一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法

专利名称：一种Al₃Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，具体是ー种用TIG焊表面熔覆的方法获得原位Al3Zr颗粒增强铝基复合材料的エ艺，该复合材料可用于制造一些耐磨零件。
背景技术：
近年来，为了改善增强相和铝基体之间的界面相容性，原位反应生成铝基复合材料得到了广泛的关注，而制备耐磨铝基复合材料时常用高硅铝合金作为基体，并要求硅颗粒细小圆整，同时颗粒增强体细小并分布均匀。原位增强铝基复合材料的主要方法有自蔓延高温合成法、XDTM技术、反应自发 浸渗法、接触反应法、LSM混合盐反应法、熔体直接反应法(DMR)、机械合金化法等；制备耐磨复合材料时可以高硅铝合金作为基体，高硅铝基复合材料具有很好的耐磨性，但是存在三个问题(I)粗大的初生硅容易割裂基体，降低強度、耐磨性；(2)增强相的尺寸、大小和分布不易控制；(3)生产成本较高；常规处理方法有加入变质剂细化硅颗粒，通过改变反应參数控制反应过程，但是效果都不是很好，或者増加了生产成本，为了解决这上述问题，采用TIG焊表面熔覆的方法获得原位颗粒增强高硅铝基复合材料不失为ー种操作简便、成本低廉的解决方案，目前TIG焊熔覆法制备金属基原位复合材料仅在TiC颗粒增强铁基等少数体系复合材料上有相应报道，对于高硅铝基复合材料还未见报道，但对于表面熔覆法获得高硅铝基复合材料需要解决其熔覆结构、原位反应体系设计、原位颗粒形貌控制以及凝固后复合材料宏观组织控制等方面的原理及エ艺还需进一歩研究。

发明内容
本发明在实验研究的基础上，利用TIG焊表面熔覆原理提出了ー种新型的原位Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备エ艺，该方法获得的复合材料由Al3Zr增强颗粒和高硅铝合金基体组成，初生硅形貌圆整、尺寸为10-20ym ;Al3Zr增强颗粒近似呈球状，尺寸为5-15 μ m,且弥散均勻分布在招合金基体中；同时,该复合材料的磨损性能较基体合金有了显著提高。本发明的实施解决了初生硅粗大、增强相形貌及分布不易控制、生产成本高等高硅铝基复合材料中存在的三大问题。ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，包括在待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽的步骤、原位反应粉末的配比及混料的步骤、将粉末涂覆凹槽内的步骤、自然干燥及烘干的步骤和采用钨极氩弧焊熔覆的步骤，其特征在于所述原位反应粉末的配比及混料的步骤为按照质量分数计算，将Al粉、Si粉及K2ZrF6 3种粉体按照配比混匀，其中Si粉占基体粉体Al粉和Si粉之和的12 30%，K2ZrF6粉占粉体总质量的1(Γ20% ;先粉末混合均匀后，在加入混合粉末的1(Γ20%的PVA水溶液作为粘结剂，混合均匀后待用；所述采用钨极氩弧焊熔覆的步骤为焊机采用直流正接，钨极采用钍钨极；电流为150Α ;电压为12-16V ;焊速为I. 8mm/s ;钨极到熔覆层粉末表面的距离是2. 5mm。
所述的ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在干所述在待熔覆的铝合金表面切割出凹槽的步骤为将待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽，凹槽深度与宽度比值广I. 2之间，宽度f 3mm，长度应大于20mm。所述的ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述PVA溶液中PVA含量为Ivol. %。所述在铝合金表面切割出一条凹槽，然后在凹槽内生成复合材料，一方面为了防止电弧カ将预置粉末吹跑，另一方面是根据电弧的熔覆作用，使其尽可能充分均匀地产生原位反应，在基体中获得增强颗粒。所述对于基体(即由Si粉和Al粉熔覆而成的金属材料)是Al-Si ニ元合金，在此ニ元系中，Si含量大于12%为过共晶合金，随着Si含量的提高，其初生硅含量随之增加，基体硬度、耐磨性能也随之提高，但强韧性下降，本发明推荐Si粉占基体粉体的12 30%(质量分数)；K2ZrF6粉主要作用是在熔覆过程中产生原位Al3Zr颗粒，其含量越高，所生成的颗粒数量也相应增加，本发明推荐其含量占粉体总质量的1(Γ20%。 PVA水溶液作为粘结剂时，溶液中PVA Ivol. % (体积含量)时效果最佳；PVA的浓度直接影响到混合粉末的干湿度，混合粉末不能过干，过干后不容易涂刷，结合不牢固容易脱落；也不能过稀，过稀粉末之间会留有间隙，熔覆时会产生气孔，直接影响熔覆效果。所述焊速为I. 8 mm/s效果最佳，焊速过快，电弧产生的热量不集中，不容易融化粉末；焊速过慢，电弧在局部产生的热量过大，会融化凹坑周围的铝合金基体，不利于涂层的成型。钨极氩弧焊熔覆时焊接电流采用150A最佳，当焊接电流为90A时，由于热输入不足，熔覆层成形很差，有明显的未熔透现象，存在大量粉末在凹槽内，当焊接电流为120 A后，热输入量増大，但仍然不能形成熔池，并带有一定的飞溅，只有零星液态小颗粒，当焊接电流为150A吋，由于热输入量进ー步増加，反应比较剧烈，有一定的飞溅现象，能顺利形成熔池，并且熔覆层表面成形美观，熔覆层和基体形成了很好的连接，如图I。


图I为复合材料层与铝板基体的微观组织(光学显微镜照片)；
图2为钨极氩弧熔覆エ艺过程示意 图3为高硅铝合金的微观组织(光学显微镜照片)，组织由粗大的初生硅相(块状或长条状)和共晶相构成；
图4为TIG焊熔覆后生成复合材料的微观组织(光学显微镜照片)，组织由细小的块状初生娃、共晶相、原位颗粒相构成；
图5和图6为增强相的扫描电子显微镜照片；
图7为Al-20Si合金与原位Al3Zr颗粒增强复合材料的磨损量随载荷变化的曲线。
具体实施例方式I.实施用原材料
エ业纯铝板材(铝含量为99. 9%);纯Al粉(100-200目，Al含量> 99%);纯Si粉(200目，Si 含量彡 99%) ；K2ZrF6 粉(K2ZrF6 含量彡 98%)。
2.制备步骤
表面熔覆生成原位Al3Zr颗粒增强Al-20Si复合材料的エ艺过程示意图如图2所示。2. I凹槽加工
将エ业纯招板(60mmX30mmX 12mm)待熔覆表面切割出一条长60mm,宽2mm,深2mm的凹槽清洗干燥后待用。2. 2熔覆粉料混配
称取Al粉10g，Si粉2. 5g，K2ZrF6粉末I. 9g，在70で下烘干lh，在球磨机上碾磨2h，然后将粉末混合均匀，并加入2. 2g PVA水溶液(PVA含量1%，体积分数)作为粘结剂再混合均匀。
2. 3 涂覆
将粉末涂覆在纯铝的凹槽内，粉末总厚度4mm，在一端预留I mm的引弧端。2.4自然干燥及烘干
放置在通风处自然干燥12 h，接着在真空干燥箱中120で烘干6 h，在保持真空的条件下自然冷却到室温是取出待用。2. 5熔覆复合材料层
复合材料的制备采用钨极氩弧作为热源，熔融预涂粉末涂层，熔池凝固后形成熔覆层的制备方法；钨极氩弧焊机采用直流正接；钨极采用直径为2. O mm的含钍钨极；电流为150A ;电压为12-16V ;焊速为I. 8 mm/s ;钨极到熔覆层粉末表面的距离是2. 5mm ;熔覆时采用エ业纯氩气(彡99. 9 %)作为保护气体，气体流量为10 L/min。2.6制备得到的复合材料组织及性能
2.6. I微观组织
图3是高硅铝合金Al-20Si，图4是TIG焊熔覆后生成的初生硅，对比图3和图4，可以看出，未经处理过的初生硅颗粒尺寸为100-200 μ m，TIG焊熔覆后生成的初生硅为10-20 μ m，结果表明，该制备方法能显著细化初生硅；在TIG表面熔覆的过程中，由于电弧弧柱温度一般在5000-30000K之间，熔体在高温下过热处理可以提高熔体的均匀性，消除Si相遗传性影响，从而细化初生硅；另ー方面，随着电弧移动，基体铝材料能够迅速导热，使熔覆区熔池凝固速度大大提高，也抑制了初生硅的长大。图中图5和图6为复合材料熔覆层组织，可见Al_20Si基体内形成了原位Al3Zr増强颗粒，颗粒形状近似呈球状、尺寸为5-15μπκ弥散均匀分布；这是由于在电弧加热熔池过程中，能提供足够的温度，使原位反应能够充分进行；同吋，随着电弧的移动，熔池在基体铝材的快速导热作用下，凝固速度很高，使析出的Al3Zr相来不及长大，从而形成近球形的亚微米強化相。2.6.2耐磨性能
利用上述制备方法获得的原位Al3Zr颗粒增强Al-20Si基复合材料试样和未经处理的Al-20Si分别进行干滑动摩擦磨损试验，实验条件为载荷分别为50N、100N、150N、200N，滑动速度为I. 00 m/s，滑动距离为1.2X103 m，摩擦副为40Cr钢(HRC40)。图7为Al_20Si合金与复合材料的磨损量随载荷变化的曲线；可见，随着载荷的増加，Al-20Si合金和复合材料的磨损量都随之増大，但是同一载荷下，滑动相同时间，复合材料的磨损量要远小于A1-20S1 合金。
一方面由于复合材料中的初生硅颗粒的尺寸减小，由硅颗粒破碎而引起的裂纹和孔洞也相应減少，相互间连接向表面扩展形成磨屑较困难；另ー方面，复合材料由于生成了金属间化合物相，颗粒尺寸较小，细小弥散的增强颗粒颗粒提高了材料抵抗塑性变形的能力，因而含细小第二相颗粒的合金在摩擦过程中发生粘着与剪切断裂的趋势变小；且第二相颗粒还可抑制 磨损转移层中裂纹的扩展，使转移层不易剥落形成磨屑，这也有利于提高复合材料合金的耐磨性。这两方面的共同影响，使得原位Al3Zr颗粒增强复合材料的耐磨性能得以改善。
权利要求
1.ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，所述复合材料由Al3Zr增强颗粒和高硅铝合金基体组成，初生硅形貌圆整、尺寸为10-20 μ m ;Al3Zr增强颗粒近似呈球状，尺寸为5-15 μ m，且弥散均匀分布在铝合金基体中；制备方法包括在待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽的步骤、原位反应粉末的配比及混料的步骤、将粉末涂覆凹槽内的步骤、自然干燥及烘干的步骤和采用钨极氩弧焊熔覆的步骤，其特征在于所述原位反应粉末的配比及混料的步骤为按照质量分数计算，将Al粉、Si粉及K2ZrF6 3种粉体按照配比混匀，其中Si粉占基体粉体Al粉和Si粉之和的12 30%，K2ZrF6粉占粉体总质量的1(Γ20% ;先粉末混合均匀后，在加入混合粉末的1(Γ20%的PVA水溶液作为粘结剂，混合均匀后待用；所述采用钨极氩弧焊熔覆的步骤为焊机采用直流正接，钨极采用钍钨扱；电流为150Α ;电压为12-16V ;焊速为I. 8mm/s ;钨极到熔覆层粉末表面的距离是2. 5mm。
2.所述的ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述在待熔覆的铝合金表面切割出凹槽的步骤为将待熔覆的铝合金表面切割出一条凹槽，凹槽深度与宽度比值广I. 2之间，宽度f 3mm，长度应大于20mm。
3.所述的ー种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述PVA溶液中PVA含量为Ivol. %。
全文摘要
本发明涉及一种Al3Zr颗粒增强高硅铝基复合材料的制备方法，具体是一种用TIG焊表面熔覆的方法获得原位Al3Zr颗粒增强铝基复合材料的工艺，该复合材料可用于制造一些耐磨零件。该方法形成的颗粒增强铝基复合材料由增强颗粒和高硅铝合金基体组成。其制备方法是将待熔覆铝合金表面切割出一条凹槽，取Al粉，Si粉及K2ZrF6，混合均匀，并加入1vol.%PVA水溶液作为粘结剂，将粉末涂覆在铝合金的凹槽内，干燥后待用，用钨极氩弧焊进行表面熔覆，电流为150A，电压为12-16V，焊速为1.8mm/s，钨极到熔覆层粉末表面的距离是2.5mm，采用工业纯氩气作为保护气体，本发明提供的复合材料具有较高的耐磨性能。
文档编号C23C24/10GK102864450SQ20121027913
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者贾志宏, 赵玉涛, 陈霖, 张松利 申请人:江苏大学