒、纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒，其中微米sic颗粒为外加材料，纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒由原位反应制得；复合材料的制备工艺采用复合强化法，包括外加微米sic颗粒强化、原位合成纳米al2o3颗粒及微米alcu3颗粒强化、热压模锻强化、热处理强化等多种强化方法；复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料工艺流程包括：sic颗粒高温加热预处理、原料配粉与混制、原料装模、加热原位反应、热压模锻、固溶及时效热处理。

本发明的制备方法，通过sic颗粒预处理工艺，可去除sic颗粒表面的水汽及低熔点夹杂，改善复合材料制备过程中sic颗粒与基体合金的润湿性；采用二次真空球磨工序进行混料，第一次是将纳米尺寸的cuo粉末与al-si合金粉混合，采用4h较长时间混合，可防止由于纳米尺寸cuo颗粒较小而产生团聚现象，而第二次混料是将微米尺寸的sic颗粒与微米尺寸的al-si合金粉末混合，采用1h较短时间混合，提高混合效率和混料效果；将二次混合料装入石墨模具；然后将装入混合料的模具放入真空热压烧结机加热到600～620℃保持5min使混料发生原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；铝基复合材料原位反应后，冷却至510℃，在3mpa压力保持3min，使其发生塑性变形，可消除复合材料疏松、缩孔等缺陷，得到细小均匀的组织；复合材料经过固溶和时效热处理后复合材料中的si相及晶粒得到细化，铝基复合材料硬度有较大提高。本发明的铝基复合材料经过相应的制备工艺，有效提高复合材料基体的强度、硬度及耐磨性。

对比例

对比例为复合材料的基体材料，采用si含量15%的al-si合金粉末，热压烧结而成，其热处理工艺采用固溶与时效热处理，固溶温度为510°c，时间为3h，水冷淬火，时效温度为200°c，时间为6h，空冷。

对比例的硬度为65.3hv，磨损量为0.0052g。

实施例1

原料中固体粉料各组分的体积分数和粒度如下：al-si合金粉末82%、粒度为40µm、si含量为15%，cuo粉末3%、平均粒度为60nm，sic颗粒15%、粒度为75µm。

复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）微米sic颗粒预处理：将微米sic颗粒放入体积分数为20%的丙酮和20%的异丙醇混合溶液中，超声处理40min，100℃下烘干30min，放入管式真空炉中在700℃下保温1h；

（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工序进行混制，第一次真空球磨：将纳米cuo粉末与复合材料基体在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速300r/min、时间4h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米sic颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速220r/min、时间1h；

（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工序混合好的料装入石墨模具；

（4）加热原位反应：将装好料的模具放入真空热压烧结机中，加热到610℃，保温5min，发生如下原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，

al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；

（5）热压模锻：将复合材料粉体在模具中加热原位反应后，冷却到510℃，在3mpa压力下保持3min；

（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为510℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为200℃，时间为6h，空冷。

本实施例中微米sic颗粒含量为15%，纳米cuo粉末含量为3%，所制备的复合材料硬度为127.6hv，是基体的1.95倍，磨损量为0.00177g，相对耐磨性是基体的2.93倍。

实施例2

原料中固体粉料各组分的体积分数和粒度如下：al-si合金粉末81.5%、粒度为40µm、si含量为17%，cuo粉末3.5%、平均粒度为60nm，sic颗粒15%、粒度为60µm。

复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）微米sic颗粒预处理：将微米sic颗粒放入体积分数为30%的丙酮和10%的异丙醇混合溶液中，超声处理40min，在100℃下烘干30min，放入管式真空炉中在700℃下保温1h；

（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工序进行混制，第一次真空球磨：将纳米cuo粉末与复合材料基体在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速280r/min、时间4h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米sic颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速220r/min、时间1h；

（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工序混合好的料装入石墨模具；

（4）加热原位反应：将装好料的模具放入真空热压烧结机中，加热到610℃，保温5min，发生如下原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，

al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；

（5）热压模锻：将复合材料粉体在模具中加热原位反应后，冷却到510℃，在3mpa压力下保持3min；

（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为510℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为200℃，时间为6h，空冷。

本实施例中微米sic颗粒体积分数为15%，纳米cuo粉末体积分数为3.5%，所制备的复合材料硬度为122.1hv，是基体的1.87倍，磨损量为0.0024g，相对耐磨性是基体的2.16倍。

实施例3

原料中固体粉料各组分的粒度和体积分数如下：al-si合金粉末84.5%、粒度为100µm、si含量为13%，cuo粉末2.5%、平均粒度为80nm，sic颗粒13%、粒度为80µm。

复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）微米sic颗粒预处理：将微米sic颗粒放入体积分数为10%的丙酮和30%的异丙醇混合溶液中，超声处理30min，在90℃下烘干50min，放入管式真空炉中在680℃下保温1h；

（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工序进行混制，第一次真空球磨：将纳米cuo粉末与复合材料基体在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速250r/min、时间5h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米sic颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速200r/min、时间1.5h；

（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工序混合好的料装入石墨模具；

（4）加热原位反应：将装好料的模具放入真空热压烧结机中，加热到620℃，保温5min，发生如下原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，

al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；

（5）热压模锻：将复合材料粉体在模具中加热原位反应后，冷却到520℃，在3mpa压力下保持3min；

（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为520℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为210℃，时间为6h，空冷。

本实施例中微米sic颗粒体积分数为13%，纳米cuo粉末体积分数为2.5%，所制备的复合材料硬度为124.6hv，是基体的1.9倍，磨损量为0.0022g，耐磨性是基体的2.36倍。

实施例4

原料中固体粉料各组分的粒度和体积分数如下：al-si合金粉末87.5%、粒度为80µm、si含量为16%，cuo粉末2.5%、平均粒度为40nm，sic颗粒10%、粒度为50µm。

复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）微米sic颗粒预处理：将微米sic颗粒放入体积分数为10%的丙酮和10%的异丙醇混合溶液中，超声处理50min，在120℃下烘干20min，放入管式真空炉中在720℃下保温1h；

（2）原料配粉及混合：采用二次真空球磨工序进行混制，第一次真空球磨：将纳米cuo粉末与复合材料基体在真空球磨机中混合，采用陶瓷磨球，球料比为15：1，球磨转速350r/min、时间3h；第二次真空球磨：在第一次真空球磨好的混料中加入预处理过的微米sic颗粒，在真空球磨机中进行球磨混料，球磨转速240r/min、时间0.5h；

（3）混合料装模：将经过二次真空球磨工序混合好的料装入石墨模具；

（4）加热原位反应：将装好料的模具放入真空热压烧结机中，加热到600℃，保温5min，发生如下原位反应：

2al+3cuo→al2o3+3cu，

al+3cu→alcu3，

生成的增强颗粒为纳米尺寸的al2o3颗粒和微米尺寸的alcu3颗粒；

（5）热压模锻：将复合材料粉体在模具中加热原位反应后，冷却到500℃，在3mpa压力下保持3min；

（6）固溶及时效热处理：将上述制备所得的铝基复合材料放在热处理炉中进行固溶与时效处理，其固溶温度为500℃、时间为3h，水冷淬火；时效温度为190℃，时间为6h，空冷。

本实施例中微米sic颗粒体积分数为10%，纳米cuo粉末体积分数为2.5%，所制备的复合材料硬度为118.7hv，是基体的1.82倍，磨损量为0.0026g，相对耐磨性是基体的2.00倍。

以上所述为本发明的优选实施例，应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明整体构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。