一种制备纳米SiC、Yb增强A356.2合金的方法与流程

本发明涉及合金的熔炼领域，具体涉及一种制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法。

背景技术：

a356.2铝合金是典型的al-si-mg系三元合金，与a356.0，a356.1相比，fe的含量进一步降低，并且加入了金属ti，以更好的细化晶粒。a356.2铝合金可以铸造形状比较复杂的薄壁零件，因其铸造性能优秀，塑性高，广泛的应用在汽车轮毂上面。

未加入变质剂的a356.2合金，其基体中包含粗大的板片针尖状初晶硅。经验告诉我们，晶粒越粗大，分布愈不均匀，材料的性能越差。目前，生产行业都致力于改善传统的a356.2合金性能，主要方法就是改善粗大的颗粒，使其分布均匀化和圆润化，采用何种变质剂，如何进行变质a356.2合金也是国内外研究和发展的共同的问题。

19世纪人们发现了稀土元素可以变质al-si铝合金，且稀土元素可以长时间过烧而不降低其细化效果。稀土还可以进行除气、除渣。对降低a356.2的氢脆现象也有改进，但是，目前大部分研究仅限于单独添加轻稀土元素，对于重稀土元素的研究有限。

sic-al复合材料作为结构材料以普遍应用到直升机旋翼上、刹车盘等，但是，由于碳化硅和铝液不润湿，使得制备sic-al复合材料极其困难。大多数人都采用粉末冶金的方法进行制备，但此方法生产工艺繁琐，烧结过程不易控制，不易制备体积较大的结构件，且生产周期较长。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法，该方法环保安全，晶粒细化，力学性能较好且减少生产周期。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法，包括以下步骤：

1）碳化硅的预处理：

（1）称取5.25g的平均粒径5nm-90nm的碳化硅，加入20ml的酒精，超声分散30分钟；

（2）将超声完毕的碳化硅放入鼓风干燥箱中，70℃进行烘干2h；

（3）烘干完毕，放入研磨钵中研磨时间为2h；

（4）sic放进石英坩埚，加热至300℃±5℃保温30min，再升温至1200℃±5℃保温5h，期间每隔30min进行搅拌，时间为40s；

（5）将预处理完毕后的sic剔除大于100nm的颗粒；

2）sic的后续处理：碳化硅的预处理后进行磁控溅射；

3）熔炼过程

（1）将超声波坩埚加热器中的电阻炉加热至500℃~550℃，向石墨坩埚中加入纯度为99.9%的铝锭；

（2）升温至730℃，待铝锭全部融化，加入al-20%si中间合金；

（3）待al-20%si完全融化，加入用铝箔紧密包裹的纯度为99.99%的yb，其中铝箔和yb质量比为3:1，保温5min，加入覆盖剂，保温20min-25min；

（4）保温后第一次扒渣，扒渣完成后用石墨棒充分搅拌，继续保温15min；

（5）用石墨棒边搅拌边加入已经预热40℃的sic，sic加入的位置为搅起半固态的漩涡中心，搅拌2min之内将sic全部加入；

（6）待升温至730℃时进行超声，时间为30min；

（7）加入铝箔紧密包裹的mg，其中铝箔和mg的质量比为3:1并立即加入覆盖剂，保温5min；

（8）加入al-5%ti-0.2%c丝，进行第二次扒渣处理，时间1min-1.5min，搅拌均匀后在720℃进行浇注，浇注时用耐高温的化学纤维细网进行过滤；

（9）浇注后热处理，得到纳米sic、yb增强的a356.2合金。

上述所述的纳米sic、yb增强a356.2合金的组分的质量百分比为：si：6.5%-7.5%，mg：0.30%-0.45%，ti：0.05%-0.1%，yb：0.3%-0.4%，sic：0.7%-0.75%，fe≤0.2%，cu≤0.2%，zn≤0.1%，其余杂质元素均≤0.05%，余量为al。

优选地，所述熔炼过程中步骤（6）中超声的工作频率20khz，工作温度为720℃，振幅≥10μm。

优选地，sic的后续处理的步骤为：

（1）平均粒径5nm-90nm的碳化硅基片放置在腔体内后，先用机械泵抽真空30min，然后开分子泵继续抽真空15min，抽至1.3×10^-3~4.0×10^-3pa的真空度，通入高纯氩气；

（2）打开基底升温机制，将基片加热至120℃，此过程可与分子泵抽真空过程同步；

（3）调节真空室内气压为0.5~1.1pa，溅射电流0.25a，溅射时间为30s-300s。

优选地，所述熔炼过程中步骤（9）中热处理的工艺为：535℃±3℃固溶5h；淬火温度70℃±5℃，转移时间5s，淬火时间为30s±5s；时效温度为165℃±3℃，时效时间为4h。

上述所述的制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法中采用的超声波坩埚加热器，包括超声波发生器（1）、用于放置石墨坩埚的加热炉（5）和支撑架（3），所述超声波发生器（1）连接有超声变幅杆（4）；

所述支撑架（3）包括固定套（31）、n个第一支撑杆（32）和n个竖直设置第二支撑杆（33），所述固定套（31）套装在超声波发生器（1）上，所述n个第一支撑杆（32）以固定套（31）为轴均匀分布；

所述第一支撑杆（32）的一端均连接在固定套（31）上、另一端均与第二支撑杆（33）的上端连接以实现对超声波发生器（1）的支撑作用；

所述n为大于或等于2的自然数。

优选地，所述第一支撑杆（32）为可伸缩杆。

优选地，第二支撑杆（33）为可伸缩杆。

优选地，所述第一支撑杆（32）和第二支撑杆（33）均为铝合金材质，所述超声变幅杆（4）为全钛合金材质的二型变幅杆，所述n为3。

本发明的有益成果：

1.本发明提供一种制备纳米sic、yb增强的a356.2合金，第一次精炼未破坏覆盖剂的保护层，避免了yb的进一步的氧化；采用高纯yb，解决了制造稀土中间合金的步骤，减少生产周期；加入yb、mg时，用铝箔紧密包裹，加入后立刻加入无毒覆盖剂，减少了yb、mg突然受到高温而严重烧损。

2.淬火转移时间为5s，减少了温度的散失；为了获得更好的细化晶粒的效果，将杂质ti和b在合理的允许范围内进行加入，为溶液的异质形核提供了形核地点；用致密的石英坩埚进行预氧化，而不是石墨坩埚，避免了sic进入石墨坩埚的空隙中，以及石墨坩埚脱落的渣子引入金属熔体中；yb的加入和超声的使用，净化了熔体，减少由于搅拌的过程中带入熔体的气体含量，提高了力学性能。

3.该实验所采用的超声波坩埚加热器是自主研发，尤其是增加了高强铝合金可伸缩杆作为支撑，避免了炉子大小而限制超声器的使用，最大可能的节约了成本，该设计可以快速撤离超声设备，使得超声完毕到浇注开始的时间控制在10s之内，碳化硅未团聚就已浇注完毕，增加了浇注质量。

4.超声波的方向是垂直于坩埚，避免了由于横向波而造成的坩埚杂质进入熔体，增加了坩埚的使用寿命，净化了熔体，且采用连续模式进行超声，更好地打破了枝晶，为形核提供地点；超声设备所用变幅杆完全是钛合金所制，避免了杂质fe的引入；设备可以适应多种坩埚，还可以通入保护气体来熔炼易氧化的金属。

5.本发明采用纯度为99.99%的ti金属，用磁控溅射方法将碳化硅表面附上一层ti膜，此方法可以细化晶粒且ti可以增加纳米级的sic与铝溶液的润湿性。

6.因ti极易烧损，故将其溅射到高温氧化处理以后的sic上，增加了润湿的效果。

附图说明

图1：对比例1制成的铝合金的拉伸断面图；

图2：实施例1制成的铝合金的拉伸断面图；

图3:本实验采用的超声波坩埚加热器立体图；

图4：本实验采用的超声波坩埚加热器主视图；

图5：本实验采用的超声波坩埚加热器俯视图。

图中：1、超声发生器；2、石墨坩埚；3、支撑架；4、超声变副杆；5、加热炉；31.固定套；32.第一支撑杆；33.第二支撑杆。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的实质，下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述。

实施例1

一种制备纳米sic-yb增强a356.2合金的方法，包括以下步骤：

1）碳化硅的预处理：

（1）称取5.25g的平均粒径5nm-90nm的碳化硅，加入20ml的酒精，超声分散30分钟；

（2）将超声完毕的碳化硅放入鼓风干燥箱中，70℃进行烘干2h；

（3）烘干完毕，放入研磨钵中研磨时间为2h；

（4）sic放进石英坩埚，加热至300℃保温30min，再升温至1200℃保温5h，期间每隔30min进行搅拌，时间40s；

（5）将预处理完毕后的sic剔除大于100nm的颗粒。

2）sic的后续处理

（1）对磁控溅射的载玻片放置在盛有丙酮的烧杯中，在超声波清洗器中清洗20min；取出载玻片将其在无水乙醇中起声清洗20min；最后在去离子水中起声清洗10min，取出后用吹风机自上而下吹干；

（2）将放有5.25g的平均粒径5nm的碳化硅基片放置在腔体内后，先用机械泵抽真空约30min，然后开分子泵继续抽真空约15min，抽至约1.3×10^-3pa左右的真空度，通入高纯氩气；

（3）打开基底升温机制，将基片加热至120℃，此过程可与分子泵抽真空过程同步；

（4）利用仪器下方的板阀来调整溅射气压。产生辉光后首先对高纯ti靶材表面进行10min的预溅射，然后向腔体通入氩气，调节真空室内气压为0.5pa，溅射电流0.25a，等溅射稳定后打开挡板，进行溅射。溅射时间为30s；

（5）冷却后，取出sic备用。

3）熔炼过程

（1）将超声波坩埚加热器中的电阻炉加热至500℃，向石墨坩埚中加入纯度为99.9%的铝锭；

（2）升温至730℃，待铝锭全部融化，加入al-20%si中间合金；

（3）待al-20%si完全融化，加入用铝箔紧密包裹的纯度为99.99%的yb，其中铝箔和yb质量比为3:1，保温5min，加入覆盖剂，保温20min；

（4）保温后第一次扒渣，扒渣完成后用石墨棒充分搅拌，继续保温15min；

（5）取出石英坩埚2min后将熔体表面的氧化铝薄膜去掉；

（6）用石墨棒边搅拌边加入已经预热40℃的sic，sic加入的位置为搅起半固态的漩涡中心，搅拌2min之内将sic全部加入；

（7）待升温至730℃时进行超声，超声时间为30min，超声的工作频率20khz，工作温度为720℃，振幅≥10μm；

（8）加入铝箔紧密包裹的mg，其中铝箔和mg的质量比为3:1并立即加入覆盖剂，加入覆盖剂，保温5min；

（9）加入al-5%ti-0.2%c丝，进行第二次扒渣处理，时间1min，搅拌均匀后在720℃进行浇注，浇注时用耐高温的化学纤维细网进行过滤；

（10）浇注后热处理，热处理的工艺为：535℃固5h；淬火温度70℃，转移时间5s，淬火时间为30s；时效温度为165℃，时效时间为4h。得到纳米sic-yb增强的a356.2合金，该合金组分的质量百分比为：si：10.35%，mg：0.48%，ti：0.06%，yb：0.37%，sic：0.65%，al：88.09%。

附图2为制成的铝合金的拉伸断面图。

实施例2

一种制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法，包括以下步骤：

1）碳化硅的预处理：

（1）称取5.25g的平均粒径5nm-90nm的碳化硅，加入20ml的酒精，超声分散30分钟；

（2）将超声完毕的碳化硅放入鼓风干燥箱中，70℃进行烘干2h；

（3）烘干完毕，放入研磨钵中研磨时间为2h；

（4）sic放进石英坩埚，加热至295℃保温30min，再升温至1195℃保温5h，期间每隔30min进行搅拌，时间40s；

（5）将预处理完毕后的sic剔除大于100nm的颗粒。

2）sic的后续处理

（1）对磁控溅射的载玻片放置在盛有丙酮的烧杯中，在超声波清洗器中清洗20min;；取出载玻片将其在无水乙醇中起声清洗20min;最后在去离子水中起声清洗10min，取出后用吹风机自上而下吹干；

（2）将放有5.25g的平均粒径90nm的碳化硅基片放置在腔体内后，先用机械泵抽真空约30min，然后开分子泵继续抽真空约15min，抽至约4.0×10-3pa左右的真空度，通入高纯氩气；

（3）打开基底升温机制，将基片加热至120℃，此过程可与分子泵抽真空过程同步；

（4）利用仪器下方的板阀来调整溅射气压。产生辉光后首先对高纯ti靶材表面进行10min的预溅射，然后向腔体通入氩气，调节真空室内气压为1.1pa，溅射电流0.25a，等溅射稳定后打开挡板，进行溅射。溅射时间为300s；

（5）冷却后，取出sic备用。

3）熔炼过程

（1）将超声波坩埚加热器中的电阻炉加热至550℃，向石墨坩埚中加入纯度为99.9%的铝锭；

（2）升温至730℃，待铝锭全部融化，加入al-20%si中间合金；

（3）待al-20%si完全融化，加入用铝箔紧密包裹的纯度为99.99%的yb，其中铝箔和yb质量比为3:1，保温5min，加入覆盖剂，保温25min；

（4）保温后第一次扒渣，扒渣完成后用石墨棒充分搅拌，继续保温15min；

（5）取出石英坩埚2min后将熔体表面的氧化铝薄膜去掉；

（6）用石墨棒边搅拌边加入已经预热40℃的sic，sic加入的位置为搅起半固态的漩涡中心，搅拌2min之内将sic全部加入；

（7）待升温至730℃时进行超声，超声时间为30min，超声的工作频率20khz，工作温度为720℃，振幅≥10μm；

（8）加入铝箔紧密包裹的mg，其中铝箔和mg的质量比为3:1并立即加入覆盖剂，加入覆盖剂，保温5min；

（9）加入al-5%ti-0.2%c丝，进行第二次扒渣处理，时间1.5min，搅拌均匀后在720℃进行浇注，浇注时用耐高温的化学纤维细网进行过滤；

（10）浇注后热处理，热处理的工艺为：532℃固5h；淬火温度65℃，转移时间5s，淬火时间为25s；时效温度为162℃，时效时间为4h。得到纳米sic-yb增强的a356.2合金，该合金的组分的质量百分比为：si：10.25%，mg：0.42%，ti：0.12%，yb：0.35%，sic：0.67%，al：88.19。

实施例3

一种制备纳米sic、yb增强a356.2合金的方法，包括以下步骤：

1）碳化硅的预处理：

（1）称取5.25g的平均粒度为50纳米的碳化硅，加入20ml的酒精，超声分散30分钟；

（2）将超声完毕的碳化硅放入鼓风干燥箱中，70℃进行烘干2h；

（3）烘干完毕，放入研磨钵中研磨时间为2h；

（4）sic放进石英坩埚，加热至305℃保温30min，再升温至1205℃保温5h，期间每隔30min进行搅拌，时间40s；

（5）将预处理完毕后的sic剔除大于100nm的颗粒。

2）sic的后续处理

（1）对磁控溅射的载玻片放置在盛有丙酮的烧杯中，在超声波清洗器中清洗20min;而后取出载玻片将其在无水乙醇中起声清洗20min;最后在去离子水中起声清洗10min，取出用吹风机自上而下吹干；

（2）将放有5.25g的平均粒径35nm的碳化硅基片放置在腔体内后，先用机械泵抽真空约30min，然后开分子泵继续抽真空约15min，抽至约2.0×10^-3pa左右的真空度，通入高纯氩气；

（3）打开基底升温机制，将基片加热至120℃，此过程可与分子泵抽真空过程同步；

（4）利用仪器下方的板阀来调整溅射气压。产生辉光后首先对高纯ti靶材表面进行10min的预溅射，然后向腔体通入氩气，调节真空室内气压为0.7pa，溅射电流0.25a，等溅射稳定后打开挡板，进行溅射。溅射时间为200s；

（5）冷却后，取出sic备用。

3）熔炼过程

（1）将超声波坩埚加热器中的电阻炉加热至520℃，向石墨坩埚中加入纯度为99.9%的铝锭；

（2）升温至730℃，待铝锭全部融化，加入al-20%si；

（3）待al-20%si完全融化，加入用铝箔紧密包裹的纯度为99.99%的yb，其中铝箔和yb质量比为3:1，保温5min，加入覆盖剂，保温22min；

（4）保温后第一次扒渣，扒渣完成后用石墨棒充分搅拌，继续保温15min；

（5）取出石英坩埚2min后将熔体表面的氧化铝薄膜去掉；

（6）用石墨棒边搅拌边加入已经预热40℃的sic，sic加入的位置为搅起半固态的漩涡中心，搅拌2min之内将sic全部加入；

（7）待升温至730℃时进行超声，超声时间为30min，超声的工作频率20khz，工作温度为720℃，振幅≥10μm；

（8）加入铝箔紧密包裹的mg，其中铝箔和mg的质量比为3:1并立即加入覆盖剂，加入覆盖剂，保温5min；

（9）加入al-5%ti-0.2%c丝，进行第二次扒渣处理，时间1min-1.5min，搅拌均匀后在720℃进行浇注，浇注时用耐高温的化学纤维细网进行过滤；

（10）浇注后热处理，热处理的工艺为：538℃固5h；淬火温度75℃，转移时间5s，淬火时间为35s；时效温度为168℃，时效时间为4h。得到纳米sic-yb增强的a356.2合金，改合金的组分的质量百分比为：si：9.93%，mg：0.31%，ti：0.11%，yb：0.29%，sic：0.57%，al：88.79%。

实施例1-3所使用的超声波坩埚加热器，包括超声波发生器1、用于放置石墨坩埚2的加热炉5和支撑架3，所述超声波发生器1连接有超声变幅杆4；所述支撑架3包括固定套31、3个第一支撑杆32和3个竖直设置第二支撑杆33，所述固定套31套装在超声波发生器1上，所述3个第一支撑杆32以固定套31为轴均匀分布；所述第一支撑杆32的一端均连接在固定套31上、另一端均与第二支撑杆33的上端连接以实现对超声波发生器1的支撑作用。所述第一支撑杆32为可伸缩杆，第二支撑杆33为可伸缩杆。第一支撑杆32和第二支撑杆33均为铝合金材质，所述超声变幅杆4为全钛合金材质的二型变幅杆。

对比例1

一种镱变质a356.2合金的方法，包括以下步骤：

（1）电阻炉加热至500℃，加入纯度为99.9%的铝锭；

（2）电阻炉升温至730℃，待铝锭全部融化，加入al-20%si；

（3）等待al-20%si完全融化，纯度为99.99%的yb，其中铝箔和yb质量比为3:1，保温5min，加入覆盖剂，保温40min；

（4）保温40分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，继续保温15min；

（5）加入mg并立即加入覆盖剂，加入覆盖剂，保温5min；

（6）除杂，真空吸铸：保温状态下，除杂后，在710℃下真空吸铸成型；

（7）成型后热处理的工艺为：535℃固溶5h；冷水淬火，转移时间20s，淬火时间为30s；时效温度为165℃，时效时间为4h，，得到镱变质a356.2合金。组分的质量百分比为：si：12.34%，mg：0.36%，ti：0.05%，yb：0.26%，al：87.25%。

附图1为制成的铝合金的拉伸断面图。