專利名稱：一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，涉及一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的 制備方法。
背景技術(shù)：
鋁-硅合金因其具有優(yōu)良的鑄造性能，如收縮率小、流動(dòng)性高、氣密性好和熱裂傾 向小等，經(jīng)過變質(zhì)處理后，還具有很好的力學(xué)性能、物理性能和切削加工性能，因而成為鑄 造鋁合金中應(yīng)用最為廣泛的合金。而碳化硅顆粒具有高比強(qiáng)度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系 數(shù)、高熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，若將兩者結(jié)合成為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料，同 時(shí)兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，則將具有更廣泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外針對(duì)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究已有較多報(bào)道，但采用的制備 方法幾乎全部是外加法，如Dural公司1986年提出彌散混合攪拌制備高質(zhì)量顆粒增強(qiáng)鋁 基復(fù)合材料的專利技術(shù)(US Patent 4786467,1988)以及Μ. G. Mckimpson所采用的粉末 冶金法(Journal of Metals，1993，45 (1) :26_29)。但這些方法因耗時(shí)耗能，而且碳化硅 增強(qiáng)相與鋁基體的界面結(jié)合力差，增強(qiáng)效果不佳。與外加法相比，原位生成法制備的復(fù) 合材料中，碳化硅粒子尺度小、界面清潔、與基體相容性好，展示出一系列優(yōu)點(diǎn)，從而大大 提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。如，文獻(xiàn)[C. Jacquier, D. Chaussende, G. Ferro, J. C. Viala, F.Cauwet, Y. Monteil. Study ofthe interaction between graphite and Al-Si melts for the growth of crystalline siliconcarbide. Journal ofMaterials Science.2002, 37 =3299-3306]將鋁粉、硅粉的混合粉末與石墨棒壓實(shí)，然后在真空或氬氣氣氛中加熱通 過自蔓延高溫反應(yīng)可得到含有碳化硅顆粒的鋁-硅合金。但這種方法需要真空環(huán)境，反應(yīng) 所需時(shí)間較長(zhǎng)，且不易得到密實(shí)的金屬基體。文獻(xiàn)[Banqiu ffu, Ramana G. Reddy. In-situ formation ofSiC-reinforced Al-Si alloy composites using Methane gas mixtures. Metallurgical andMaterials Transaction B. 2002,33(4) :543_550]報(bào)道了將甲燒與氬 氣的混合氣體通入到鋁-硅熔體中的制備方法，其工藝極其復(fù)雜，反應(yīng)過程控制困難，難以 大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡(jiǎn)便、工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成 本低、無污染且適合工業(yè)化生產(chǎn)的原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法，其特征包括以下步 驟(1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好所需原料30. 00% -75. 00%的鋁-碳合金，15% -60%的工業(yè)結(jié)晶硅，5. 00% -10. 00%的鋁-鈦合金，0. 10% -3. 00%的錫或六氟 鍺酸鉀；其中，鋁-碳合金中的碳含量為0. 50-10. OOwt. %，鋁-鈦合金中的鈦含量為 0. 50-25. Owt. % ；(2)將鋁-碳合金置于中頻感應(yīng)爐中熔化至800-1200°C，保溫5_10分鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及單質(zhì)錫或六氟鍺酸鉀，原位反應(yīng)10-15分鐘后， 加入鋁-鈦合金，反應(yīng)10-15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的 鋁-硅基復(fù)合材料。上述一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法，其特征是在制 備復(fù)合材料的過程中，步驟(2)中碳元素以鋁-碳合金的形式加入熔體中，加入工業(yè)結(jié)晶硅 后熔體中主要發(fā)生以下反應(yīng)逛+Al4C3(S) — SiC (S)+Al(I) (1)步驟(3)中鈦元素以鋁-鈦合金的形式加入熔體中，加入的鈦主要起催化的作用， 促進(jìn)反應(yīng)(1)向右進(jìn)行。步驟(3)中加入的錫或鍺元素能提高生成的碳化硅顆粒表面的活性，從而加快碳 化硅顆粒的生成速率，并改善其分布。由于碳化硅顆粒是在鋁熔體中經(jīng)原位反應(yīng)直接生成，表面潔凈、無污染，在基體中 分布較均勻，尺寸為5-10微米。所得復(fù)合材料產(chǎn)品具有較高的綜合力學(xué)性能。本發(fā)明采用 鋁_碳合金和鋁_鈦合金，無需其他氣體發(fā)生或控制裝置，不需機(jī)械攪拌或真空裝置，用普 通的熔煉工藝就可實(shí)現(xiàn)，無污染、成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，因而特別適合規(guī)模化生產(chǎn) 和應(yīng)用。另外，通過組織優(yōu)化、合金化和變質(zhì)細(xì)化等方法，可得到力學(xué)性能優(yōu)異的碳化硅顆 粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料。
具體實(shí)施例方式下面給出本發(fā)明的幾個(gè)最佳實(shí)例。實(shí)施例1(1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好原料70. 00 %的鋁-碳二元合金，5. 00 %的 鋁-鈦二元合金，0.5%的錫，余為工業(yè)結(jié)晶硅；其中所用的鋁-碳合金中的碳的含量為 1.00，所用鋁-鈦合金中的鈦的含量為20. 00 ；(2)將鋁-碳合金置于中頻感應(yīng)爐中熔化至1000°C，保溫5分鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及單質(zhì)錫，原位反應(yīng)15分鐘后，加入鋁-鈦合金， 反應(yīng)15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁-硅基復(fù)合材料。復(fù) 合材料具體成分為:Al-20% Si-3% SiC-I% Ti-0. 5% Sn。實(shí)施例2 (1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好原料50. 00 %的鋁-碳二元合金、10. 00 %的 鋁-鈦二元合金以及3%的六氟鍺酸鉀，余為工業(yè)結(jié)晶硅。其中所用的鋁-碳合金中的碳的 含量為4. 00，所用鋁-鈦合金中的鈦的含量為10. 00 ；(2)將鋁-碳合金和鋁-鈦合金一起置于中頻感應(yīng)爐中熔化至1000°C，保溫5分 鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及六氟鍺酸鉀，原位反應(yīng)10分鐘后，加入鋁-鈦合金，反應(yīng)10分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁-硅基復(fù)合材料。 復(fù)合材料具體成分為A1-30% Si-6% SiC-I% Ti-I% Ge。實(shí)施例3(1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好原料20. 00 %的鋁-碳二元合金，10. 00 %的 鋁-鈦二元合金，2%的單質(zhì)錫，余為工業(yè)結(jié)晶硅。其中所用的鋁-碳合金中的碳的含量為 10. 00，所用鋁-鈦合金中的鈦的含量為10. 00 ；(2)將鋁-碳合金置于中頻感應(yīng)爐中熔化至1000°C，保溫5分鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及單質(zhì)錫，原位反應(yīng)10分鐘后，加入鋁-鈦合金， 反應(yīng)10-15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁-硅基復(fù)合材料。 復(fù)合材料具體成分為A1-61% Si-6% SiC-I% Ti-2% Sn。實(shí)施例4(1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好原料40. 00 %的鋁-碳二元合金，10. 00 %的 鋁-鈦二元合金，0. 10%的六氟鍺酸鉀，余為工業(yè)結(jié)晶硅。其中所用的鋁-碳合金中的碳的 含量為8. 00，所用鋁-鈦合金中的鈦的含量為10. 00 ；(2)將鋁-碳合金置于中頻感應(yīng)爐中熔化至1000°C，保溫5分鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及六氟鍺酸鉀，原位反應(yīng)10分鐘后，加入鋁-鈦合 金，反應(yīng)10-15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁-硅基復(fù)合材 料。復(fù)合材料具體成分為Al-40% Si-10% SiC-I% Ti-0. 03% Ge。
權(quán)利要求
一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁 硅基復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)首先按以下質(zhì)量百分比準(zhǔn)備好所需原料30.00％ 75.00％的鋁 碳合金，15％ 60％的工業(yè)結(jié)晶硅，5.00％ 10.00％的鋁 鈦合金，0.10％ 3.00％的錫或六氟鍺酸鉀；(2)將鋁 碳合金置于中頻感應(yīng)爐中熔化至800 1200℃，保溫5 10分鐘；(3)向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及單質(zhì)錫或六氟鍺酸鉀，原位反應(yīng)10 15分鐘后，加入鋁 鈦合金，反應(yīng)10 15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁 硅基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法 其特征是步驟(1)鋁-碳合金中的碳含量為0. 50-10. OOwt. %，鋁-鈦合金中的鈦含量為 0. 50-25. Owt. %。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，涉及一種原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁-硅基復(fù)合材料的制備方法。該方法是先把鋁-碳合金熔化至800-1200℃，保溫5-10分鐘，向該熔體中加入工業(yè)結(jié)晶硅及單質(zhì)錫或六氟鍺酸鉀原位反應(yīng)10-15分鐘后，加入鋁-鈦合金，反應(yīng)10-15分鐘，就能夠得到原位生成碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁-硅基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的鋁-硅基復(fù)合材料適用于在高溫條件下工作及對(duì)力學(xué)性能要求高的結(jié)構(gòu)部件。本發(fā)明工藝方法采用常規(guī)熔煉設(shè)備，無需特別裝置，成本低，操作簡(jiǎn)便，適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/03GK101928870SQ20101027392
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者劉相法, 吳亞平, 李大奎, 李鵬廷 申請(qǐng)人:山東大學(xué)