耐热铝硅合金及其制备方法

341 编辑：中冶有色技术网来源：广西大学

2024-10-29 15:02:22

权利要求

1.一种耐热铝硅合金，其特征在于，包括Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基体合金以及ZrB2颗粒;按质量百分比计，其中，ZrB2颗粒为0wt.%～4wt.%，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金为96wt.%～100wt.%。

2.如权利要求1所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1:将块状工业纯铝、铝铜合金、铝镁合金、铝硅合金、铝镍合金在机床中切割成小块，然后干燥备用;

S2:取工业纯铝放入石墨坩埚中，置于电磁感应炉中升温熔化，取氟硼酸钾和氟锆酸钾混合盐粉末加入熔体中，电磁和机械搅拌进行原位反应;

S3:调温后取铝铜合金、铝硅合金、铝镍合金作为原料加入S2得到的熔体中，然后加入覆盖剂，静置保温后搅拌扒渣;

S4:调温后将铝镁合金压入S3得到的熔体底部，保温后加入精炼剂，所有原料熔化后扒渣得到ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体;

S5:将ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体注入模具中，空冷后脱模获得ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的铸锭。

3.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S1中，干燥条件为：在200℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥0.5h，其中，干燥箱的升温速率为5-10℃/min。

4.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S2中，电磁感应炉温度为870℃，原位反应时间为30min。

5.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S3中，调温至800℃，覆盖剂为质量比为1:1的NaCl/KCl混合材料，静置保温时间为10min。

6.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S4中，调温至680-700℃，保温5min。

7.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S4中，精炼剂为六氯乙烷。

8.根据权利要求2所述的一种耐热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述S5中，模具涂覆质量比1:3的硅酸钠/氧化锌混合涂料后，放入马弗炉中预热至200℃，空冷时间≥40min。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种耐热铝硅合金及其制备方法。

背景技术

[0002]铝基复合材料(Aluminum Matrix Composites)由于具有高比强度、高比刚度、低密度、热稳定性好、耐高温蠕变等优点，使其在各个行业得到了广泛的应用。但是铝合金制成的部件在高温时往往会因为其晶粒及析出相长大而导致其高温力学性能明显下降，从而使得部件不能继续在高温环境下使用。比如，汽车发动机活塞作为发动机燃烧室中关键的零部件之一，需要承受25～300℃的热机械疲劳作用并在350～400℃的环境下长时间使用。目前研究人员采用了许多方法来提升铝合金的高温力学性能，比如：使用微合金法向铝中添加微量的稀土元素，这些稀土元素能够在铝中形成热稳定的分散纳米析出相，这些析出相能够在晶界处钉扎位错，从而提升材料的高温力学性能，但是微合金法提高了材料的成本，一定程度上限制了其大规模的应用;通过粉末冶金来制备陶瓷颗粒/铝复合材料能够很好的提升材料的高温力学性能，但是粉末冶金法总是面临着高成本以及复杂工艺的困境。相比之下，通过原位反应法制备陶瓷颗粒/铝复合材料来增强铝基体高温蠕变性能具有原位颗粒尺寸小，陶瓷颗粒-铝界面结合紧密且干净无污染，制备工艺简单的优点。针对上述问题，本发明提出了一种原位反应法制备ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg耐热铝硅合金的制备方法。

发明内容

[0003]本发明的目的是提供一种耐热铝硅合金及其制备方法，解决上述背景技术中提出的问题。

[0004]为实现上述目的，本发明提供了一种耐热铝硅合金，包括Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基体合金以及ZrB2颗粒;按质量百分比计，其中，ZrB2颗粒为0wt.%～4wt.%，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金为96wt.%～100wt.%。

[0005]本发明还提供了上述一种耐热铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

[0006]S1:将块状工业纯铝、铝铜合金、铝镁合金、铝硅合金、铝镍合金在机床中切割成小块，然后干燥备用;

[0007]S2:取工业纯铝放入石墨坩埚中，置于电磁感应炉中升温熔化，取氟硼酸钾和氟锆酸钾混合盐粉末加入熔体中，电磁和机械搅拌进行原位反应;

[0008]S3:调温后取铝铜合金、铝硅合金、铝镍合金作为原料加入S2得到的熔体中，然后加入覆盖剂，静置保温后搅拌扒渣;

[0009]S4:调温后将铝镁合金压入S3得到的熔体底部，保温后加入精炼剂，所有原料熔化后扒渣得到ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体;

[0010]S5:将ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体注入模具中，空冷后脱模获得ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的铸锭。

[0011]优选的，所述S1中，干燥条件为：在200℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥0.5h，其中，干燥箱的升温速率为5-10℃/min。

[0012]优选的，所述S2中，电磁感应炉温度为870℃，原位反应时间为30min。

[0013]优选的，所述S3中，调温至800℃，覆盖剂为质量比为1:1的NaCl/KCl混合材料，静置保温时间为10min。

[0014]优选的，所述S4中，调温至680-700℃，保温5min。

[0015]优选的，所述S4中，精炼剂为六氯乙烷。

[0016]优选的，所述S5中，模具涂覆质量比1:3的硅酸钠/氧化锌混合涂料后，放入马弗炉中预热至200℃，空冷时间≥40min。

[0017]因此，本发明提供了一种耐热铝硅合金及其制备方法，具体有益效果如下：

[0018](1)本发明采用工业纯铝、铝铜合金、铝镁合金、铝硅合金、铝镍合金以及氟硼酸钾、氟锆酸钾作为原料，采用机械搅拌、电磁搅拌的方法，在铝熔体中原位反应生成不同质量分数的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料，且ZrB2颗粒作为强化相提高了基体合金的室温拉伸抗拉强度、高温拉伸抗拉强度，克服了常规Al-Si合金的铸造性能存在的缺陷且制备工艺较为简单，熔炼与冷却的时间较短，制备成本低，容易实现工业化生产，在新材料开发、优良耐高温合金领域具有较大的应用前景。

[0019](2)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的室温拉伸抗拉强度随着Zr B2含量的增大，在添加4wt.%时达到最大，室温拉伸抗拉强度从253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%。ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的高温拉伸抗拉强度随着ZrB2含量的增大，在添加4wt.%时达到最大，高温拉伸抗拉强度从100.84MPa增大至127.65MPa，增加了26.59%。

[0020](3)ZrB2的加入提高了基体合金材料高温蠕变强度。当颗粒的质量分数增加到4wt.%时，复合材料的稳态蠕变速率进一步降低到7.27×10-8s-1，比基体合金(1.73×10-7s-1)低2.38倍。4wt.%复合材料的蠕变寿命约为76.6小时，几乎比基体合金(33.5小时)长了130%。在300℃、50MPa条件下，本发明的复合材料的稳态蠕变速率为7.27×10-8s-1，低于近年来报道的许多耐蠕变铝合金的高温蠕变速率，表明本发明所开发的复合材料具有在300℃以上应用的潜力。

[0021]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0022]图1为T5态和T6态ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的XRD折线图;

[0023]图2为T6态ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的室温拉伸曲线图;

[0024]图3为T6态ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的高温拉伸曲线图。

[0025]图4为T5态ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的高温蠕变拉伸应变-时间图。

具体实施方式

[0026]下面结合具体附图和实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代，组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围，都属于本发明保护的范围。

[0027]在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本申请中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。

[0028]除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同;本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本申请。

[0029]本发明中若无特殊说明，所采用的试剂、仪器、设备等均为该领域技术人员常规用到的试剂、仪器和设备。本发明所用的原料为由苏州广源金属材料有限公司提供的工业纯铝和铝铜50合金，以及由苏州星海电子商务有限公司提供的铝镁20、铝硅50和铝镍20合金，以及从阿拉丁网站购买的氟硼酸钾、氟锆酸钾。

[0030]实施例1

[0031]本实施例提供了一种0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0032]S1:将块状工业纯铝、铝铜合金、铝镁合金、铝硅合金、铝镍合金在机床中切割成小块，然后置于200℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥0.5h备用。

[0033]S2:将540g纯铝锭置于石墨坩埚中一起放入电磁感应炉中随炉升温至800℃，待铝块完全熔化后，再依次加入80g铝铜50合金、240g铝硅50合金、100g铝镍20合金，在保证合金成分的情况下，加入8g覆盖剂(NaCl:KCl，质量比为1:1)隔绝空气减少氧化，静置保温10min后，搅拌扒渣。

[0034]S3:调节功率待炉温降至700℃时迅速将40gAl-20Mg中间合金压入熔体底部，在保温5分钟后加入15g六氯乙烷做精炼剂，待到所有原料熔完后再次进行扒渣得到0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体。

[0035]S4:在710℃进行机械搅拌2min，炉温保持到720℃扒渣，保持温度并取出坩埚，最后将上述铝熔体倒入事先涂覆质量比1:3的硅酸钠/氧化锌混合涂料后在200℃条件下充分预热的模具中，获得目标材料。

[0036]如附图1、2、3、4所示，当x=0时，本实施例所制备的Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基体合金的衍射结果表明，基体合金中主要相组成为Al相、Si相、Al3CuNi相、Al2Cu相，基体合金室温拉伸抗拉强度为253.79MPa;Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃时拉伸抗拉强度为100.84MPa。在300℃、50MPa条件下，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料的稳态蠕变速率为1.73×10-7s-1，蠕变寿命约为35.5小时。

[0037]实施例2

[0038]本实施例提供了一种4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0039]S1:将块状工业纯铝、铝铜合金、铝镁合金、铝硅合金、铝镍合金在机床中切割成小块，然后置于200℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥0.5h备用。

[0040]S2:将500g纯铝锭和石墨坩埚一起放入电磁感应炉中随炉升温至870℃，待铝块完全熔化后，加入配置好的89g氟硼酸钾、100g氟锆酸钾混合盐粉末，开启电磁搅拌和机械搅拌，保证原位反应充分进行30分钟。

[0041]S3:调节功率待炉温至800℃，再依次加入80g铝铜50合金、240g铝硅50合金、100g铝镍20合金，在保证合金成分的情况下，加入8g覆盖剂(NaCl:KCl，质量比为1:1)隔绝空气减少氧化，静置保温10min后，搅拌扒渣。

[0042]S4:调节功率待炉温降至700℃时迅速将40gAl-20Mg中间合金压入熔体底部，在保温5分钟后加入15g六氯乙烷做精炼剂，待到所有原料熔完后再次进行扒渣得到4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料熔体。

[0043]S5:在710℃进行机械搅拌2min，炉温保持到720℃扒渣，保持温度并取出坩埚，最后将上述铝熔体倒入事先涂覆质量比1:3的硅酸钠/氧化锌混合涂料后在200℃条件下充分预热的模具中，获得目标材料。

[0044]如附图1、2、3、4所示，本实施例制得的4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料衍射结果表明，复合材料中主要相组成为Al相、Si相、ZrB2相、Al3CuNi相、Al2Cu相，复合材料室温拉伸抗拉强度为322.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基体合金的室温拉伸抗拉强度为253.79MPa;4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的在350℃时拉伸的抗拉强度为127.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃时拉伸的抗拉强度为100.84MPa。在300℃、50MPa条件下，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料的稳态蠕变速率为7.27×10-8s-1，蠕变寿命约为76.6小时。

[0045]由上述两个实施例制得的不同质量分数的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg材料的测试结果对比可知，ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg复合材料的常温拉伸抗拉强度、高温拉伸抗拉强度均高于基体合金。

[0046]由图2可知，室温拉伸抗拉强度从253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%;高温拉伸抗拉强度从100.84MPa增大至127.65MPa，增加了26.59%。

[0047]由图3可知，在350℃高温下，本发明的复合材料最大抗拉强度达到了127.65MPa，超过了近年来报道的许多耐热铝合金的高温抗拉强度，表明本发明所开发的复合材料具有在300℃以上应用的潜力，同时为开发具有优良耐高温性能的铝合金提供参考。

[0048]由图4可知，ZrB2的加入提高了基体合金材料高温蠕变强度。当颗粒的质量分数增加到4wt.%时，复合材料的稳态蠕变速率降低到7.27×10-8s-1，比基体合金(1.73×10-7s-1)低2.38倍。4wt.%复合材料的蠕变寿命约为76.6小时，几乎比基体合金(33.5小时)长了130%。在300℃、50MPa条件下，本发明的复合材料的稳态蠕变速率为7.27×10-8s-1，低于近年来报道的许多耐蠕变铝合金的高温蠕变速率，表明本发明所开发的复合材料具有在300℃以上应用的潜力。

[0049]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

说明书附图(4)