[发明专利]一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

说明书

本发明公开了一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺，属于铝基复合材料技术领域。该工艺采用粉末冶金法，将SiC颗粒表面低温氧化处理后，将SiC颗粒、铝合金粉末、镁粉均匀混合后，装入模具，冷压后，分别在低温和高温热压烧结。本发明通过SiC颗粒表面低温预氧化、添加镁粉作为助烧剂、分步热压等工艺相结合的方法，可有效促进SiC颗粒与铝基体的润湿性，增强两者的界面结合，消除界面附近孔洞缺陷，大幅提升材料致密度和性能，同时降低热压压力，减少模具成本和对大型设备的依赖性，大幅降低材料制备成本，提高高体分SiC/Al坯锭尺寸，实现高致密度、高性能、高体分SiC/Al低成本制备。

技术领域

本发明涉及铝基复合材料技术领域，具体涉及一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料是由金属基体与增强体(多为陶瓷颗粒)经设计、复合而成的新材料，综合了金属良好的强度、韧性与易成型等优点与陶瓷的高强、高模等优点。碳化硅(SiC)颗粒由于优异的物理和力学性能，以及低廉的价格，成为颗粒增强铝基复合材料中应用非常广泛的一种增强相。SiC颗粒增强铝基复合材料(SiC/Al)具有很强的可设计性，通过添加不同含量的SiC，可使材料体现出不同性能。颗粒体积含量50-70％的高体分SiC/Al，具有高导热、高弹性模量、低密度、低热膨胀性能等特性，其弹性模量可达180GPa以上，接近钢材；线膨胀系数低至7-9×10^-6/K，低于钛合金；热导率可达180W/mK，与铝合金相当；而密度与铝合金相当，并具有极佳的尺寸稳定性，在仪器、仪表、电子封装、光学结构等领域具有广阔的应用前景(International Materials Reviews,vol.39,No.1(1994)p.1-23)。与常规结构件要求不同，仪器、仪表、光学结构等部件对结构轻量化、精度和尺寸稳定性要求极高，这就需要材料具有极高的致密度、良好的物理和力学性能，对于大尺寸构件还需要良好的均匀性。

高体分SiC/Al中SiC的含量高达50％以上，SiC颗粒在材料制备过程不发生熔化或变形，给复合材料的制备带来极大困难。传统高体分SiC/Al的制备方法为浸渗法，即将SiC颗粒制备成预制体，将熔化的铝合金浸渗到SiC预制体中，最终实现高体分SiC/Al的制备。但浸渗法制备高体分SiC/Al仍存在较多问题。首先，熔融的铝液在凝固过程中容易在材料中形成疏松和孔洞，降低材料性能。其次，为了将铝液顺利浸渗到SiC预制体中，需要将铝液加热到较高温度以提高铝液的流动性，在制备较厚的坯锭时，这一问题更为突出，从文献(稀有金属，vol.32,No.5(2008)p.620-626)可知，浸渗法制备高体分SiC/Al时，铝液需要加热到800℃以上。在如此高的温度下，铝会与SiC颗粒迅速反应，在两者的界面处生成Al₄C₃有害相，一方面会降低复合材料的热导率和强度，另一方面，Al₄C₃相在室温易与空气中的水蒸气反应，导致材料极易发生腐蚀，甚至粉化。浸渗法制备高体分SiC/Al的诸多问题限制了SiC/Al的应用，尤其是对材料尺寸、性能、致密度要求极高的仪器、仪表和光学结构等领域，这一问题更为突出。

粉末冶金法是制备SiC/Al复合材料重要的方法之一，材料制备过程是在铝合金的熔点以下，可以有效避免SiC颗粒与铝基体的反应，进而避免浸渗法导致的诸多问题，是仪器、仪表、光学结构用高体分SiC/Al的理想制备方法。但由于粉末法是一种固态烧结技术，如何保证烧结过程中粉末间的结合，提高材料致密度，同时降低材料制备成本，增大制备坯锭尺寸，减少对大型设备的依赖，是实现高体分SiC/Al复合材料工业化应用的关键。