阅读说明：本技术 一种圆桶形多层复合材料铸件的制备方法 (Preparation method of cylindrical multilayer composite casting ) 是由 卢德宏 徐志凯 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种圆桶形多层复合材料铸件的制备方法,属于金属基复合材料制备技术领域。所述方法为将铝合金放入熔炼炉中熔炼为金属液,一部分保持液态,另一部分降温至半固态区间保温,并加入B<Sub>4</Sub>C陶瓷颗粒,搅拌使之均匀分散于半固态浆料中,再将铝合金液升温至高于熔点的温度,备用；离心铸造机模具预热,启动离心铸造机,浇入含有B<Sub>4</Sub>C陶瓷颗粒的铝合金液并使之成型,待其凝固完成但仍处于高温时,再浇入不含陶瓷颗粒的铝合金,成型凝固得到铸件。该铸件具有三层结构,其中外层、内层均为铝合金,中间层为复合材料,且中间层与内、外层界面的B<Sub>4</Sub>C呈梯度分布。本发明所述方法获得的金属基复合材料强度、塑性和弹性模量综合性能优异。(The invention discloses a preparation method of a barrel-shaped multilayer composite casting, and belongs to the technical field of metal matrix composite preparation. The method comprises the steps of putting aluminum alloy into a smelting furnace to be smelted into molten metal, keeping one part of the molten metal in a liquid state, cooling the other part of the molten metal to a semi-solid state region, preserving heat, and adding B 4 C, ceramic particles are stirred to be uniformly dispersed in the semi-solid slurry, and then the temperature of the aluminum alloy liquid is raised to be higher than the melting point for later use; preheating the mould of the centrifugal casting machine, starting the centrifugal casting machine, and pouring the mixture containing B 4 C ceramic particles, forming the same, and solidifying the sameAnd when the temperature is still high, pouring aluminum alloy without ceramic particles, and forming and solidifying to obtain the casting. The casting has a three-layer structure, wherein the outer layer and the inner layer are both made of aluminum alloy, the middle layer is made of composite material, and B is the interface between the middle layer and the inner layer and the outer layer 4 C is distributed in a gradient way. The metal matrix composite material obtained by the method has excellent comprehensive properties of strength, plasticity and elastic modulus.)

一种圆桶形多层复合材料铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

传统合金材料的比强度、比模量已达到极限，无法进一步满足当前先进装备所需材料的性能要求和使用要求。而颗粒增强金属基复合材料是21世纪最具有发展前途的先进材料之一。该复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、以及良好的高温性能，并且颗粒增强金属基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好。但常规陶瓷颗粒增强金属基复合材料往往是随着陶瓷颗粒增加，虽然强度和弹性模量增加，但是塑性和韧性大大降低，影响了其推广应用。

中国发明专利CN102527978A通过利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法，实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形。但内层复合材料层还是存在脆性大的问题，当内表面受到大载荷或强烈冲击等作用时，容易出现裂纹萌生和快速扩展等问题。

中国发明专利CN101338704A所述缸套基体为Al-Si合金，熔炼金属液时加入Mg，使之形成初晶Si与Mg₂Si混合的增强颗粒，通过离心铸造使增强层向往分布，非增强层向内分布，二者形成冶金结合。但居于外层的复合材料仍然存在脆性大的问题，当构件外表面受到大载荷或强烈冲击等时，还是容易出现裂纹萌生和快速扩展等问题。

发明内容

针对常规陶瓷颗粒增强金属复合材料塑性韧性差的问题，本发明的目的在于提供一种高强韧高模量圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，具体步骤如下：

(1)将铝合金放入熔炼炉中熔炼为金属液，一部分保持液态，另一部分降温至半固态区间保温，并加入B₄C陶瓷颗粒，搅拌使之均匀分散于半固态浆料中，再将铝合金液升温至高于熔点的温度，备用。

(2)离心铸造机模具刷涂料并预热，启动离心铸造机，浇入含有B₄C陶瓷颗粒的铝合金液并使之成型,待其凝固完成但仍处于高温时，再浇入不含陶瓷颗粒的铝合金，并使之成型凝固。

(3)待铸件冷却后，将铸件从离心铸造机内取出，获得桶形复合材料铸件。

优选的，本发明所述高强韧高模量圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的金属基体为2系、5系、7系铝合金。

优选的，本发明步骤(1)中的B₄C陶瓷颗粒粒度为5～100μm。

优选的，步骤(1)中陶瓷颗粒体积含量为半固态浆料总体积含量的10％～50％。

优选的，步骤(1)中金属的熔炼温度为液相线以上50～100℃。

优选的，步骤(2)中离心铸造工艺为:转速为500～4000r/min，时间为3～60min。

优选的，步骤(2)中离心铸造模具预热温度为200～550℃。

本发明的原理：本发明所述方法是利用B₄C陶瓷的密度(2.4～2.5g/cm³)比铝合金基体的密度(2.7g/cm³)低，在离心铸造过程中，由于在离心力作用下，含有B₄C颗粒的铝合金液体中，B₄C颗粒向内偏聚，而铝基体向外偏聚，从而形成外部铝合金层，内部复合材料层的双层结构，而且二者的界面B₄C呈梯度分布；待其凝固完成但仍处于高温时，浇入纯铝合金液，在离心力作用下，形成内层铝合金，并将中间层内表面重熔，形成B₄C的梯度分布以及与内层的冶金结合；从而使铸件形成三层结构，其中外层、内层均为纯铝合金，而中间层为复合材料层，且中间层与内、外层界面的B₄C呈梯度分布。由于B₄C具有高强度(压缩强度4.2GPa，弹性模量420GPa)，因此B₄C颗粒增强铝合金复合材料中间层具有高强度和高弹性模量(刚度)，进一步使整体铸件具有高强度和高刚度。而纯铝合金外层和内层具有优秀的韧性，使中间层不易产生裂纹，从而保证无论在外表面还是内表面，当受到大载荷或强烈冲击时，整体铸件都不会产生裂纹而失效，从而使复合材料铸件具有高强、高韧和高模量。

本发明的有益效果：

(1)本发明制备圆桶铸件具有外层铝合金,中间层复合材料，内层铝合金的独特多层复合结构，且各层间界面呈冶金结合，陶瓷颗粒呈梯度分布。这种独特结构不仅能提高铸件的强度和刚度，而且无论在外表面还是内表面，当受到大载荷或强烈冲击时，整体铸件都不易产生裂纹而失效，从而使复合材料铸件塑性韧性也得到保障，达到高强、高韧、高模量的效果。

(2)本发明制备圆桶形多层复合材料铸件还具有常规离心铸造的优点：在离心力作用下，陶瓷颗粒和基体紧密结合，致密性好，铸造缺陷少，铸件表面质量高，且工艺简单，效率高，便于进行机械化、自动化批量生产，因此，具有很大的应用前景。

附图说明

图1为圆桶形多层复合材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种高强韧高模量圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，具体步骤如下：

(1)以尺寸为5μm的B4C陶瓷颗粒和7075铝合金基体为原料。

(2)将步骤(1)中的7075铝合金放入熔炼炉中熔炼为金属液，一部分保持液态(金属液总体积55％)，另一部分降温至半固态区间630℃，保温，并加入B₄C陶瓷颗粒(B₄C陶瓷颗粒加入体积为半固态浆料总体积含量的12％)，搅拌使之均匀分散于半固态浆料中，再将铝合金液升温至高于熔点的温度，备用。

(3)将步骤(2)中的离心铸造机模具刷涂料并预热至350℃，启动离心铸造机，浇入含有B₄C陶瓷颗粒的7075铝合金液并使之成型，待其凝固完成但仍处于高温时，再浇入不含陶瓷颗粒的7075铝合金，并使之成型凝固。

(4)待铸件成型后，通水冷却或自然冷却，将铸件从离心铸造机内取出，桶形复合材料铸件完成；获得的铸件其抗压强度为763MPa，延伸率为13.7％，弹性模量为98GPa。

实施例2

一种高强韧高模量圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，具体步骤如下：

(1)以尺寸为20μm的B₄C陶瓷颗粒和5083铝合金基体为原料。

(2)将步骤(1)中的5083铝合金放入熔炼炉中熔炼为金属液，一部分保持液(金属液总体积45％)，另一部分降温至半固态区间620℃，保温，并加入B₄C陶瓷颗粒(B₄C陶瓷颗粒加入体积为半固态浆料总体积含量的10％)，搅拌使之均匀分散于半固态浆料中，再将铝合金液升温至高于熔点的温度，备用。

(3)将步骤(2)中的离心铸造机模具刷涂料并预热至300℃，启动离心铸造机，浇入含有B₄C陶瓷颗粒的5083铝合金液并使之成型,待其凝固完成但仍处于高温时，再浇入不含陶瓷颗粒的5083铝合金，并使之成型凝固。

(4)待铸件成型后，通水冷却或自然冷却，将铸件从离心铸造机内取出，桶形复合材料铸件完成；获得的铸件其抗压强度为707MPa，延伸率为13.8％，弹性模量为93GPa。

实施例3

一种高强韧高模量圆桶形多层复合材料铸件的制备方法，具体步骤如下：

(1)以尺寸为100μm的B₄C陶瓷颗粒和2024铝合金基体为原料为原料。

(2)将步骤(1)中的2024铝合金放入熔炼炉中熔炼为金属液，一部分保持液态(金属液总体积50％)，另一部分降温至半固态区间630℃，保温，并加入B4C陶瓷颗粒(B₄C陶瓷颗粒加入体积为半固态浆料总体积含量的50％)，搅拌使之均匀分散于半固态浆料中，再将铝合金液升温至高于熔点的温度，备用。

(3)将步骤(2)中的离心铸造机模具刷涂料并预热至400℃，启动离心铸造机，浇入含有B₄C陶瓷颗粒的2024铝合金液并使之成型,待其凝固完成但仍处于高温时，再浇入不含陶瓷颗粒的2024铝合金，并使之成型凝固。

(4)待铸件成型后，通水冷却或自然冷却，将铸件从离心铸造机内取出，桶形复合材料铸件完成；获得的铸件其抗压强度为762MPa，延伸率为10.6％，弹性模量为106GPa。