专利名称：高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及颗粒增强复合材料及其制备方法。具体地讲，本发明涉及利用高体积分数(在30％以上)的自生硅颗粒+内生颗粒(Si+Al2O3+Al3Zr+ZrB2)复合增强的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、增强体成本低、微观结构较均匀、材料性能各向同性、可采用传统加工工艺进行加工等优点，已成为金属基复合材料的重要发展方向之一。颗粒增强铝基复合材料根据其中增强颗粒的来源可以分为外加颗粒增强铝基复合材料和反应合成颗粒增强铝基复合材料。
在许多应用场合，要求开发高体积分数(在30％以上)增强颗粒的铝基复合材料。例如，用于汽车刹车盘的SiC颗粒增强铝基复合材料，SiC颗粒的体积分数约为30-50％。采用该类复合材料可使汽车刹车盘的重量比原来铸铁件减轻50-60％，刹车距离缩短，刹车盘抗热震性提高，并使制动性能稳定。但是，由于外加SiC颗粒与液态Al不润湿，且存在界面反应，因此SiC颗粒增强铝基复合材料塑性低(不大于0.3％)、裂纹扩展快，会导致在剪切应力下疲劳裂纹快速扩展，可能引起突发事故。通常，这些裂纹很容易在外加SiC颗粒增强铝基复合材料中扩展。这是由于外加颗粒增强铝基复合材料中增强颗粒由外部加入，存在着颗粒尺寸大，颗粒表面有污染，界面结合差，以及易生成脆性副产物等一系列缺点。
内生颗粒增强原位复合材料(In-situ Composites)，是指其增强体从金属基体(通常为Al)中原位形核、长大的热力学稳定相。因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。因而被誉为具有突破性的新技术而倍受重视，已成为金属基(特别是铝基)复合材料研究中的一个新热点。目前原位合成技术主要有XDTM法、DIMOXTM法、PRIMEXTM法、VLS法、LSM法、SHS法、CR法、MA法、熔体反应法(Direct Melt Reaction，DMR)等，其中，熔体反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加入到熔融的铝或铝合金中，使之充分反应，从而制备内生颗粒增强铝基复合材料，并可直接浇注形状复杂的铸件。因而，具有工艺简单、成本低、周期短、易于工业化生产等优点，而被认为是能实现工业化应用的新技术之一。但是，内生颗粒增强铝基复合材料也有缺陷，主要在于其合成的颗粒体积分数通常低于15vol％，而汽车刹车毂用颗粒增强铝基复合材料的体积分数要求在30～50vol％。因此，如何提高内生颗粒的体积分数是解决问题的关键。
因此，开发既具备高导热率和高耐磨性的优点，又具备良好塑性的内生颗粒增强铝基复合材料，是高体积分数铝基复合材料开发的重要内容。本发明提出利用自生硅颗粒+内生颗粒(Si+Al2O3+Al3Zr+ZrB2)复合增强铝基复合材料，该技术在国内外尚没有相关的报道。
发明内容
本发明将原位反应合成技术与初生Si细化变质复合处理技术以及电磁场处理集成应用于高硅铝合金，由铝熔体与反应物反应生成(Al2O3+ZrB2+Al3Zr)颗粒，以及由高硅铝合金经磷-稀土复合处理在凝固过程中产生大量细小Si颗粒，从而形成30％～50vol％的高体积分数增强颗粒。
一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料，其特征在于铝基体中同时包含Al3Zr、ZrB2和Al2O3颗粒及细小Si颗粒，其中颗粒的理论体积分数为30～50％。
一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用熔体直接反应法制备，其特征在于在含18-26wt％Si的高硅铝合金熔体中加入占铝液质量的20wt％～30wt％的颗粒增强反应物，铝液温度在850～950℃之间，待反应20min～40min后再加入占铝液质量0.08～0.12wt％P+0.8～1.0wt％RE(稀土)的细化变质复合处理剂，处理时间为10min～20min，然后静置5min～10min，冷却至760～780℃浇入金属型中凝固获得多相内生颗粒(Si+Al2O3+ZrB2+Al3Zr)增强铝基复合材料。根据不同的需要，可以直接生产铸件或者生产铸锭。
颗粒增强反应物为ZrSiO4和B2O3的混合物、Zr(CO3)2和B2O3的混合物或ZrOCl2和B2O3混合物中的一种，并按摩尔比Zr∶B＝1∶2混合均匀。
在加入反应混合物的同时进行电磁搅拌处理，电流I＝150A，频率f＝4Hz，磁场强度B＝0.032mT，可以使得内生颗粒分布均匀。
本发明具有如下优点1、由于高硅铝合金中的硅含量可以在一定范围内调整，同时利用熔体反应技术制备的原位颗粒的体积分数也可以在一定范围内变动，因此该类复合材料的可设计性强。
2、由于生成的初生硅颗粒和原位颗粒均为内生颗粒，且与Al润湿性好，且可一次成型，因此制备工艺简单、成本低，且不仅具有高强度、高耐磨性、高耐热性，而且具有较好的韧性。
3、由于凝固过程中产生大量的初生硅析出，提高了增强颗粒的体积分数；且初生硅颗粒的尺寸为25μm以下与原位颗粒尺寸为5μm以下形成大小相间分布，提高了复合材料的致密度，同时产生的颗粒均为内生颗粒，所以复合材料中颗粒与基体的界面结合强度得到有效保证，因此，所制备的复合材料具有较高的性能稳定性。
具体实施例方式
实施例1将高硅Al-18％Si合金熔化，在850℃左右加入占合金质量20％的反应物，反应物为Zr(CO3)2+B2O3，并按摩尔比Zr∶B＝1∶2混合均匀，同时进行电磁搅拌处理，电流I＝150A，频率f＝4Hz，磁场强度B＝0.032mT，待反应20min后再加入占铝液质量0.08wt％P+0.8wt％Ce的细化变质复合处理剂，处理时间为10min，然后静置5min，将处理后的熔体冷却至760℃直接浇注成铸锭，经检测，该复合材料中增强颗粒的体积分数约为31.2％。
实施例2将高硅Al-24％Si合金熔化，在900℃左右加入占合金质量25％的反应物，反应物为ZrSiO4+B2O3，并按摩尔比Zr∶B＝1∶2混合均匀，同时进行电磁搅拌处理，电流I＝150A，频率f＝4Hz，磁场强度B＝0.032mT，待反应30min后再加入占铝液质量0.1wt％P+0.9wt％Ce的细化变质复合处理剂，处理时间为15min，然后静置8min，将处理后的熔体冷却至780℃通过挤压铸造浇注成汽车刹车盘。经检测，该复合材料中增强颗粒的体积分数约为42.6％。
实施例3将Al-26％Si合金熔化，在950℃左右加入占合金质量30％的反应物，反应物为ZrOCl2+B2O3，并按摩尔比Zr∶B＝1∶2混合均匀，同时进行电磁搅拌处理，电流I＝150A，频率f＝4Hz，磁场强度B＝0.032mT，待反应40min后再加入占铝液质量0.12wt％P+1.0wt％Ce的细化变质复合处理剂，处理时间为20min，然后静置10min，将处理后的熔体冷却至780℃浇注成铸锭。经检测，该复合材料中增强颗粒的体积分数约为49.8％。
权利要求
1.一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料，其特征在于铝基体中同时包含Al3Zr、ZrB2和Al2O3颗粒及细小Si颗粒，其中颗粒的理论体积分数为30～50％。
2.一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，采用熔体直接反应法制备，其特征在于在含18-26wt％Si的高硅铝合金熔体中加入占铝液质量的20wt％～30wt％的颗粒增强反应物，铝液温度在850～950℃之间，待反应20min～40min后再加入占铝液质量0.08～0.12wt％P+0.8～1.0wt％RE(稀土)的细化变质复合处理剂，处理时间为10min～20min，然后静置5min～10min，冷却至760～780℃浇入金属型中凝固获得多相内生颗粒(Si+Al2O3+ZrB2+Al3Zr)增强铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于颗粒增强反应物为ZrSiO4和B2O3的混合物、Zr(CO3)2和B2O3的混合物或ZrOCl2和B2O3混合物中的一种，并按摩尔比Zr∶B＝1∶2混合均匀。
4.根据权利要求2所述的一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于在加入反应混合物的同时进行电磁搅拌处理，电流I＝150A，频率f＝4Hz，磁场强度B＝0.032mT。
全文摘要
一种高体积分数内生颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，涉及颗粒增强复合材料及其制备方法，采用熔体直接反应法制备，在含18－26wt％Si的高硅铝合金熔体中加入占铝液质量的20wt％～30wt％反应物，反应物为ZrSiO
文档编号C22C1/02GK1944699SQ200610088369
公开日2007年4月11日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者赵玉涛, 陈刚, 程晓农, 戴起勋 申请人:江苏大学