復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬/陶瓷復(fù)合材料，特別是一種Mg合金/Ah化復(fù)合材料及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料的輕質(zhì)高強(qiáng)化勢(shì)必成為航空航天、汽車工業(yè)和防彈裝 甲等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。而Mg合金在金屬材料中密度最小，約為A1合金的2/3,因而成為輕型 結(jié)構(gòu)材料的首選。但是Mg合金強(qiáng)度低，因而需要通過(guò)復(fù)合等方法增加其強(qiáng)度。陶瓷材料強(qiáng)度 高，但塑性差。將兩者復(fù)合得到輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料可W滿足應(yīng)用需求。但是如何有效地復(fù) 合是決定Mg合金/陶瓷復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。
[0003] 20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)天然貝殼具有"磚-泥"的微觀結(jié)構(gòu)，其成分為結(jié)晶碳酸巧 和蛋白有機(jī)物。有機(jī)物的含量?jī)H為5vol. %左右，無(wú)機(jī)碳酸巧層通過(guò)有機(jī)"膠"相互連接在一 起，呈層狀結(jié)構(gòu)分布，層厚大約為0.3-0.4μπι。運(yùn)種層狀結(jié)構(gòu)的斷裂功比單純的碳酸巧高約 3000倍?；谪悮訝罱Y(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，人們開(kāi)始探尋如何制備出仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu)材料。 人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)水基懸浮液的定向冷凍，可使冰晶和溶質(zhì)呈層狀分布，再經(jīng)真空冷凍干燥 將冰晶升華，從而得到溶質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)，此即冰模板法。利用冰模板法制備仿貝殼層狀多孔 陶瓷材料既克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)（如流延成型、反應(yīng)燒結(jié)等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)控制 (單層厚度小于100μπι)的缺點(diǎn)，同時(shí)克服了層-層堆積，自組裝等無(wú)法制備大尺度工程結(jié)構(gòu) 材料的缺點(diǎn)。
[0004] 近年來(lái)，利用冰模板法制備仿貝殼層狀多孔陶瓷材料成為研究熱點(diǎn)。但是，將運(yùn)種 方法與金屬烙滲技術(shù)相結(jié)合，即將金屬烙體注入到冰模板制備的層狀多孔陶瓷孔隙中，來(lái) 獲得層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料的研究還很少。目前，我們能夠檢索到國(guó)際上僅有的幾篇文獻(xiàn) (Minimal compliance design for metal-ceramic composites with lamellar microstructures，Acta Mater,2011年59卷P4835-4846;Lameliar-interpenetrated Al-Si-Mg/SiC composites fabricated by freeze casting and pressureless infiltration，Mater.Sci.Eng.A,2015年630卷P78-84;Preparation of high-strength Al-Mg-Si/Al2〇3composites with lamellar structures using freeze casting and pressureless infiltration techniques，Acta Metall.Sin.,2014年27卷5其月P944-950) 集中在Al基復(fù)合材料，浸滲方法主要是壓力浸滲和無(wú)壓浸滲兩種。沒(méi)有檢索到任何有關(guān)利 用冰模板和烙滲技術(shù)制備Mg基復(fù)合材料的報(bào)道。在層狀A(yù)1基復(fù)合材料的制備上，壓力浸滲 對(duì)設(shè)備和陶瓷巧體的承壓要求比較高，需要高壓設(shè)備及密封良好的耐高壓模具，所W生產(chǎn) 成本高，工藝較復(fù)雜。而無(wú)壓浸滲是利用毛細(xì)力作用將烙融合金自發(fā)滲入到多孔陶瓷的層 狀孔隙中，對(duì)設(shè)備和陶瓷巧體的承壓要求低，成本低，工藝簡(jiǎn)單。但無(wú)壓浸滲最大的瓶頸是 要解決金屬和陶瓷巧體的潤(rùn)濕性問(wèn)題。也就是說(shuō)，只有在兩者具有良好潤(rùn)濕的基礎(chǔ)上，才可 W使烙融合金自發(fā)浸滲入多孔陶瓷巧體。先前，中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN201410072030.3，公開(kāi)日 2014年7月2日，發(fā)明名稱為高強(qiáng)度層狀A(yù)1基金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，公開(kāi)了一種 高強(qiáng)度層狀A(yù)1基金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。在此過(guò)程中主要是利用了 A1合金中的Mg 和化氣來(lái)改變AI2O3陶瓷與A1合金間的潤(rùn)濕性，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)壓浸滲。運(yùn)一方法的基本原理是 在化氣氛下，將Al-Si-Mg合金加熱烙融，利用A1合金中的Mg(Mg的質(zhì)量比為6-lOwt. % )蒸發(fā) 變?yōu)镸g蒸氣，與化反應(yīng)生成Mg3化。Mg3化附著在Al2〇3片層上，與合金液前沿中的A1繼續(xù)反應(yīng) 生成A1N并置換出Mg。生成的A1N極大地降低了液固界面的界面能，改善了合金與陶瓷間的 潤(rùn)濕性，從而實(shí)現(xiàn)Al-Si-Mg合金在層狀陶瓷巧體中的無(wú)壓浸滲。在Al-Si-Mg合金的無(wú)壓浸 滲中，一定含量的Mg和化氣氛是兩個(gè)必要條件。但是對(duì)于Mg合金而言，由于Mg與化大量反應(yīng) 會(huì)生成Mg3化相，導(dǎo)致合金粉化嚴(yán)重，并且脆性大，所W不宜采用含氮?dú)夥?，從而也無(wú)法實(shí)現(xiàn) 金屬與陶瓷的潤(rùn)濕。也就是說(shuō)，上述無(wú)壓浸滲不能用于制備Mg基金屬-陶瓷層狀復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種Mg合金/Ab化復(fù)合材料及制備方法，實(shí)現(xiàn)W低成本的制 備技術(shù)獲得比強(qiáng)度高的Mg合金/A12化復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明Mg合金/A!20復(fù)合材料，是由冰模板法制備的層狀結(jié)構(gòu)A!203基體和浸滲復(fù) 合在該基體片層間隙中的Mg合金組成。
[0007] 該復(fù)合材料的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為:Mg合金層和Al2〇3層的厚度為25-100ym;Ab化的體積分 數(shù)為10-40VO1. %，Mg合金的體積分?jǐn)?shù)為60-90VO1. %。
[0008] 本發(fā)明Mg合金/A12化復(fù)合材料的制備方法，包括W下步驟：
[0009] a.用冰模板法定向凝固制得層狀結(jié)構(gòu)的Al2〇3巧體，并在高溫下燒結(jié)獲得層狀結(jié)構(gòu) Al2〇3基體；
[0010] b.將上述Al2〇3基體在娃溶膠中浸泡后，在700-950°C下干燥至完全脫水;使納米 Si化包覆在Al2〇3片層表面；
[OOW C.將Mg合金塊置于步驟b處理后的Al20溢體上，放入馬弗爐中，在Ar氣氛下隨爐升 溫，在630-700°C下進(jìn)行浸滲，隨爐冷卻至室溫，即獲得Mg合金層和Al203層呈交替分布的Mg 合金/AI2化夏合材料。
[0012]步驟a所述的層狀結(jié)構(gòu)Al2〇3基體，由W下【具體實(shí)施方式】獲得：
[001引將4!203粉用含有分散劑聚甲基丙締酸鋼的水溶液混合，其中Al203粉占整個(gè)漿料 的體積百分比為10-40VO1. %，在球磨機(jī)中研磨后真空攬拌除氣，制得粒徑小于扣m的水基 Al203漿料；
[0014] 將水基Al2〇3漿料注入聚四氣乙締模具中，在-20°C的低溫浴中進(jìn)行定向凝固后，在 冷凍干燥機(jī)中-50°C和10化下進(jìn)行真空升華脫水，繼而在1300-1500°C下燒結(jié)，獲得具有定 向孔隙的層狀結(jié)構(gòu)Al2〇3基體。
[0015] 步驟b中所述的娃溶膠，Si〇2濃度為10-30wt. %，Si〇2粒徑為10-20皿，浸泡時(shí)間為 2-120min。
[0016] 步驟C中所述的升溫和冷卻速度均為5°C/min，所述的Mg合金可選自各種商用牌 號(hào)，其中典型的AZ系列儀合金中儀的含量為90-100wt. %，侶的含量為1-lOwt. %，鋒的含量 為 0.35-lwt.%。
[0017]本發(fā)明提供的Mg合金/AI2O復(fù)合材料，進(jìn)一步拓展了輕質(zhì)高強(qiáng)金屬-陶瓷復(fù)合材料 品種。當(dāng)該復(fù)合材料的密度為2.57g/cm3時(shí)，其壓縮強(qiáng)度可達(dá)697MPa。
[0018]由于Mg合金和Al2〇3陶瓷的潤(rùn)濕性差，Mg合金烙化后無(wú)法自發(fā)浸滲入多孔Al2〇3巧 體中。因此，在制備方法上，本發(fā)明提出了娃溶膠浸泡法和反應(yīng)自發(fā)浸滲技術(shù)。娃溶膠浸泡 法可輕松實(shí)現(xiàn)納米Si化包覆Al2〇3陶瓷片層表面，從而顯著改善與Mg合金的潤(rùn)濕性;而反應(yīng) 自發(fā)浸滲相比于傳統(tǒng)的壓力浸滲和無(wú)壓浸滲，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)陶瓷巧體的承壓 要求低，成本低，浸滲速度快，合金填充性好，界面結(jié)合強(qiáng)并且不受化氣氛制約等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例4冰模板法定向凝固