阅读说明：本技术 一种sialon晶须增强型铝基复合材料及其制备方法 (SIALON whisker reinforced aluminum matrix composite material and preparation method thereof ) 是由 曾宇平 张晨旭 尹金伟 左开慧 夏咏峰 姚冬旭 梁汉琴 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种SIALON晶须增强型铝基复合材料及其制备方法,所述SIALON晶须增强型铝基复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相,SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。(The invention relates to a SIALON whisker reinforced aluminum-based composite material and a preparation method thereof.)

一种SIALON晶须增强型铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以SIALON晶须为增强体的增强型铝基复合材料及其制备方法，属于新材料制备领域。

背景技术

铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等一系列优点，具有潜在的应用前景和广阔的市场。陶瓷材料具有高的硬度和强度，是一类应用最为广泛的增强相材料。其中，陶瓷颗粒和晶须是最常见的陶瓷增强相类型。虽然陶瓷颗粒原材料成本相对较低，但是其内部缺陷较多，对基体材料的增强作用有限，并且通常还会降低复合材料的延展性和可加工性。而对于陶瓷晶须来说，它们有着典型的单晶结构，无孔洞、位错、晶界等缺陷，密度和强度均接近理论值。此外，陶瓷晶须外形类似短纤维，较大的长径比可以使晶须的增强效果变得更加突出。其中，SIAlON晶须不仅密度和铝相近，而且具有很高的强度和刚度。因此，SIAlON晶须是铝基复合材料中一种理想的增强相材料。对于铝基复合材料而言，搅拌铸造法是一种操作简单，成本低廉，可以制备大尺寸材料，极其适合工业化生产的一种制备工艺。然而，传统的搅拌铸造法的缺点也十分明显。这主要是由于增强相的尺寸大多处于微米级，宏观的搅拌不仅极易导致团聚现象的发生，而且还会在高速搅拌过程中卷入气体和杂质，从而极大地降低铸件性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明目的是提供一种以SIAlON晶须为增强相的增强型铝基复合材料及其制备方法，有效地解决陶瓷在金属基体内的分布均匀性较差的问题，提高材料致密性，并实现两相良好的界面结合。

一方面，本发明提供了一种SIALON晶须增强型铝基复合材料，所述复合材料以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相，SIALON晶须均匀分布在纯铝或者铝合金基体中。

本发明提供的铝基复合材料中增强相SIALON晶须均匀地分布于铝基材料内部，并与铝基材料紧密结合，使得该铝基复合材料力学性能得到大幅度提高。所得SIALON晶须增强铝基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨损和低膨胀等优点。

较佳的，所述SIALON晶须所占的质量百分比为1～40％，所述基体相所占的质量百分比为60～99％；优选地，所述SIALON晶须所占的质量百分比为5～20％，所述基体相所占的质量百分比为80～95％。

较佳的，所述SIAlON晶须的直径为0.1～1μm，长度为1～5μm，晶须长径比为1～50。

另一方面，本发明还提供了一种上述的SIALON晶须增强铝基复合材料的制备方法，包括：

(1)将SIALON晶须加入到装有纯铝熔体或者铝合金熔体的坩埚中，然后采用机械搅拌的方法实现SIALON晶须在铝基体中的预分散，得到混合液；

(2)在所得混合液中引入超声搅拌杆进行超声搅拌处理后，浇注到模具中，并在熔体凝固过程中将模具的底部接触超声装置(目的是为防止熔体凝固初期晶须的非均匀沉降)，继续进行超声处理，直至完全凝固得到块体；

(3)为进一步提高复合材料的致密性和力学性能，采用热挤压工艺对所得块体进行挤压处理，得到所述SIALON晶须增强型铝基复合材料。

本发明中，采用机械搅拌结合超声搅拌的方法，首先实现SIALON晶须在铝熔体中的宏观预分散，然后通过高强度超声在铝熔体内产生的空化和声流效应，从微观的角度对熔体进行混合，不仅可以有效破碎SIALON晶须团聚体，而且还能改善晶须与铝基体的润湿性。此外，超声搅拌还可有效去除熔体内部的气泡，从而得到更为均匀稳定的组织。采用机械搅拌结合超声搅拌的方法还可有效减少材料的生产时间，提高生产效率，节约成本。

较佳的，所述纯铝熔体或者铝合金熔体的温度为800～1100℃，优选为850～1000℃。

较佳的，所述机械搅拌的速率为200～500转/分钟，时间为0.5～5小时；优选地，所述机械搅拌的速率为300～400r/min，时间为2～3小时。

较佳的，所述超声搅拌杆的材质为Nb-Zr材质；所述超声搅拌处理的频率为80～150kHz，时间为10～30分钟。

较佳的，所述超声处理的方式为将多根材质为Nb-Zr材质的超声震动杆与模具(例如，坩埚)外侧的底部接触，通过模具间接传递超声，直至完全凝固；所述超声的频率为100～150kHz。在凝固过程中引入超声处理一方面可以加速熔体内部的原子运动，使得坩埚内部温度场更为均匀；另一方面，还能有效避免SIALON晶须在凝固过程中的沉淀，具体指防止凝固初期晶须的非均匀沉降。此外，超声在一定程度上还能起到细化铝基体晶粒的作用，对提高材料力学性能有利。

较佳的，所述挤压处理的温度为400～500℃；所述挤压处理的挤压比为(1～8)：1，优选为2:1、4:1或8:1，材料致密度和力学性能均提高。挤压比是指挤压筒腔的横断面面积同挤压制品总横断面面积之比，也叫挤压系数，挤压前后体积无变化。

有益效果：

本发明中，在基体金属熔融状态下，采用机械搅拌对SIALON晶须进行预分散，并以超声搅拌的方法实现晶须在基体内部的进一步分散，而后浇筑到模具内，在其凝固过程中再次引入超声，最后对所得铸件进行热挤压处理，从而获得均匀分散的SIALON晶须增强铝基复合材料；

本发明中，SIALON晶须具有极高的硬度和强度，以及优异的化学稳定性；其次，SIALON晶须有着一定的长径比，可以更好地起到应力传递的作用；再者，SIALON晶须晶体结构中含有Al原子，和铝基体的相容性更好。综上，SIALON晶须是一理想的铝基增强体材料。并且通过实际验证发现，20wt％晶须含量的铝基复合材料相比于纯铝基体而言，强度最大提升了113MPa，提升幅度达91.9％；

本发明使用的是超声辅助的液相搅拌法，该方法特点是生产效率高，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1-5中所用的SIALON晶须的扫描电子显微镜照片；

图2为本发明实施例1所制得的增强型铝基复合材料的增强相和基体相两相界面的透射电子显微镜图片；

图3为本发明实施例1所制得的增强型铝基复合材料的表面抛光形貌图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，SIALON晶须增强型铝基复合材料是以SIALON晶须为增强相、以纯铝或者铝基合金为基体相。其中，SIAlON晶须直径可为0.1～1μm，长度可为1～5μm，晶须长径比可为1～50。

作为一种优选方案，该复合材料中的SIALON晶须所占的质量百分比为1～40％，基体相所占的质量百分比为60～99％。若SIALON晶须含量过低，则增强效果不够明显；若SIALON晶须含量过高，则易造成晶须团聚现象，从而降低材料的力学性能，例如强度下降或者延展性下降。进一步优选地，SIALON晶须所占的质量百分比为5～20％，基体相所占的质量百分比为80～95％。具有该组成的复合材料具有更优异的力学性能。

在本发明一实施方式中，将一定量的SIALON晶须加入到纯铝或者铝合金熔体中，并采用机械搅拌实现SIALON晶须在铝基体中的预分散，然后辅以超声搅拌对其进行进一步分散，而后浇筑到模具中，并在其凝固过程中再次施加超声处理，最后得到均匀分散的SIALON晶须增强铝基复合材料。以下示例性地说明SIALON晶须增强铝基复合材料的制备方法。

SIAlON晶须的制备。一般可根据现有技术(例如参见：岳昌盛等，β-SiAlON晶须的诱导合成和生长机制研究，人工晶体学报，2011年第5期；彭犇等，采用煤矸石为原料合成β-SiAlON晶须及其显微结构研究，硅酸盐通报，2010年第1期等)进行制备。作为一种优选方案，SIALON晶须预先进行表面粗化处理，所述表面粗化处理包括：将SIALON晶须分散在氢氟酸溶液中，机械搅拌一段时间后分离、洗涤、干燥。通过将SIALON晶须预先进行表面粗化处理，可以提升SIALON晶须表面粗糙度，尽可能地增加晶须与基体合金材料的接触面积，从而可以提升基体与晶须的结合力，更好的发挥SIALON晶须的增强作用。

按比例将SIALON晶须加入到纯铝熔体或者铝合金熔体中，然后采用转速为200～500r/min的机械搅拌0.5～5小时，以实现SIALON晶须在铝基体中的预分散。其中机械搅拌的速率为300～400r/min，搅拌时间为2～3h。将纯铝锭或铝合金锭加热至800～1100℃(优选为850～1000℃)，直至完全熔融，形成熔体。环境气氛均为惰性气氛，可以为氩气、氦气等保护气氛。

在机械搅拌后的熔体中引入Nb-Zr材质的超声搅拌杆，对熔体中的SIALON晶须进行进一步地超声搅拌处理。其中，超声搅拌处理的参数包括：超声处理时间为10～30min，超声频率为80～150kHz。环境气氛均为惰性气氛，可以为氩气、氦气等保护气氛。

去除熔体表面浮渣，然后得到的含有SIALON晶须的铝熔体浇注到模具(例如，坩埚)中，进行凝固。在熔体凝固过程中，在模具外侧的底部接触多个上述超声杆，控制超声频率为100～150kHz，直到铝基复合材料的熔体完全凝固后，关闭超声，得到块体。环境气氛均为惰性气氛，可以为氩气、氦气等保护气氛。

采用热挤压工艺对凝固后的块体在400～500℃条件下的预热，然后进行热挤压处理(即，挤压处理)，热挤压温度和预热温度保持一致在400～500℃，最终得到所述增强型铝基复合材料。在热挤压处理过程中，可控制挤压比可为2:1、4:1或8:1。预热处理的时间可为30分钟。环境气氛均为惰性气氛，可以为氩气、氦气等保护气氛。

在本发明中，采用万能试验机测试SIALON晶须增强铝基复合材料的极限拉伸强度，极限压缩强度和弯曲强度。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

首先使用电磁加热装置，将1800g的纯铝锭加热至950℃使其熔融(所述纯纯铝锭所含化学元素质量百分比为：Al≥99.9％，O≤0.1％，下述实施例2～5所用纯铝锭与实施例1相同)，此时启动机械搅拌，转速为350r/min，然后将200gSIALON晶须分次加入铝熔体中，持续搅拌3h；然后，将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定为100kHz，超声时间为30min；接着，去除表面浮渣，将熔融态的铝基复合材料浇筑至钢铁模具中，同时在坩埚外侧的底部引入超声，超声频率为100kHz，超声至材料凝固；最后，将浇筑的样品预热至500℃，保温30min，然后放置于500℃的热挤压模具中，进行热挤压处理，挤压比为4:1，挤压后获得晶须含量为10％质量百分比的SIALON晶须增强铝基复合材料。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：原料中不含SIALON晶须，不做任何机械搅拌和超声搅拌处理，只做热挤压处理。

本实施例1和对比例1所制得的增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度检测数据见表1所示，该复合材料的增强相和基体相两相界面如图2所示。该复合材料内部晶须分布状态如图3所示。

实施例2

首先使用电磁加热装置，将1600g的纯铝锭加热至1000℃使其熔融，此时启动机械搅拌，转速为350r/min，然后将400gSIALON晶须分次加入铝熔体中，持续搅拌3h；然后，将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定为100kHz，超声时间为30min；接着，去除表面浮渣，将熔融态的铝基复合材料浇筑至钢铁模具中，同时在坩埚外侧的底部引入超声，超声频率为100kHz，超声至材料凝固；最后，将浇筑的样品预热至500℃，保温30min，然后放置于500℃的热挤压模具中，进行热挤压处理，挤压比为4:1，挤压后获得晶须含量为20％质量百分比的SIALON晶须增强铝基复合材料。

本实施例2所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度的检测数据见表1所示。

实施例3

首先使用电磁加热装置，将1800g的纯铝锭加热至800℃使其熔融，此时启动机械搅拌，转速为400r/min，然后将200gSIALON晶须分次加入铝熔体中，持续搅拌3h；然后，将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定为100kHz，超声时间为30min；接着，去除表面浮渣，将熔融态的铝基复合材料浇筑至钢铁模具中，同时在坩埚外侧的底部引入超声，超声频率为100kHz，超声至材料凝固；最后，将浇筑的样品预热至500℃，保温30min，然后放置于500℃的热挤压模具中，进行热挤压处理，挤压比为2:1，挤压后获得晶须含量为10％质量百分比的SIALON晶须增强铝基复合材料。

本实施例3所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度的检测数据见表1所示。

实施例4

首先使用电磁加热装置，将1800g的纯铝锭加热至800℃使其熔融，此时启动机械搅拌，转速为400r/min，然后将200gSIALON晶须分次加入铝熔体中，持续搅拌3h；然后，将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定为100kHz，超声时间为30min；接着，去除表面浮渣，将熔融态的铝基复合材料浇筑至钢铁模具中，同时在坩埚外侧的底部引入超声，超声频率为100kHz，超声至材料凝固；最后，将浇筑的样品预热至500℃，保温30min，然后放置于500℃的热挤压模具中，进行热挤压处理，挤压比为8:1，挤压后获得晶须含量为10％质量百分比的SIALON晶须增强铝基复合材料。

本实施例4所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度的检测数据见表1所示。

实施例5

首先使用电磁加热装置，将1800g的纯铝锭加热至950℃使其熔融，此时启动机械搅拌，转速为400r/min，然后将200gSIALON晶须分次加入铝熔体中，持续搅拌3h；然后，将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定为150kHz，超声时间为30min；接着，去除表面浮渣，将熔融态的铝基复合材料浇筑至钢铁模具中，同时在坩埚外侧的底部引入超声，超声频率为150kHz，超声至材料凝固；最后，将浇筑的样品预热至500℃，保温30min，然后放置于500℃的热挤压模具中，进行热挤压处理，挤压比为8:1，挤压后获得晶须含量为10％质量百分比的SIALON晶须增强铝基复合材料。

本实施例5所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度的检测数据见表1所示。

实施例6

本实施例6所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的制备过程和实施例1基本相同，区别在于：SIALON晶须的含量为30wt％。

实施例7

本实施例7所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的制备过程和实施例1基本相同，区别在于：SIALON晶须的含量为40wt％。

对比例2

本对比例2所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的制备过程和实施例1基本相同，区别在于：SIALON晶须的含量为50wt％。

对比例3

本对比例3所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的制备过程和实施例1基本相同，区别在于：仅不引入坩埚外侧底部的超声装置，不进行超声处理。

对比例4

本对比例4所制得的SIALON晶须增强型铝基复合材料的制备过程和实施例1基本相同，区别在于：不经过任何超声过程。

表1为实施例1-7和对比例1-4所制得的增强型铝基复合材料的维氏硬度、极限拉伸强度、极限压缩强度、弯曲强度的检测数据：

。表1中频率1的含义为将Nb-Zr材质的超声搅拌杆放置于熔体内部，超声频率设定的值；频率2的含义为在坩埚外侧的底部放置超声装置，继续超声处理，其超声频率设定的值。

由表1可见，SIALON晶须的加入对实施例中所述纯铝基体有着明显的强化现象，材料强度提升明显；采用高温熔融结合高频超声搅拌处理的复合材料性能最佳。

由图2可见，SIALON晶须增强相和基体相结合紧密，两相界面间没有明显的界面反应，克服了反应产物降低材料延展性的缺点。由图3可见，SIALON晶须在基体内部均匀分布。