高體積分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高體積分數(shù)碳化硅顆粒(SiCp)增強鋁基復合材料及其制備方法，特別涉及一種高體分SiCp增強鋁基復合材料的粉末冶金制備工藝，制備的復合材料能夠應用于航天光學遙感器光機結構件，屬于新材料研發(fā)領域。
技術背景
[0002]顆粒增強鋁基復合材料以其顯著的性能優(yōu)勢在空間技術、高速交通、電子元器件等高技術領域發(fā)揮了重要作用，是典型的高技術新材料。SiCp是顆粒增強鋁基復合材料中最廣泛使用的一種強化相，這是由于SiCp具有優(yōu)良的綜合性能，例如其彈性模量高達420?450GPa(Al彈性模量70GPa)，熱膨脹系數(shù)4.0X 10 6K 1 (Al熱膨脹系數(shù)23.5X 10 6K ,彎曲強度550MPa，密度僅為3.2g/cm3，將SiCp作為Al (合金)基體的強化相，從理論上可大大提高Al (合金)材料的彈性模量，降低熱膨脹系數(shù)。例如，在航天應用方面，體積分數(shù)高達50?60%的SiCp增強Al基復合材料具有極高的比剛度、比強度、低的熱膨脹系數(shù)、良好的熱導率和低的密度、良好耐磨性和較高的尺寸穩(wěn)定性，已經(jīng)被用作空間光學遙感器光機支撐結構件。然而，一方面，SiCp體積分數(shù)高達50?60%時復合材料較難致密，材料中孔隙的存在會對材料性能造成較大影響，這對材料制備工藝提出了相當大的要求；另一方面，由于高體積分數(shù)SiCp增強的鋁基復合材料本身高的脆性和硬度，使得該類材料具有相當大的機械加工難度，必須選用特殊的刀具才能進行加工；再者，由于光機結構件的特殊的尺寸外形要求，所需構件往往為大尺寸，如“制備空間光機結構件的高體份SiC/Al復合材料”(崔巖，李麗富，李景林，任建岳.光學精密工程，2007，15 (8):1175-1180.)所制備的空間光機結構件尺寸為650mmX500mmX85mm)，和薄壁化的構件，這進一步加大了材料制備難度。因此，選擇合適的制備工藝是高體分SiCp/Al基復合材料制備亟待解決的問題。
[0003]高體分SiCp/Al基復合材料的制備通常采用無壓浸滲、壓力浸滲、粉末冶金等方法。無壓浸滲方法制備高體分SiCp/Al基復合材料已有專利和文獻公開報道，如專利“一種復雜形狀高體分比SiCp/Al基復合材料的制備方法”采用無壓浸滲方法制備復合材料，制備過程需要通過復雜工序制備預制體骨架，材料制備溫度高達800-1200°C。文獻“制備空間光機結構件的高體份SiC/Al復合材料”(崔巖，李麗富，李景林，任建岳.光學精密工程，2007，15(8):1175-1180)報道采用無壓浸滲工藝制備空間大尺寸光機結構件用的55?57vol % SiC/Al基復合材料，材料制備溫度高達800°C。壓力浸滲工藝用于制備該類材料時，也需要制備SiCp預制體骨架，制備過程中通過對熔體施加一定壓力完成熔體對骨架材料的浸滲過程，制備溫度通常在800°C以上。無壓浸滲與壓力浸滲工藝較高的制備溫度對制備設備提出了很高的要求，且由于制備溫度高、保溫時間長，制備的鋁基復合材料中存在縮孔、氣孔(較難致密)以及高溫時易產(chǎn)生Al4C3脆性相，Al4C3相在空氣中容易潮解，影響材料的性能及材料的穩(wěn)定性。粉末冶金是一種廣泛應用的制備鋁基復合材料的工藝，該工藝可在較低的溫度下(650°C以下)進行材料制備，如采用固相燒結時，材料的制備溫度甚至可低至560°C，從而可較好避免Al4C3脆性相產(chǎn)生，材料性能和穩(wěn)定性均較好。專利“粉末冶金法制備高體積分數(shù)碳化硅鋁基復合材料的工藝方法”采用粉末冶金制備體積分數(shù)為50-70vol.% SiCp/Al復合材料，制備溫度為640°C (相對于粉末冶金熱等靜壓560?600°C的燒結溫度仍相對較高)。該專利制備的復合材料經(jīng)過合金粉末造粒、添加粘結劑、壓制、燒結等步驟，獲得了性能良好的鋁基復合材料，然而，該粉末冶金工藝如果對粘結劑去除不當會影響材料性能，此外，對于大尺寸薄壁化的光機結構件外形要求，該粉末冶金工藝在一定程度上也較難實現(xiàn)。粉末冶金中的熱等靜壓制備工藝近年來獲得了極大的關注，該工藝可實現(xiàn)大尺寸，高性能、高致密性SiCp增強鋁基復合材料的制備，但目前專利和文獻報道該工藝多見于低體分(15?25vol.% )SiCp/Al基復合材料的制備，對于大尺寸、薄壁化、光學遙感器光機結構件用的高體分(如55?60vol.% ) SiCp增強鋁基復合材料的粉末冶金熱等靜壓制備未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種粉末冶金工藝制備的高體積分數(shù)SiCp增強的鋁基復合材料，獲得具有高致密度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)、高強度、可良好機械加工、大尺寸、薄壁化的鋁基復合材料，使目標材料滿足航天光學遙感器光機結構件的性能和外形要求。
[0005]—種高體積分數(shù)碳化硅顆粒(SiCp)增強的鋁基復合材料，由碳化硅顆粒SiCp增強相和鋁合金基體組成，增強相碳化硅顆粒SiCp的體積分數(shù)為55?60vol.%，鋁合金基體為40?45vol.%，鋁合金基體為Al-Cu-Si合金，采用Al粉、Cu粉和Si粉制成。
[0006]所述的鋁合金基體為Al-(3.5?4.5wt.% )Cu-(4?6wt.% )Si,即含有3.5?
4.5wt.%的 Cu，4 ?6wt.%的 Si，其余為 Al。
[0007]本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備高體分SiCp增強Al基復合材料的制備方法，主要包括SiCp的預處理、SiCp與Al合金粉體的球磨混合、粉體冷等靜壓成型、真空除氣、熱等靜壓、熱等靜壓坯錠機械加工、超聲無損探傷。
[0008]—種高體積分數(shù)碳化硅顆粒SiCp增強的鋁基復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I) SiCp表面預處理工藝:將碳化硅顆粒SiC p增強相進行烘干處理；
[0010](2)球磨混粉工藝:將烘干處理后的碳化硅顆粒SiCp、Al粉、Cu粉和Si粉放入球磨機中進行混粉，其中碳化硅顆粒SiCp含量為55?60vol.%, Al-Cu-Si基體粉末含量為40 ?45vol.% ；
[0011 ] (3)將球磨后的復合粉體裝入冷等靜壓包套進行冷等靜壓成型，之后將冷等靜壓坯錠進行真空除氣；
[0012](4)熱等靜壓工藝:對真空除氣后的坯錠進行熱等靜壓燒結成型；
[0013](5)機械加工:通過機械加工完全去除熱等靜壓坯錠表面的包套，得到鋁基復合材料坯錠；
[0014](6)超聲無損探傷:采用超聲無損探傷設備對機械加工后的坯錠進行組織缺陷無損檢測。
[0015]步驟(I)中，碳化硅顆粒SiCp的平均粒徑為20-40 μπι ;SiC p烘干處理在箱式保溫箱內(nèi)進行，烘干溫度為120?180°C，保溫時間12?24h。
[0016]步驟⑵中，Al-Cu-Si基體粉末由Al粉、Cu粉和Si粉組成，粉末名義成分(wt.% )為 Α1-(3.5 ?4.5) Cu- (4-6) Si,即 Cu 為 3.5 ?4.5wt.%，Si 為 4 ?6wt.%，其余為AL.其中Al粉的粒徑為15-20 μ m，Cu粉的粒徑為5-10 μ m，Si粉的粒徑為5-10 μ m ；A1粉可為氣霧化鋁粉，Cu粉為電解銅粉，Si粉為普通硅粉。將40?45vol.%的上述Al-Cu-Si基體粉末與55?60vol.% SiCp在轉(zhuǎn)動式球磨機中進行混粉，球磨混粉時，球磨機轉(zhuǎn)速為120-180轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時間為14-18h，球料比為5:1，混粉過程為干混。
[0017]步驟(3)中，將球磨粉末裝入冷等靜壓橡膠包套，所述的橡膠包套尺寸為1200mmX900mmX100mm，密封包套后進行冷等靜壓成型，成型壓力為180_220MPa，保壓時間為10-30min ;然后將冷等靜壓坯錠進行真空除氣處理，真空除氣用包套為鋁包套，除氣結束真空度小于10 3Pa0
[0018]步驟(4)中，熱等靜壓溫度為560-580°C，壓力90_110MPa，保壓時間1.5_3h。
[0019]步驟(5)中，機械加工用的刀具為金剛石車刀、銑刀，獲得的坯錠尺寸為900mmX 700mmX 60mmο
[0020]步驟(6)中，采用脈沖反射式超聲無損檢測法對坯錠進行無損檢測，所用超聲設備為德國產(chǎn)USM35XDAC超聲波探傷儀。
[0021]本發(fā)明的高體分碳化硅顆粒增強的鋁基復合材料在航天光學遙感器光機結構件中的應用。本發(fā)明采用粉末冶金工藝制備復合