[发明专利]一种颗粒增强铝基复合材料铸锭的生产方法

说明书

技术领域

一种颗粒增强铝基复合材料铸锭的生产方法，采用将小球预制体的堆积床通过真空-压力浸渗的液相法生产铸坯，尤其属于用于二次加工的铸造颗粒增强铝基复合材料坯料的制造方法。

背景技术

金属基复合材料被誉为21世纪的材料，是满足信息时代高速发展所提出的全面要求的新型材料。金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组原材料的特点，特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用。颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料(MMC)中最具有广泛应用前景的一种新型高方法材料。由于其优异的高温强度，高耐磨性，高比刚度等力学性能和良好的可加工性等优点，已经在航空航天、汽车、军工、原子能、机械制造等行业结构材料或功能结构材料得到了广泛的应用。

铝基复合材料近年优先发展的新材料。其中颗粒、晶须、短纤维等非连续增强的铝基复合材料因为可以应用传统的合金材料成形工艺制取且具有各向同性和良好的二次加工性而受到重视。尤其是陶瓷颗粒，来源广泛。价格低廉，用颗粒增强的铝基复合材料其性能可与钛台金媲美，而价格不到钛合金的十分之一，因而被誉为有突破性进展的材料并已投入实用。最近，高体积分数的颗粒增强铝基复合材料还由于其高刚度、高耐磨、高屏蔽性、高热导率及低热膨胀系数等特性在机械结构、功能结构等方面有了新的应用前景。具备用作为货运飞机、车辆地板、轻质装甲、履带、刹车片、射线或中子屏蔽板等。随着颗粒增强铝基复合材料的研究深入和应用领域的扩大，大尺寸结构件的需求也不断出现。

高体增强颗粒积分数的铝基复合材料的制造方法，目前比较成功的是粉末冶金法和铝液浸渗法。粉末冶金法是将铝合金的颗粒和陶瓷颗粒混合、固化成锭块，再经挤压、轧制、锻造等二次加工成制备金属基复合材料制品。固化方法有多种，常用的方法，一是将复合材料组成物的粉末置于模具中，经冷压、除气后加热至固相线以下或固液两相区后加压密实化；二是将复合坯料经冷压到一定密度后在三向应力条件下加热固化至全密度的热等静压与准等静压。等静压的压力传递介质是高压氢、氮等流体介质。准等静压的压力传递介质是固相陶瓷颗粒。固化后在经过变形加工，成为复合材料中间制品或终产品。粉末冶金法工艺成熟、性能稳定、应用范围广，但原材料价格高、设备费用高、生产成本高、大尺寸产品生产鲜有报道。

浸渗法是预先将颗粒加粘结剂和添加剂一起压制成具有一定孔隙率的预制坯，将坯置于金属模型内).然后在压力下注入铝液，使铝液浸渗到颗粒之间，随后凝固成铸造品。控制好预制体的预热温度、铝液注入温度、压力大小是这种方法的关键参数，能获得合格的铸造品。粗颗粒之间的间隙比较大，铝液容易浸渗均匀，细颗粒之间则因毛细现象严重而须屡加高压。这种方法的优点是不必太多考虑铝液和颗粒之间的润湿性和反应性及比重差，工艺稳定性好，所制取的复合材科的组织与性能优良。用铸造法制取颗粒增强铝基复合材料工序少，工艺简单，成本最低，也最容易实现大规模工业化生产，因此是研究最活跃和前途广阔的可实用工艺方法。加拿大、美国、英国等在90年代初期已建成或正在兴建批量铸造生产这种复合材料的工厂，铸锭和各种型材及制品已有出售。

液相浸渗法制品，基体是由金属液凝固而成，有铸造的性能特征。近期的研究表明，与同类普通复合材料相比，以大比率热挤出的结构设计复合材料断裂韧性可提高32％，已接近基体合金的断裂韧性水平。大挤压比热挤压的材料的断裂功大大提高，断裂过程呈现阶段性，完全改变了传统复合材料的断裂模式，避免了普通颗粒增强金属基复合材料突发灾难性失效的缺点。大尺寸颗粒增强铝基复合材料的应用领域已经明朗。非连续增强，尤其是颗粒增强的MMCP又以其可进行二次压力加工和其它机加工而逐渐受到青睐。但随着增强粒子含量的增加，其可加工性能大为下降，这又大大困扰着材料制造者。一研究结果表明，高性能、大尺寸的颗粒增强的铝基复合材料制品的工业化生产的最佳流程是：大尺寸液相法制坯-大挤压比热挤压，轧制-后继精整处理。要解决MMCP的商业化批量生产，必须进行MMCP铸件的挤压加工，使其成为可进一步加工的型材。

颗粒增强的铝基复合材料粉末冶金法制造大尺寸锭坯，需要热等静压设备，设备昂贵、生产工艺复杂、成本高。铝液浸渗法是一种低成本的金属基复合材料方法，但随着锭坯尺寸变大，方法的适应性变得困难。目前，业迫切需要高陶瓷颗粒含量的颗粒增强铝基复合材料热高性能、低成本、高生产率的型材、板材制造方法，包括大尺寸、高致密度的高陶瓷颗粒含量的颗粒增强铝基复合材料铸坯。

发明内容

本发明的目的是开发高含量增强颗粒的铝基复合材料的铸坯，尤其是大尺寸铸坯用于进一步的塑性变形加工原料的方法。