颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

摘要

本申请涉及颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料由10％～40％质量含量的条形陶瓷颗粒和余量的铝基材料组成，其中铝基材料由主要合金元素和铝组成，主要合金元素包括锡、铈和铜。上述颗粒增强铝基复合材料的密度为2.71g/cm3～2.86g/cm3，具有质轻、耐磨、高冲击韧性等优点，能满足一定冲击应力环境下的应用。

权利要求

1.一种颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，由10% 40%质量含量的条形陶瓷颗粒和余~量的铝基材料组成；以质量百分含量计，所述铝基材料由1.5% 8%主要合金元素和余量的铝~组成，所述主要合金元素包括锡、铈和铜；所述条形陶瓷颗粒的长径比为1:(3 6)；所述条形~陶瓷颗粒的长度为10μm 40μm；所述条形陶瓷颗粒选自碳化硅、碳化钛及氮化硅中的至少一~种；

所述颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供所述条形陶瓷颗粒和铝基材料的原料粉体；

将所述条形陶瓷颗粒和铝基材料的原料粉体按比例混合后，模压成形，得到坯体；

在保护性气体氛围中，将所述坯体进行烧结，得到所述颗粒增强铝基复合材料；

所述模压成形的压力分两阶段施加；第一阶段的压力为10MPa 20MPa，加压速率为1mm/~s 5mm/s，保压时间为3s 10s；第二阶段的压力为200MPa 400MPa，加压速率为1mm/s 5mm/s，~ ~ ~ ~保压时间为3s 10s。

~

2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述主要合金元素还包括镁、硅中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，以质量百分含量计，所述铝基材料由0.25% 3.5%的锡，0.25% 1.5%的铈，0.25% 3.5%的铜，0.25% 1.5%的镁，~ ~ ~ ~

0.15% 1.0%的硅和余量的铝组成。

~

4.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述颗粒增强铝基复合

3 3

材料的密度为2.71g/cm 2.86g/cm。

~

5.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述烧结的条件为：以8℃/min 15℃/min的加热速率升温至350℃ 450℃，保温15 30分钟，再升温至600℃ 660℃，~ ~ ~ ~保温45 120分钟，最后降温至200℃以下。

~

说明书

颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是涉及颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 颗粒增强铝基复合材料是将陶瓷颗粒加入到铝或铝合金基体中形成的一种复合材料，相较于纤维和晶须增强的铝基复合材料，颗粒增强铝基复合材料由于具有成本低、制备方法灵活多样、尤其是可对传统的冶金设备和方法加以改造就能制备出质量较好的复合材料等优点，在越来越多的领域得到了广泛的应用。传统的颗粒增强铝基复合材料虽然由于陶瓷颗粒的加入，材料的耐磨损性能都得到了一定程度的提高，但材料的塑性和冲击韧性却发生了明显的下降，限制了其在具有一定冲击应力环境下的应用。

[0003] CN113798488A公开了一种铝基粉末冶金材料及其制备方法，该铝基粉末冶金材料采用Cu、Ce、Sn中的至少一种作为主要合金元素，Nd、Mg中的至少一种作为微量元素，使该铝基粉末冶金材料在常温下具有塑性和韧性高，致密度高，塑性加工性能好等优点。但该铝基粉末冶金材料的耐磨损性能不佳，添加陶瓷颗粒后，金属和陶瓷界面易存在缺陷，在大冲击应力产生裂纹。

发明内容

[0004] 基于此，有必要提供一种具备良好耐磨损性能，同时又具备良好塑性和冲击韧性的颗粒增强铝基复合材料。

[0005] 一种颗粒增强铝基复合材料，由10％～40％质量含量的条形陶瓷颗粒和余量的铝基材料组成，所述铝基材料由主要合金元素和铝组成，所述主要合金元素包括锡、铈和铜。

[0006] 在其中一个实施例中，所述主要合金元素还包括镁、硅中的至少一种。

[0007] 在其中一个实施例中，所述条形陶瓷颗粒的长径比为1:(3～6)；所述条形陶瓷颗粒的长度为10μm～40μm。

[0008] 在其中一个实施例中，所述条形陶瓷颗粒选自碳化硅、碳化钛及氮化硅中的至少一种。

[0009] 在其中一个实施例中，以质量百分含量计，所述铝基材料由1.5％～8％的主要合金元素和余量的铝组成。

[0010] 在其中一个实施例中，以质量百分含量计，所述铝基材料由0.25％～3.5％的锡，0.25％～1.5％的铈，0.25％～3.5％的铜，0.25％～1.5％的镁，0.15％～1.0％的硅和余量的铝组成。

[0011] 在其中一个实施例中，所述颗粒增强铝基复合材料的密度为2.71g/cm3～2.86g/3
cm。

[0012] 上述颗粒增强铝基复合材料，通过选用包括锡(Sn)、铈(Ce)、铜(Cu)的主要合金元素和铝组成的铝基材料作为基体合金，使该基体合金在常温下具有很高的韧性和塑性；再通过选用条形陶瓷颗粒作为增强相，利用其在受到压制力时发生偏转，排布垂直压制方向，从而使该材料在陶瓷颗粒的长度方向表现出更强的塑性和强度，与陶瓷颗粒长度方向垂直的方向则表现出更大的区域陶瓷面积，具有更好的耐磨损性能；同时，10％～40％的条形陶瓷颗粒和余量的铝基材料在烧结过程中能形成完善的冶金结合，有效减少金属和陶瓷的界面缺陷，相较于一般粉末冶金铝基复合材料冲击韧性大幅度提高。

附图说明

[0013] 图1为实施例1制备的颗粒增强铝基复合材料压缩试验前后对比图；

[0014] 图2为实施例3制备的颗粒增强铝基复合材料试样的冲击韧度测试图；

[0015] 图3为对比例3制备的颗粒增强铝基复合材料试样的冲击韧度测试图。

具体实施方式

[0016] 为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

[0017] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0018] 一实施方式的颗粒增强铝基复合材料，由10％～40％的条形陶瓷颗粒和余量的铝基材料组成。其中，铝基材料由主要合金元素和铝组成，主要合金元素包括Sn、Ce和Cu。

[0019] 进一步的，主要合金元素还包括镁(Mg)和硅(Si)中的至少一种。

[0020] 进一步，条形陶瓷颗粒的长径比为1:(3～6)，长度为10μm～40μm。

[0021] 采用长径比为1:(3～6)，长度为10μm～40μm的条形陶瓷颗粒作为增强相，有利于其在后续受到压制力时发生偏转，排布垂直压制方向，从而使该材料在陶瓷颗粒的长度方向表现出更强的塑性和强度，与陶瓷颗粒长度方向垂直的方向则表现出更大的区域陶瓷面积，具有更好的耐磨损性能。

[0022] 进一步的，条形陶瓷颗粒选自碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)及氮化硅(Si3N4)中的至少一种。其中，SiC的质量含量在0～30％范围内可调，TiC的质量含量在0～30％范围内可调，Si3N4的质量含量在0～30％范围内可调。

[0023] 进一步的，以铝基材料的质量含量为100％计算，上述铝基材料的组成如下：

[0024] 主要合金元素                                1.5％～8％；

[0025] 铝                                          余量。

[0026] 进一步优选的，以铝基材料的质量含量为100％计算，上述铝基材料的组成如下：

[0027]

[0028] 上述颗粒增强铝基复合材料的密度为2.71g/cm3～2.86g/cm3，具有质轻、耐磨、高冲击韧性等优点，能满足一定冲击应力环境下的应用。

[0029] 上述颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤S110～S130：

[0030] S110、提供上述条形陶瓷颗粒和铝基材料的原料粉体。

[0031] S120、将上述条形陶瓷颗粒和铝基材料的原料粉体按比例混合后，模压成形，得到坯体。

[0032] 其中，模压成形的压力分两阶段施加，第一阶段的压力为10～20MPa，加压速率为1mm/s～5mm/s，保压时间为3s～10s；第二阶段的压力为200MPa～400MPa，加压速率为1mm/s～5mm/s，保压时间为3s～10s。通过控制第一阶段的压力为10MPa～20MPa，使条形陶瓷颗粒在压力的作用下充分旋转移动，再通过控制第二阶段的压力为200MPa～400MPa，以保证粉体之间结合紧密，达到一定的致密度。

[0033] S130、在保护性气体氛围中，将上述坯体进行烧结，得到颗粒增强铝基复合材料。

[0034] 其中，保护性气体氛围为氮气。烧结的的条件为：以8℃/min～15℃/min的加热速率升温至350℃～450℃，保温15～30分钟，在这个阶段，充分产生低熔点液相，保证陶瓷颗粒与铝合金基体的之间的润湿性，再升温至600℃～660℃，保温45～120分钟，最后降温至200℃以下，在这个阶段进入快速致密化阶段，在液相的作用下，颗粒重排，孔隙不断被液相填充，最后实现近全致密。

[0035] 上述颗粒增强铝基复合材料制备方法简单，烧结后即可得到具有较好耐磨性，在常温下具有较高延伸率和韧性、适中的综合力学性能和较大陶瓷含量范围等优点，省略了通常用于提高强度的热处理等步骤，降低了生产成本，满足大批量连续生产的要求。

[0036] 以下为具体实施例。

[0037] 实施例1

[0038] 将43g铝粉、0.3gCu粉、0.5gCe粉、0.9gSn粉和19.5g条形SiC颗粒在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以1mm/s的加压速率升至10MPa，保压10s，再以5mm/s的加压速率升至200MPa，保压3s，脱模，得到直径约12mm，高约12mm的坯体。

[0039] 将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以15℃/min的加热速率，先升温至450℃，保温15分钟，再升温至600℃，保温120min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复3
合材料，其主要成分为：Al0.5Cu0.7Ce1.4Sn‑30％SiC，密度为2.79g/cm。

[0040] 将实施例1制备得到的颗粒增强铝基复合材料在室温下进行65％高度压缩试验，其结果如图1所示，左侧为压缩前的试样，右侧为压缩后的试样，可见本申请的颗粒增强铝基复合材料在室温下经过了较大塑性变形后表面没有裂纹出现。

[0041] 实施例2

[0042] 将45g铝粉、0.16gCu粉、1.0gCe粉、0.3gSn粉和15.5g长10μm，长径比为1:3的条形SiC颗粒在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以5mm/s的加压速率升至20MPa，保压3s，再以1mm/s的加压速率升至400MPa，保压10s，脱模，得到直径约12mm，高约12mm的坯体。

[0043] 将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以8℃/min的加热速率，先升温至350℃，保温30分钟，再升温至660℃，保温45min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复3
合材料，其主要成分为：Al0.25Cu1.5Ce0.5Sn‑25％SiC，密度为2.76g/cm。

[0044] 实施例3

[0045] 将43g铝粉、0.3gCu粉、1.5gCe粉、0.9gSn粉和19.5g长40μm，长径比为1:6的条形SiC颗粒在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以3mm/s的加压速率升至15MPa，保压6s，再以3mm/s的加压速率升至300MPa，保压8s，脱模，得到长约55mm，宽约10mm，高约10mm的坯体。

[0046] 将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以10℃/min的加热速率，先升温至400℃，保温20分钟，再升温至620℃，保温100min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复3
合材料，其主要成分为：Al0.5Cu2.3Ce1.4Sn‑30％SiC，密度为2.79g/cm。

[0047] 对比例1

[0048] 对比例1与实施例3基本相同，不同的是，对比例1中未添加条形陶瓷颗粒。

[0049] 对比例2

[0050] 对比例2与实施例3基本相同，不同的是，对比例2中添加的陶瓷颗粒为常规的近球形陶瓷颗粒。

[0051] 对比例3

[0052] 将45.7g2009牌号铝合金和19.5g市售SiC颗粒(非条形)混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以3mm/s的加压速率升至15MPa，保压6s，再以3mm/s的加压速率升至300MPa，保压8s，脱模，得到长约55mm，宽约10mm，高约10mm的坯体。

[0053] 将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以10℃/min的加热速率，先升温至400℃，保温20分钟，再升温至620℃，保温100min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复合材料

[0054] 将实施例3和对比例1～3制备得到的材料试样分别在室温下进行冲击能和冲击韧度测试试验，结果如表1、图2和图3所示。

[0055] 表1

[0056]

[0057] 实施例4

[0058] 将47g铝粉、0.13gSn粉、0.75gCe粉、1.75gCu粉、0.13gMg粉、0.24gSi粉和6g长约20μm，长径比为1:5的条形TC粉混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以2mm/s的加压速率升至18MPa，保压5s，再以3mm/s的加压速率升至250MPa，保压6s，脱模，得到坯体。

[0059] 将上述坯体放入烧结炉中，在氩气保护下，以12℃/min的加热速率，先升温至420℃，保温25分钟，再升温至640℃，保温90min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复3
合材料，其主要成分为：Al3Cu1.3Ce0.2Sn0.2Mg0.4Si‑10％TC，密度为2.73g/cm。

[0060] 实施例5

[0061] 将46g铝粉、1.75gSn粉、0.13gCe粉、0.13gCu粉、0.75gMg粉、1.24gSi粉和12.5g长约30μm，长径比为1:4的条形Si3N4粉混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以4mm/s的加压速率升至20MPa，保压10s，再以5mm/s的加压速率升至400MPa，保压10s，脱模，得到坯体。

[0062] 将上述坯体放入烧结炉中，在氩气保护下，以15℃/min的加热速率，先升温至450℃，保温30分钟，再升温至660℃，保温45min，最后降温至200℃以下，得到颗粒增强铝基复3
合材料，其主要成分为：Al0.2Cu0.2Ce2.8Sn1.2Mg1.9Si‑20％Si3N4，密度为2.85g/cm。

[0063] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。