技术领域
[0001] 本
发明属于
金属基复合材料研究领域，特别提供了一种制备陶瓷颗粒选择性增强铝基复合材料的方法。
背景技术
[0002] 铝基复合材料在航空、航天和
汽车领域都有广泛的应用。在一些结构件中，要求复合材料既要有足够的强度和
刚度，又要具备良好的导热性能和
耐磨性能，例如
车轮上使用的
制动鼓，它必须具备良好的综合
力学性能(高强度和高韧性)以承受很高的
扭矩载荷，又要有优异的摩擦磨损性能以实现制动功能，同时还要求其具有高的热导率以释放摩擦产生的大量热量。这样苛刻的要求是单一铝
合金或单一铝基复合材料都难以满足的。单一
铝合金（如
锻造铝合金和超硬铝合金）虽然能够保证结构件优异的综合力学性能，但是不能满足局部耐磨性能要求。单一铝基复合材料（Metal matrix composites，MMC）虽然能满足耐磨性能和热物理性能优异的要求，但是存在材料延性低的问题，使复合材料缺乏足够的韧性，降低了疲劳强度。此外，单一铝基复合材料很难进行钻孔及其它机加工处理。若将高强铝合金和耐磨铝基复合材料结合起来，就能充分发挥两个组元的热物理性能和摩擦磨损性能优异的特性，同时保留了铝基复合材料轻量化的巨大优势。
[0003] 目前液相法制备铝基复合材料是将熔融铝合金通过加压浸渗或无压浸渗的方法渗入多孔陶瓷坯体，得到的单一铝基复合材料不能同时满足对力学性能、热物理性能和耐磨性能的要求。因此，需要采用硬质陶瓷颗粒或
纤维进行强化。陶瓷相以多孔陶瓷坯体的形式引入，在
铸造过程中将多孔陶瓷坯体置于需要增强的特殊部位进行选择性增强，并在压力作用下使熔融铝合金渗入多孔陶瓷坯体和填充模腔，合金
凝固后相当于在铸件中嵌入了金属基复合材料增强体，而其余部位仍然为低成本、易加工的
铸造铝合金。这种局部为金属基复合材料增强体的铝基复合材料称为新型MMC/Al复合材料，它不仅具有高的强度和刚度，还具有优异的热物理性能（高热导率和低
热膨胀系数）和摩擦磨损性能。该方法为铝基复合材料的研发开辟了一条新路。
[0004] 新型MMC/Al复合材料在军工和民用领域都具有广阔的应用前景，适宜于制备一些
刹车组件和
发动机组件。在刹车组件中，可以应用该技术来制备制动鼓、
离合器片、
制动盘和
制动钳。在发动机组件中，这种新型MMC/Al复合材料可以用作铝合金
活塞、
气缸套或
连杆等零部件。将这种新型MMC/Al复合材料替代军用车辆中的
铸铁制动鼓及
履带板等结构件将会起到显著的减重效果，对武器装备的轻量化，以及机动性和设计
自由度具有非常重要的意义。
发明内容
[0005] 本发明的目的是公开一种陶瓷坯体选择性增强铝基复合材料的制备工艺。通过挤
压铸造将高强铝合金基体和局部MMC增强体结合为一个整体，能充分将铝基体的高强度、高韧性和MMC增强体的耐磨损、热物理性能优异的特性发挥出来。
[0006] 本发明制备选择性增强铝基复合材料的工艺主要分为两个步骤：第一是多孔陶瓷坯体的制备；第二是
挤压铸造，一体
化成形。
[0007] 1. 多孔陶瓷坯体的制备多孔陶瓷坯体采用“添加造孔剂+注射成形法”和“添加造孔剂+凝胶注模法” 两种工艺来制备：
1.1 添加造孔剂+注射成形法
多孔陶瓷坯体的主要原料为粒径为10~106μm的SiC粉末。纯度大于98%的Al2O3、Y2O3和SiO2粉末作为
烧结助剂。粒径为100~600μm的聚甲基
丙烯酸甲脂（PMMA）充当造孔剂，PMMA适合用作注射成形工艺的造孔剂，这是因为其起始分解
温度为340℃，完全脱除温度为425℃，因此在混炼温度 (145-175℃) 下不会发生分解，可以占据坯体中一定的空间。
此外，还添加了一种
无机粘结剂。
[0008] 首先将Al2O3、Y2O3和SiO2粉末按6:3:1的重量比混合均匀后制得Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂。然后在SiC粉末中添加5~30wt.%的Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂和1~5wt.%的无机粘结剂（如
硅酸纳等），从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加10~40体积%的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在
球磨机上以150~250转/分的速度混合8~24h。混合均匀后的粉末B与多聚物组元
石蜡基粘结剂（45~70wt.%石蜡、10~25wt.%高
密度聚乙烯、15~20wt.%聚丙烯和5~10重量
硬脂酸）在双辊挤压机上进行混炼而得到均匀
喂料，粉末B占喂料的50~68体积%。随后将该喂料在粉末注射成形机上以145~175℃的注射温度和
75~125MPa的注射压力成形，得到所需形状的预成型坯。预成型坯先在三氯乙烯溶液中进行
溶剂脱脂以脱除部分粘结剂后，然后以30℃/小时的速度升温到400~800℃以去除大部分粘结剂和造孔剂，最后于1200~1700℃的温度下在
真空气氛或空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0009] 1.2 添加造孔剂+凝胶注模法注射成形技术在制备大尺寸陶瓷坯体时比较困难，采用凝胶注模法能克服这个缺点，它能实现大尺寸、复杂形状多孔陶瓷坯体的近终成形。采用
水基丙烯酰胺凝胶体系对陶瓷粉末进行凝胶注模成形，通过调节造孔剂的添加量来控制孔隙度。首先将
单体(丙烯酰胺)和交联剂（N,N’-亚甲基双丙烯酰胺）按
质量比为10:1~40:1进行配比，并按总的质量浓度为10%~30%溶于去离子水中制成均一透明的预混液，然后向预混液中加入1.1节中得到的混合粉末B和混合粉末B体积0.1%~5%的分散剂（
氨水）和0.05%~3%的消泡剂（异辛醇）后进行搅拌混合，在N2保护气氛下球磨8~24h 获得悬浮浆料。经过真空除泡后，将浆料注入模具并于40℃~80℃保温使凝胶反应充分进行，浆料
固化成为所需形状和尺寸的坯体，该坯体再经过真空恒温干燥就获得预成型坯。预成型坯以30℃/小时的速度升温到400~800℃以去除粘结剂和造孔剂，然后于1200~1700℃的温度下在真空或空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0010] 2. 挤压铸造一体化成形采用
挤压成形-挤压铸造一体化成形技术来制备新型MMC/Al复合材料。图2所示为挤压铸造工艺制备陶瓷坯体选择性增强铝基复合材料的示意图。选用了两种成分的高强铝合金：一种铝合金的成分为6.5~8wt.%Si、3.5~4.5wt.%Cu和余量Al。另一种铝合金的成分为6~9wt.%Zn，1~3wt.%Mg，1~3wt.%Cu和余量Al。首先将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在750~1100℃的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入模具中以避免坯体位移、出现裂纹和发生紊流，接着在20~50MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体。高的压力有助于多孔陶瓷坯体被完全填充，并有效的减少了铸造
缺陷。图3所示为一种新型MMC/Al复合材料的显微组织，可见多孔陶瓷坯体已经被铝合金完全填充，陶瓷颗粒在基体中的分布均匀，铝合金和MMC增强体之间的界面
冶金结合良好。
[0011] 本发明的优点主要体现在以下几个方面：(1) 多孔陶瓷坯体具有可设计性。可根据具体使用要求对多孔陶瓷坯体的几何形状、尺寸、成分（摩擦组元和润滑组元的含量）、孔隙度进行设计并选择合适的制备方法。
[0012] (2) 挤压铸造实现一体化成形。金属基复合材料增强体(MMC)在复合材料中并不仅仅是一个简单的衬底。MMC增强体在挤压铸造一体化成形过程中已经和铝合金基体形成一个有机整体，避免了由于MMC增强体与铝基体
热膨胀系数的差异而导致的脱落或分离。高强铝合金基体赋予了复合材料足够的强度和刚度，MMC增强体发挥耐磨的作用，因此实现了结构和功能的统一。
[0013] (3) 耐磨性优异。MMC增强体中的硬质相（陶瓷颗粒或陶瓷纤维）赋予了复合材料优异的摩擦磨损性能。通过控制多孔陶瓷坯体的孔隙度，陶瓷相的类型、含量、粒径、粒径分布以及添加其它摩擦组元和润滑组元就可以对摩擦磨损性能进行有效的控制。
[0014] (4) 热导率高，
散热能力良好。MMC增强体和Al合金基体都具有较高的热导率，能将摩擦产生的大量热量及时的散发，从而维持恒定的温度。这有利于保持摩擦性能的
稳定性和延长使用寿命。
[0015] (5) 轻量化。MMC/Al复合材料的重量轻，若将该新型的复合材料替换传统的
铸铁制件用于装甲车等军用车辆或其它武器装备上，将起到显著的减重效果，这对武器装备的轻量化以及节约
燃料、减少排放都具有非常重要的意义。
附图说明
[0017] 图2为示为挤压铸造工艺制备选择性增强铝基复合材料的示意图。
[0018] 图3为一种陶瓷坯体选择性增强铝基复合材料的显微组织。
具体实施方式
[0019]
实施例1：制备MMC增强体中陶瓷相体积分数为35%的铝基复合材料粉末原料为24μm的SiC颗粒、粒径为100μm的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、一种无机粘结剂以及纯度大于98%的Al2O3、Y2O3和SiO2粉末。
[0020] 多孔陶瓷坯体的制备：首先将Al2O3、Y2O3和SiO2粉末按6:3:1的重量比混合均匀后制得Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂。然后在SiC粉末中添加10wt.%的Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂和3wt.%的无机粘结剂（
硅酸钠），从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加20体积%的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在球磨机上以200转/分的速度混合8h。混合均匀后的粉末B与多聚物组元石蜡基粘结剂（65wt.%石蜡、15wt.%高密度聚乙烯、15wt.%聚丙烯和5重量硬脂酸）在双辊挤压机上进行混炼而得到均匀的喂料，粉末B占喂料的50 体积%。随后，将该喂料在粉末注射成形机上在150℃的注射温度、75MPa的注射压力下成形，得到所需形状的预成型坯。预成型坯先在三氯乙烯溶液中进行溶剂脱脂以脱除部分粘结剂后，然后以30℃/小时的速度升温到750℃以去除大部分粘结剂和造孔剂，最后于1550℃的温度下在真空气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0021] 挤压铸造：挤压铸造用铝合金的成分为7.5wt.%Si、3.5wt.%Cu和余量Al。将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在1000℃的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入
石墨模具中，接着在20MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体，其中MMC增强体中陶瓷相体积分数为35%实施例2：制备MMC增强体中陶瓷相体积分数为45%的铝基复合材料粉末原料为40μm的SiC颗粒、粒径为300μm的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、一种无机粘结剂以及纯度大于98%的Al2O3、Y2O3和SiO2粉末。
[0022] 多孔陶瓷坯体的制备：首先将Al2O3、Y2O3和SiO2粉末按6:3:1的重量比混合均匀后制得Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂。然后在SiC粉末中添加20wt.%的Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂和2wt.%的无机粘结剂（硅酸钠），从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加10体积%的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在球磨机上以250转/分的速度混合12h。混合均匀后的粉末B与多聚物组元石蜡基粘结剂（60wt.%石蜡、20wt.%高密度聚乙烯、15wt.%聚丙烯和5重量硬脂酸）在双辊挤压机上进行混炼而得到均匀喂料，粉末B占喂料的60体积%。随后，将该喂料在粉末注射成形机上在160℃的注射温度、80MPa的注射压力下成形，得到所需形状的预成型坯。预成型坯先在三氯乙烯溶液中进行溶剂脱脂以脱除部分粘结剂后，然后以30℃/小时的速度升温到700℃以去除大部分粘结剂和造孔剂，最后于1450℃的温度下在空气气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0023] 挤压铸造：挤压铸造用铝合金的成分为7wt.%Zn，2.2wt.%Mg，2.5wt.%Cu和余量Al。将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在900℃的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入石墨模具中，接着在30MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体，其中MMC增强体中陶瓷相体积分数为45%.实施例3：制备MMC增强体中陶瓷相体积分数为45%的大尺寸铝基复合材料粉末原料为40μm的SiC颗粒、粒径为300μm的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、一种无机粘结剂以及纯度大于98%的Al2O3、Y2O3和SiO2粉末。
[0024] 多孔陶瓷坯体的制备：首先将Al2O3、Y2O3和SiO2粉末按6:3:1的重量比混合均匀后制得Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂。然后在SiC粉末中添加10wt.%的Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂和3wt.%的无机粘结剂，从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加30体积%的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在球磨机上以250转/分的速度混合24h。将丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺按质量比为24:1进行配比，并按总的质量浓度为20%溶于去离子水中制成均一透明的预混液，然后向预混液中加入混合粉末B和混合粉末B体积1%的氨水分散剂和0.3%的异辛醇消泡剂后与进行混合搅拌，在N2保护气氛下球磨24h 获得悬浮浆料。经真空除泡后，将浆料注入模具并于60℃保温使凝胶反应充分进行，浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体。坯体经真空恒温干燥获得干坯。然后以30℃/小时的速度升温到650℃以去除粘结剂和造孔剂，然后于1550℃的温度下在真空气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0025] 挤压铸造：挤压铸造用铝合金的成分为6.5wt.%Si、4.5wt.%Cu和余量Al。将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在1100℃的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入石墨模具中，接着在30MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体。其中MMC增强体中陶瓷相体积分数为45%。
[0026] 实施例4：制备MMC增强体中陶瓷相体积分数为65%的铝基复合材料粉末原料为24μm的SiC颗粒、粒径为100μm的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、一种无机粘结剂以及纯度大于98%的Al2O3、Y2O3和SiO2粉末。
[0027] 多孔陶瓷坯体的制备：首先将Al2O3、Y2O3和SiO2粉末按6:3:1的重量比混合均匀后制得Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂。然后在SiC粉末中添加15wt.%的Al2O3-Y2O3-SiO2烧结助剂和5wt.%的无机粘结剂，从而得到混合粉末A。接着在混合粉末A中添加20体积%的造孔剂PMMA得到混合粉末B。将混合粉末B在球磨机上以200转/分的速度混合16h。将丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺按质量比为30:1进行配比，并按总的质量浓度为18%溶于去离子水中制成均一透明的预混液，然后向预混液中加入混合粉末B和混合粉末B体积0.5%的氨水分散剂和0.1%的异辛醇消泡剂后进行混合搅拌，在N2保护气氛下球磨24h 获得悬浮浆料。经真空除泡后，将浆料注入模具并于65℃保温使凝胶反应充分进行，浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体。坯体经真空恒温干燥获得干坯。然后以30℃/小时的速度升温到650℃以去除粘结剂和造孔剂，然后于1500℃的温度下在真空气氛中进行烧结，从而得到多孔陶瓷坯体。
[0028] 挤压铸造：挤压铸造用铝合金的成分为7wt.%Zn，2wt.%Mg，2.5wt.%Cu和余量Al。将多孔陶瓷坯体放置在需要增强的部位，随后在1100℃的温度范围内将熔融铝合金缓慢注入石墨模具中，接着在20MPa的压力下强制熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔，浸渗后的陶瓷坯体和铝合金在压力的作用下结合为一个整体，其中MMC增强体中陶瓷相体积分数为65%。
