[发明专利]一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法，特别涉及一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

纤维增强铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳性和潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点，已在航天航空、汽车、机械电子等领域作为高强度耐高温材料，显示出巨大的应用潜力。纤维增强铝基复合材料中的纤维含量一般为10-30vol％，可以体现金属的优异性能，制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘接法和粉末冶金法等。以下分别予以简述

(一)熔融浸润法

熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被液态铝润湿后除去多余的金属面得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤(田中郎平，《纤维增强金属基复合材料》，冶金工业出版社，1986)。

(二)扩散粘接法

扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料。此外，扩散粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法(《金属基复合材料及其制备技术》，化学工业出版社，ISBN号：7502592571)。

(三)粉末冶金法

粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制粉工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了大量性能优异的铝基复合材料。它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高抗磨的特点，而且可以随意调整工艺路线。这种方法制备的铝基复合材料中增强相分布均匀，界面反应易于控制，在性能和稳定性上大大优于其它工艺方法制备的材料(中国专利CN1487109“粉末冶金自生成陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”)。

(四)加压铸造法

加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响(Peng L M.Mechanical properties of ceramic-metal composites bypressure infiltration of metal into porous ceramics，Materials Scienceand Engineering A，2004，374：1-9)。

综上，在纤维增强铝基复合材料的制备方面所存在的问题是：1、由于纤维价格昂贵，对人体又具有毒性，未能正常使用在零部件上。2、大部分复合材料中纤维相是不连续的。研究表明，当复合材料中的增强相和基体呈互穿网络分布结构时，可以表现出更优异的力学性能。3、陶瓷预制体与熔融金属液润湿性差。没有外加压力，熔融金属液难以完全渗入陶瓷预制体内。

发明内容

本发明针对现有铝基复合材料制备方法所存在的缺陷，提供了一种结合碳热还原法和压铸法优点的制备氮化硅增强铝基复合材料的新工艺。利用碳热还原反应烧结法制备具有棒状晶粒结构的多孔氮化硅陶瓷，控制固相含量在20-30％，再利用压铸法将熔融的铝液压入气孔中，形成与现有的纤维增强的铝基复合材料具有类似无机纤维含量的材料。此种方法具有产品性能优异、生产工艺简单，制备成本低的优点。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种氮化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)按重量百分数：氧化硅60～67.5％、碳黑22.5～30％、α-Si₃N₄晶种1～10％、Y₂O₃ 1～10％分别进行称量，湿法球磨干燥后制备成混合粉末，

(2)将混合粉末过筛制成造粒料装入模具型腔内，模压成形为坯件；

(3)将坯件在氮气流量为3L/min、氮气压力为6个大气压条件下升温到1750℃，保温2小时，获得多孔氮化硅烧结体，

(4)将多孔氮化硅烧结体放入压铸机模腔内加热模腔至500～700℃，或者先单独预热烧结体至500～700℃后再放入压铸机模腔内；同时，将铝合金加热至熔融状态；

(5)将熔融铝合金液倒入放置烧结体的压铸机模腔内，