无压浸渗制备双连续相复合材料的方法

摘要

本发明涉及一种无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，属于无压浸渗技术领域。本发明的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，利用改性石英砂对预浸渗体(待浸渗多孔基体和浸渗金属)进行填埋，升温进行无压浸渗，改性石英砂形成透气不透液的模具外壳，无压浸渗完成后，降温即得双连续相复合材料。该方法形成的模具的内部空间与预浸渗体大小一致，且透气不透液，可方便模具内的空气排出，减少氧化膜生成，同时有效避免了浸渗金属熔体从四侧流淌流失，可促进浸渗金属熔体在自重作用发生熔体表面氧化膜的破坏，进而浸渗到多孔基体中；改性石英砂中硅元素的存在，能加速金属氧化膜的破坏，缩短无压浸渗时间，从而提高了无压浸渗效率。

权利要求

1.一种无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待浸渗多孔基体和设置在待浸渗多孔基体上的浸渗金属作为预浸渗体；然后利用液体硅酸钠与石英砂混合形成的改性石英砂对预浸渗体进行填埋，升温进行无压浸渗，升温期间改性石英砂相互粘结形成透气不透液的模具外壳，无压浸渗完成后，降温即得双连续相复合材料；

所述待浸渗多孔基体为SiC多孔陶瓷预制体；所述浸渗金属为铝合金生坯。

2.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述液体硅酸钠与石英砂的体积比为1:(20～25)。

3.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述石英砂的粒径为1～2mm。

4.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述无压浸渗的温度为浸渗金属熔点以上200～300℃。

5.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述SiC多孔陶瓷预制体的开孔率为80％～90％；所述SiC多孔陶瓷预制体的孔密度为10ppi～

15ppi；所述SiC多孔陶瓷预制体的平均孔径为2.0mm～2.5mm。

6.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述铝合金生坯的合金元素为Si、Fe、Ti、Cu、Mn、Mg、Cr或Zn中的一种或两种以上；所述铝合金生坯中铝的质量分数为96％～100％。

7.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述无压浸渗的温度为850～950℃；所述无压浸渗的时间为100～150min。

8.根据权利要求1所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述升温的速度为8～10℃/min；所述降温的速度为4～6℃/min。

9.根据权利要求1～4任一项所述的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，其特征在于，所述填埋通过以下方式实现：在坩埚底部铺设一层改性石英砂，然后将预浸渗体放置在坩埚底部的改性石英砂上，并在预浸渗体周围填满改性石英砂，压实即可。

说明书

无压浸渗制备双连续相复合材料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，属于无压浸渗技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国航空航天、轨道交通、电子技术和武器装备等领域的迅猛发展，其运动部件对材料的耐磨性提出了越来越高的要求。常用耐磨材料是颗粒增强复合材料，该类型复合材料属于1-3(一维摩擦组元和三维基体)连接型复合材料，存在的典型问题是服役条件下弥散分布的增强颗粒无法有效地将正常工作产生的热量和摩擦导致的大量热量及时散除，从而使材料抵抗高温变形和粘着磨损的能力受到限制，进而容易造成运动部件发生严重粘着磨损和热变形等典型故障。近年来，国内外学者提出了一种双连续相复合材料。双连续相复合材料具备3-3型连接特征(三维摩擦组元和三维基体)，使用过程中有利于应力和热量在空间范围内迅速传递和分散，也可有效约束金属基体的塑性变形和高温软化，从而在诸多领域显示出诱人的应用前景，尤其用于制备特殊工况下的耐磨零部件。

[0003] 然而，双连续相复合材料的使用性能与其制备过程密切相关。金属熔体浸渗过程是双连续相复合材料制备中至关重要的一个步骤。常用金属熔体浸渗工艺有挤压浸渗法、真空压力浸渗法和无压浸渗法等。其中，无压浸渗工艺由于无需特殊真空或压力装置，工艺简单、成本低廉，且该工艺能制备出增强相体积分数高、性能优良的复合材料，在国内外受到广泛重视。对于SiC/铝合金复合材料，在无压浸渗过程中存在一个关键难题是铝合金熔体表面极容易形成致密氧化铝膜，造成铝合金熔体与SiC陶瓷相间的润湿性差，严重影响到材料的浸渗效果。比如，中国专利CN109311766A公开了一种碳化硅铝基复合结构件的制备方法，该无压浸渗方法是将碳化硅预制体置于铝熔化液中进行无压浸渗，浸渗时间长达4～8h。

[0004] 目前，国内外关于在无压浸渗过程中提高铝合金熔体与SiC陶瓷浸渗程度的方法已有相关报道。比如，对SiC陶瓷相进行镀铜、镀镍预处理；在铝合金基体中添加Mg、Si等元素；在惰性气体中升高浸渗温度、延长浸渗时间等。但是，上述改进措施中，有些工艺需要采用昂贵的设备，有些工艺需要进行复杂的操作，有些工艺的成本高、效率低。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，该方法能够有效促进浸渗效率。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种无压浸渗制备双连续相复合材料的方法，包括以下步骤：

[0008] 将待浸渗多孔基体和设置在待浸渗多孔基体上的浸渗金属作为预浸渗体；然后利用液体硅酸钠与石英砂混合形成的改性石英砂对预浸渗体进行填埋，升温进行无压浸渗，升温期间改性石英砂相互粘结形成透气不透液的模具外壳，无压浸渗完成后，降温即得双连续相复合材料。

[0009] 可以理解的是，为了利用液体硅酸钠与石英砂混合形成的改性石英砂对预浸渗体进行填埋，可借助坩埚作为放置改性石英砂的预浸渗体的容器，优选地，所述填埋通过以下方式实现：在坩埚底部铺设一层改性石英砂，然后将预浸渗体放置在坩埚底部的改性石英砂上，并在预浸渗体周围填满改性石英砂，压实即可。

[0010] 可以理解的是，为了使得预浸渗体周围都填充有改性石英砂，选用的坩埚的体积应稍大于预浸渗体的体积，在坩埚底部先铺上一薄层改性石英砂，然后将预浸渗体放置在该薄层改性石英砂上，可以先放置待浸渗多孔基体，再在待浸渗多孔基体上放置浸渗金属，放置预浸渗体后，预浸渗体与坩埚内壁具有一定的距离，然后在预浸渗体与坩埚的孔隙间填满改性石英砂，并压实改性石英砂即可。

[0011] 可以理解的是，坩埚的材质只要能够承受无压浸渗所采用的温度即可，比如，可以选用氧化铝坩埚。

[0012] 可以理解的是，为了在兼顾成本的同时，使得改性石英砂相互粘结形成的模具外壳能够透气不透液，优选地，所述填埋后形成的设置在预浸渗体底部的改性石英砂的厚度为2～3mm；所述填埋后形成的设置在预浸渗体周围的改性石英砂的厚度为10～20mm。实际操作中，可以先在坩埚底部铺上厚度为2～3mm的一薄层改性石英砂，使其不粘坩埚底部即可。然后在预浸渗体周围填埋上厚度为10～20mm的改性石英砂即可。

[0013] 为了进一步提高模具外壳的综合性能，优选地，所述石英砂的粒径为1～2mm。

[0014] 可以理解的是，升温至100～300℃的温度时，液体硅酸钠失水(失去的水从坩埚上部排出到外部)形成硅凝胶，对石英砂进行粘结，形成透气不透液的模具外壳，且模具外壳的内部空间体积与预浸渗体一样大。可有效避免浸渗金属在浸渗过程中形成的金属熔体的流失，有利于促进熔体充分浸渗。

[0015] 本发明的模具外壳透气不透液(水或熔体)，有利用加热过程的气体排出，又可防止浸渗过程中熔体的流失。石英砂和硅酸钠形成的模具外壳中存在大量Si元素，在无压浸渗的温度下，Si元素将会加速氧化膜的破坏，缩短无压浸渗时间。

[0016] 可以理解的是，利用液体硅酸钠与石英砂混合形成的改性石英砂对预浸渗体进行填埋后，用于升温的装置可以采用本领域常规的装置，比如马弗炉。

[0017] 对于升温进行无压浸渗时的升温速度不作限定，只要能够满足升温至渗浸金属熔点之前，改性石英砂能够相互粘结形成透气不透液的模具外壳即可，无压浸渗时的升温速度越慢越好，为了兼顾效率和时间成本，优选地，所述升温的速度为8～10℃/min。

[0018] 无压浸渗完成后的降温速度越慢越好，为了兼顾效率和时间成本，优选地，所述降温的速度为4～6℃/min。

[0019] 本发明的无压浸渗制备双连续相复合材料的方法中，巧妙地将预浸渗体(待浸渗多孔基体和浸渗金属)填埋在改性石英砂中，然后在无压浸渗升温过程中即可使得改性石英砂形成一个内部空间与预浸渗体大小一致的简易模具，该模具透气不透液，一方面，在高温下可方便模具内的空气排出去，有效减少了氧化膜的生成，另一方面，有效避免了浸渗金属形成的熔体从四侧流淌流失，可在减少浸渗金属用量的同时对待浸渗多孔基体有效浸渗，有利于促进浸渗金属熔体在自重作用发生熔体表面氧化膜的破坏，并往下浸渗到多孔基体中；此外，石英砂和硅酸钠中Si元素的存在，能加速金属氧化物薄膜的破坏，缩短无压浸渗时间，从而提高了无压浸渗制备双连续相复合材料的成本和效率。

[0020] 该方法无需昂贵的辅助设备，设计过程简单，易于实现，且操作过程简单且对环境无污染，成功制备的双连续相复合材料性能良好，无明显宏观孔洞、裂纹。

[0021] 为了进一步提高模具外壳的性能，优选地，所述液体硅酸钠与石英砂的体积比为1:(20～25)。

[0022] 对于液体硅酸钠的具体种类不作限定，采用本领域常规的液体硅酸钠即可，优选地，有液体硅酸钠的波美度为35～52。进一步优选地，液体硅酸钠中主要成分为26.0％二氧化硅、8.2％氧化钠，＜0.5％液体不溶物，其余为水。

[0023] 体积比为1:(20～25)的液体硅酸钠与石英砂混匀后，呈现出手捏成团、手轻散开的状态。

[0024] 为了进一步提高无压浸渗的效率，保证无压浸渗后得到的双连续相复合材料的综合性能，优选地，所述无压浸渗的温度为浸渗金属熔点以上200～300℃。若无压浸渗的温度过低，浸渗过慢，若无压浸渗的温度过高，易产生副产物，不利于提高双连续相复合材料的综合性能。

[0025] 本发明的方法适用于无压浸渗制备多种双连续相复合材料，比如，适用于制备具有优异综合性能的SiC/Al双连续相复合材料，以SiC/Al双连续相复合材料为例，对无压浸渗制备双连续相复合材料的方法进行详述，对于SiC/Al双连续相复合材料来说，优选地，所述待浸渗多孔基体为SiC多孔陶瓷预制体；所述浸渗金属为铝合金生坯。

[0026] 无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料的方法中，通过液体硅酸钠改性的石英砂，加热过程中液体硅酸钠失水生成硅凝胶，把石英砂很好地粘结在一起，形成了一个空间体积跟填满样品一样大的简易模具，使浸渗过程中铝熔体不能从四侧流淌流失，只能在自重作用发生熔体表面氧化膜的破坏，并往下浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中，同时石英砂和硅酸钠中Si元素的存在，能加速氧化铝薄膜的破坏，缩短无压浸渗时间，从而提高了无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料的成本和效率。

[0027] Si元素加速氧化铝薄膜破坏的原理为：石英砂和硅酸钠中的Si元素在高温下扩散到铝熔体中，由于Si元素与O的亲和力大于Al元素与O的亲和力，从而使得Si元素阻碍了致密氧化铝薄膜的形成，进而促进了氧化铝薄膜的破坏。

[0028] 升温进行无压浸渗时，铝合金逐渐熔化，当其加热到设定温度后保温一定时间，随着时间延长，铝合金熔体在自重和毛细作用力的影响下发生表面氧化膜的破坏，并逐渐向下浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中。浸渗完成后，停止加热，并使样品以一定速率冷却，最终得到无明显宏观裂纹，性能良好的SiC/Al双连续相复合材料。

[0029] 无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料的方法，无需昂贵的辅助设备，设计过程简单，易于实现，有利于铝合金熔体表面氧化膜的破坏，促进熔体浸渗到SiC多孔陶瓷中，缩短无压浸渗时间，提高无压浸渗效率。操作过程简单且对环境无污染，成功制备的SiC/Al双连续相复合材料性能良好，无明显宏观孔洞、裂纹，制备的SiC/Al双连续相复合材料，因其独特的结构特征，呈现出一种全新的增强方式，有望用于高速列车、飞机、汽车等设备中的制备摩擦材料，具有可观的经济效益和社会效益。

[0030] 为了保证充分浸渗，铝合金生坯的用量是过量的，为了在充分浸渗的同时控制成本，优选地，所述铝合金生坯与SiC多孔陶瓷预制体的体积比为4～6：1。应当理解的是，铝合金生坯的用量越大，熔体的重量越大，熔体底部的氧化膜越易破坏。

[0031] 为了进一步提高浸渗的效果，得到具有优异综合性能的SiC/Al双连续相复合材料，优选地，所述SiC多孔陶瓷预制体的开孔率为80％～90％；所述SiC多孔陶瓷预制体的孔密度为10ppi～15ppi；所述SiC多孔陶瓷预制体的平均孔径为2.0mm～2.5mm。

[0032] 为了进一步提高浸渗的效果，优选地，所述铝合金生坯的合金元素为Si、Fe、Ti、Cu、Mn、Mg、Cr或Zn中的一种或两种以上；所述铝合金生坯中铝的质量分数为96％～100％。

[0033] 可以理解的是，所述铝合金生坯是经过表面预处理的，所述表面预处理包括打磨、除油和清洗。

[0034] 优选地，铝合金生坯的化学组成(按质量分数％计)为：0.4～0.8Si、0.7Fe、0.15Ti、0.15～0.4Cu、0.15Mn、0.8～1.2Mg、0.04～0.35Cr、0.25Zn，其余Al，其中Al的质量分数约为96％～97％。

[0035] 为了进一步提高浸渗的效果，优选地，所述铝合金生坯的牌号为6061。

[0036] 为了进一步提高浸渗的效果，优选地，所述无压浸渗的温度为850～950℃；所述无压浸渗的时间为100～150min。

附图说明

[0037] 图1为实施例1的放置在马弗炉中的装有改性石英砂和预浸渗体的氧化铝坩埚的装置图；

[0038] 图2为实施例1的铝合金熔体无压浸渗SiC多孔陶瓷预制体的原理图；

[0039] 图3为实施例1得到的SiC/Al双连续相复合材料的微观组织图。

具体实施方式

[0040] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0041] 本发明的实施例中，所用的铝合金生坯的牌号为6061。

[0042] 本发明的实施例中，所用的液体硅酸钠，按质量分数计，主要成分为26.0％二氧化硅、8.2％氧化钠、＜0.5％液体不溶物，其余为水。

[0043] 本发明的实施例中，所用的石英砂的粒径为1～2mm。

[0044] 一、本发明的无压浸渗制备双连续相复合材料的具体实施例如下：

[0045] 实施例1

[0046] 本实施例的无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料，包括以下步骤：

[0047] (1)对牌号为6061的铝合金生坯表面进行打磨、除油和清洗。

[0048] (2)在氧化铝坩埚底部铺设一层厚度为3mm的改性石英砂，把Al合金生坯放置于SiC多孔陶瓷预制体上，并置于铺设有改性石英砂的坩埚中；然后利用改性石英砂在坩埚中对Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体进行填埋，使得Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体与坩埚内壁之间均填充有10～20mm厚的改性石英砂。具体如图1所示，可以看到，放置在马弗炉中的白色的坩埚，坩埚内放置有Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体(预制体在下方，图中无法直接看到)，坩埚周围填充由白色的改性石英砂。

[0049] SiC多孔陶瓷预制体的孔密度为15ppi，孔隙率为82.3％，平均孔径为2.1mm，孔棱尺寸为0.89mm。

[0050] 改性石英砂由液体硅酸钠与石英砂混合形成，液体硅酸钠与石英砂的体积比为1:20。

[0051] 铝合金生坯的长宽高为50mm、50mm、60mm，SiC多孔陶瓷预制体的长宽高为50mm、50mm、15mm。

[0052] (3)将坩埚与填满样品一起放入马弗炉以10℃/min的升温速度进行加热，铝合金逐渐熔化，当其加热到900℃温度后保温120min，保温过程中，铝合金熔体在自重和毛细作用力的影响下发生表面氧化膜的破坏，并逐渐向下浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中。具体如图2所示，图2为铝合金熔体无压浸渗SiC多孔陶瓷预制体的原理图，铝合金熔体浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中后，也形成了连续相，即为SiC/Al双连续相结构。

[0053] (4)浸渗完成后，停止加热，并使样品以4℃/min的速率冷却，最终得到无明显宏观裂纹，性能良好的SiC/Al双连续相复合材料。对该SiC/Al双连续相复合材料的组织形貌进行表征，得到的组织形貌图如图3所示，图3中，深色对应的是SiC多孔陶瓷预制体，浅色对应的是铝合金，由图3可明显看出，铝合金是连续的，鉴于SiC多孔陶瓷也是连续的，即得到的结构件是双连续相复合材料。

[0054] 实施例2

[0055] 本实施例的无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料，包括以下步骤：

[0056] (1)对牌号为6061的铝合金生坯表面进行打磨、除油和清洗。

[0057] (2)在氧化铝坩埚底部铺设一层厚度为3mm的改性石英砂，把Al合金生坯放置于SiC多孔陶瓷预制体上，并置于铺设有改性石英砂的坩埚中；然后利用改性石英砂在坩埚中对Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体进行填埋，使得Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体与坩埚内壁之间均填充有10～20mm厚的改性石英砂。

[0058] SiC多孔陶瓷预制体的孔密度为15ppi，孔隙率为82.3％，平均孔径为2.1mm，孔棱尺寸为0.89mm。

[0059] 改性石英砂由液体硅酸钠与石英砂混合形成，液体硅酸钠与石英砂的体积比为1:25。

[0060] 铝合金生坯的长宽高为50mm、50mm、60mm，SiC多孔陶瓷预制体的长宽高为50mm、50mm、15mm。

[0061] (3)将坩埚与填满样品一起放入马弗炉以8℃/min的升温速度进行加热，铝合金逐渐熔化，当其加热到950℃温度后保温100min，保温过程中，铝合金熔体在自重和毛细作用力的影响下发生表面氧化膜的破坏，并逐渐向下浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中。

[0062] (4)浸渗完成后，停止加热，并使样品以6℃/min的速率冷却，最终得到无明显宏观裂纹，性能良好的SiC/Al双连续相复合材料。

[0063] 实施例3

[0064] 本实施例的无压浸渗制备SiC/Al双连续相复合材料，包括以下步骤：

[0065] (1)对牌号为6061的铝合金生坯表面进行打磨、除油和清洗。

[0066] (2)在氧化铝坩埚底部铺设一层厚度为2mm的改性石英砂，把Al合金生坯放置于SiC多孔陶瓷预制体上，并置于铺设有改性石英砂的坩埚中；然后利用改性石英砂在坩埚中对Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体进行填埋，使得Al合金生坯和SiC多孔陶瓷预制体与坩埚内壁之间均填充有10～20mm厚的改性石英砂。

[0067] SiC多孔陶瓷预制体的孔密度为10ppi，孔隙率为80.2％，平均孔径为2.3mm，孔棱尺寸为0.97mm。

[0068] 改性石英砂由液体硅酸钠与石英砂混合形成，液体硅酸钠与石英砂的体积比为1:22。

[0069] 铝合金生坯的长宽高为50mm、50mm、60mm，SiC多孔陶瓷预制体的长宽高为50mm、50mm、15mm。

[0070] (3)将坩埚与填满样品一起放入马弗炉以9℃/min的升温速度进行加热，铝合金逐渐熔化，当其加热到850℃温度后保温150min，保温过程中，铝合金熔体在自重和毛细作用力的影响下发生表面氧化膜的破坏，并逐渐向下浸渗到SiC多孔陶瓷预制体中。

[0071] (4)浸渗完成后，停止加热，并使样品以4℃/min的速率冷却，最终得到无明显宏观裂纹，性能良好的SiC/Al双连续相复合材料。

[0072] 二、关于对比例

[0073] 对比例1

[0074] 现有的无压浸渗方法都没有为待浸渗多孔基体和浸渗金属提供与其体积一致的模具，若采用上置法(即将浸渗金属放置在待浸渗多孔基体的上面)，浸渗金属熔融形成熔体后，将不可避免地向四周流淌，不利于节约浸渗金属的用量，且不利于充分浸渗，现有技术大多直接将待浸渗多孔基体置于浸渗金属形成的熔体中，比如CN109311766A公开了一种碳化硅铝基复合结构件的制备方法，就是直接将碳化硅预制体置于铝熔化液中进行无压浸渗，不仅需要大量的铝原料，而且浸渗时间长达4～8h。

[0075] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。