權(quán)利要求

1.一種耐熱鋁硅合金，其特征在于，包括Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金以及ZrB2顆粒;按質(zhì)量百分比計(jì)，其中，ZrB2顆粒為0wt.%～4wt.%，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金為96wt.%～100wt.%。

2.如權(quán)利要求1所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1:將塊狀工業(yè)純鋁、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎳合金在機(jī)床中切割成小塊，然后干燥備用;

S2:取工業(yè)純鋁放入石墨坩堝中，置于電磁感應(yīng)爐中升溫熔化，取氟硼酸鉀和氟鋯酸鉀混合鹽粉末加入熔體中，電磁和機(jī)械攪拌進(jìn)行原位反應(yīng);

S3:調(diào)溫后取鋁銅合金、鋁硅合金、鋁鎳合金作為原料加入S2得到的熔體中，然后加入覆蓋劑，靜置保溫后攪拌扒渣;

S4:調(diào)溫后將鋁鎂合金壓入S3得到的熔體底部，保溫后加入精煉劑，所有原料熔化后扒渣得到ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體;

S5:將ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體注入模具中，空冷后脫模獲得ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的鑄錠。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S1中，干燥條件為：在200℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥0.5h，其中，干燥箱的升溫速率為5-10℃/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S2中，電磁感應(yīng)爐溫度為870℃，原位反應(yīng)時(shí)間為30min。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S3中，調(diào)溫至800℃，覆蓋劑為質(zhì)量比為1:1的NaCl/KCl混合材料，靜置保溫時(shí)間為10min。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S4中，調(diào)溫至680-700℃，保溫5min。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S4中，精煉劑為六氯乙烷。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種耐熱鋁硅合金的制備方法，其特征在于，所述S5中，模具涂覆質(zhì)量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后，放入馬弗爐中預(yù)熱至200℃，空冷時(shí)間≥40min。

說(shuō)明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐熱鋁硅合金及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]鋁基復(fù)合材料(Aluminum Matrix Composites)由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低密度、熱穩(wěn)定性好、耐高溫蠕變等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是鋁合金制成的部件在高溫時(shí)往往會(huì)因?yàn)槠渚Я＜拔龀鱿嚅L(zhǎng)大而導(dǎo)致其高溫力學(xué)性能明顯下降，從而使得部件不能繼續(xù)在高溫環(huán)境下使用。比如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中關(guān)鍵的零部件之一，需要承受25～300℃的熱機(jī)械疲勞作用并在350～400℃的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用。目前研究人員采用了許多方法來(lái)提升鋁合金的高溫力學(xué)性能，比如：使用微合金法向鋁中添加微量的稀土元素，這些稀土元素能夠在鋁中形成熱穩(wěn)定的分散納米析出相，這些析出相能夠在晶界處釘扎位錯(cuò)，從而提升材料的高溫力學(xué)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規(guī)模的應(yīng)用;通過(guò)粉末冶金來(lái)制備陶瓷顆粒/鋁復(fù)合材料能夠很好的提升材料的高溫力學(xué)性能，但是粉末冶金法總是面臨著高成本以及復(fù)雜工藝的困境。相比之下，通過(guò)原位反應(yīng)法制備陶瓷顆粒/鋁復(fù)合材料來(lái)增強(qiáng)鋁基體高溫蠕變性能具有原位顆粒尺寸小，陶瓷顆粒-鋁界面結(jié)合緊密且干凈無(wú)污染，制備工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種原位反應(yīng)法制備ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg耐熱鋁硅合金的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種耐熱鋁硅合金及其制備方法，解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種耐熱鋁硅合金，包括Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金以及ZrB2顆粒;按質(zhì)量百分比計(jì)，其中，ZrB2顆粒為0wt.%～4wt.%，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金為96wt.%～100wt.%。

[0005]本發(fā)明還提供了上述一種耐熱鋁硅合金的制備方法，包括以下步驟：

[0006]S1:將塊狀工業(yè)純鋁、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎳合金在機(jī)床中切割成小塊，然后干燥備用;

[0007]S2:取工業(yè)純鋁放入石墨坩堝中，置于電磁感應(yīng)爐中升溫熔化，取氟硼酸鉀和氟鋯酸鉀混合鹽粉末加入熔體中，電磁和機(jī)械攪拌進(jìn)行原位反應(yīng);

[0008]S3:調(diào)溫后取鋁銅合金、鋁硅合金、鋁鎳合金作為原料加入S2得到的熔體中，然后加入覆蓋劑，靜置保溫后攪拌扒渣;

[0009]S4:調(diào)溫后將鋁鎂合金壓入S3得到的熔體底部，保溫后加入精煉劑，所有原料熔化后扒渣得到ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體;

[0010]S5:將ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體注入模具中，空冷后脫模獲得ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的鑄錠。

[0011]優(yōu)選的，所述S1中，干燥條件為：在200℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥0.5h，其中，干燥箱的升溫速率為5-10℃/min。

[0012]優(yōu)選的，所述S2中，電磁感應(yīng)爐溫度為870℃，原位反應(yīng)時(shí)間為30min。

[0013]優(yōu)選的，所述S3中，調(diào)溫至800℃，覆蓋劑為質(zhì)量比為1:1的NaCl/KCl混合材料，靜置保溫時(shí)間為10min。

[0014]優(yōu)選的，所述S4中，調(diào)溫至680-700℃，保溫5min。

[0015]優(yōu)選的，所述S4中，精煉劑為六氯乙烷。

[0016]優(yōu)選的，所述S5中，模具涂覆質(zhì)量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后，放入馬弗爐中預(yù)熱至200℃，空冷時(shí)間≥40min。

[0017]因此，本發(fā)明提供了一種耐熱鋁硅合金及其制備方法，具體有益效果如下：

[0018](1)本發(fā)明采用工業(yè)純鋁、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎳合金以及氟硼酸鉀、氟鋯酸鉀作為原料，采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌的方法，在鋁熔體中原位反應(yīng)生成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料，且ZrB2顆粒作為強(qiáng)化相提高了基體合金的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度、高溫拉伸抗拉強(qiáng)度，克服了常規(guī)Al-Si合金的鑄造性能存在的缺陷且制備工藝較為簡(jiǎn)單，熔煉與冷卻的時(shí)間較短，制備成本低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在新材料開(kāi)發(fā)、優(yōu)良耐高溫合金領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

[0019](2)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度隨著Zr B2含量的增大，在添加4wt.%時(shí)達(dá)到最大，室溫拉伸抗拉強(qiáng)度從253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%。ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的高溫拉伸抗拉強(qiáng)度隨著ZrB2含量的增大，在添加4wt.%時(shí)達(dá)到最大，高溫拉伸抗拉強(qiáng)度從100.84MPa增大至127.65MPa，增加了26.59%。

[0020](3)ZrB2的加入提高了基體合金材料高溫蠕變強(qiáng)度。當(dāng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4wt.%時(shí)，復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率進(jìn)一步降低到7.27×10-8s-1，比基體合金(1.73×10-7s-1)低2.38倍。4wt.%復(fù)合材料的蠕變壽命約為76.6小時(shí)，幾乎比基體合金(33.5小時(shí))長(zhǎng)了130%。在300℃、50MPa條件下，本發(fā)明的復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.27×10-8s-1，低于近年來(lái)報(bào)道的許多耐蠕變鋁合金的高溫蠕變速率，表明本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料具有在300℃以上應(yīng)用的潛力。

[0021]下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

[0022]圖1為T5態(tài)和T6態(tài)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的XRD折線圖;

[0023]圖2為T6態(tài)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的室溫拉伸曲線圖;

[0024]圖3為T6態(tài)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的高溫拉伸曲線圖。

[0025]圖4為T5態(tài)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的高溫蠕變拉伸應(yīng)變-時(shí)間圖。

具體實(shí)施方式

[0026]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，其他的任何未違背本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代，組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

[0027]在本文中提及“實(shí)施例”意味著，結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以包含在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說(shuō)明書中各個(gè)位置出現(xiàn)的“實(shí)施例”一詞并不一定指代相同的實(shí)施例，亦不特別限定其與其它實(shí)施例之間的獨(dú)立性或關(guān)聯(lián)性。原則上，在本申請(qǐng)中，只要不存在技術(shù)矛盾或沖突，各實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以以任意方式進(jìn)行組合，以形成相應(yīng)的可實(shí)施的技術(shù)方案。

[0028]除非另有定義，本文所使用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)的含義與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同;本文中對(duì)相關(guān)術(shù)語(yǔ)的使用只是為了描述具體的實(shí)施例，而不是旨在限制本申請(qǐng)。

[0029]本發(fā)明中若無(wú)特殊說(shuō)明，所采用的試劑、儀器、設(shè)備等均為該領(lǐng)域技術(shù)人員常規(guī)用到的試劑、儀器和設(shè)備。本發(fā)明所用的原料為由蘇州廣源金屬材料有限公司提供的工業(yè)純鋁和鋁銅50合金，以及由蘇州星海電子商務(wù)有限公司提供的鋁鎂20、鋁硅50和鋁鎳20合金，以及從阿拉丁網(wǎng)站購(gòu)買的氟硼酸鉀、氟鋯酸鉀。

[0030]實(shí)施例1

[0031]本實(shí)施例提供了一種0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

[0032]S1:將塊狀工業(yè)純鋁、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎳合金在機(jī)床中切割成小塊，然后置于200℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥0.5h備用。

[0033]S2:將540g純鋁錠置于石墨坩堝中一起放入電磁感應(yīng)爐中隨爐升溫至800℃，待鋁塊完全熔化后，再依次加入80g鋁銅50合金、240g鋁硅50合金、100g鋁鎳20合金，在保證合金成分的情況下，加入8g覆蓋劑(NaCl:KCl，質(zhì)量比為1:1)隔絕空氣減少氧化，靜置保溫10min后，攪拌扒渣。

[0034]S3:調(diào)節(jié)功率待爐溫降至700℃時(shí)迅速將40gAl-20Mg中間合金壓入熔體底部，在保溫5分鐘后加入15g六氯乙烷做精煉劑，待到所有原料熔完后再次進(jìn)行扒渣得到0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體。

[0035]S4:在710℃進(jìn)行機(jī)械攪拌2min，爐溫保持到720℃扒渣，保持溫度并取出坩堝，最后將上述鋁熔體倒入事先涂覆質(zhì)量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后在200℃條件下充分預(yù)熱的模具中，獲得目標(biāo)材料。

[0036]如附圖1、2、3、4所示，當(dāng)x=0時(shí)，本實(shí)施例所制備的Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金的衍射結(jié)果表明，基體合金中主要相組成為Al相、Si相、Al3CuNi相、Al2Cu相，基體合金室溫拉伸抗拉強(qiáng)度為253.79MPa;Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃時(shí)拉伸抗拉強(qiáng)度為100.84MPa。在300℃、50MPa條件下，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1.73×10-7s-1，蠕變壽命約為35.5小時(shí)。

[0037]實(shí)施例2

[0038]本實(shí)施例提供了一種4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

[0039]S1:將塊狀工業(yè)純鋁、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎳合金在機(jī)床中切割成小塊，然后置于200℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥0.5h備用。

[0040]S2:將500g純鋁錠和石墨坩堝一起放入電磁感應(yīng)爐中隨爐升溫至870℃，待鋁塊完全熔化后，加入配置好的89g氟硼酸鉀、100g氟鋯酸鉀混合鹽粉末，開(kāi)啟電磁攪拌和機(jī)械攪拌，保證原位反應(yīng)充分進(jìn)行30分鐘。

[0041]S3:調(diào)節(jié)功率待爐溫至800℃，再依次加入80g鋁銅50合金、240g鋁硅50合金、100g鋁鎳20合金，在保證合金成分的情況下，加入8g覆蓋劑(NaCl:KCl，質(zhì)量比為1:1)隔絕空氣減少氧化，靜置保溫10min后，攪拌扒渣。

[0042]S4:調(diào)節(jié)功率待爐溫降至700℃時(shí)迅速將40gAl-20Mg中間合金壓入熔體底部，在保溫5分鐘后加入15g六氯乙烷做精煉劑，待到所有原料熔完后再次進(jìn)行扒渣得到4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料熔體。

[0043]S5:在710℃進(jìn)行機(jī)械攪拌2min，爐溫保持到720℃扒渣，保持溫度并取出坩堝，最后將上述鋁熔體倒入事先涂覆質(zhì)量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后在200℃條件下充分預(yù)熱的模具中，獲得目標(biāo)材料。

[0044]如附圖1、2、3、4所示，本實(shí)施例制得的4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料衍射結(jié)果表明，復(fù)合材料中主要相組成為Al相、Si相、ZrB2相、Al3CuNi相、Al2Cu相，復(fù)合材料室溫拉伸抗拉強(qiáng)度為322.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度為253.79MPa;4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的在350℃時(shí)拉伸的抗拉強(qiáng)度為127.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃時(shí)拉伸的抗拉強(qiáng)度為100.84MPa。在300℃、50MPa條件下，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.27×10-8s-1，蠕變壽命約為76.6小時(shí)。

[0045]由上述兩個(gè)實(shí)施例制得的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg材料的測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復(fù)合材料的常溫拉伸抗拉強(qiáng)度、高溫拉伸抗拉強(qiáng)度均高于基體合金。

[0046]由圖2可知，室溫拉伸抗拉強(qiáng)度從253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%;高溫拉伸抗拉強(qiáng)度從100.84MPa增大至127.65MPa，增加了26.59%。

[0047]由圖3可知，在350℃高溫下，本發(fā)明的復(fù)合材料最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到了127.65MPa，超過(guò)了近年來(lái)報(bào)道的許多耐熱鋁合金的高溫抗拉強(qiáng)度，表明本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料具有在300℃以上應(yīng)用的潛力，同時(shí)為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良耐高溫性能的鋁合金提供參考。

[0048]由圖4可知，ZrB2的加入提高了基體合金材料高溫蠕變強(qiáng)度。當(dāng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4wt.%時(shí)，復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率降低到7.27×10-8s-1，比基體合金(1.73×10-7s-1)低2.38倍。4wt.%復(fù)合材料的蠕變壽命約為76.6小時(shí)，幾乎比基體合金(33.5小時(shí))長(zhǎng)了130%。在300℃、50MPa條件下，本發(fā)明的復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.27×10-8s-1，低于近年來(lái)報(bào)道的許多耐蠕變鋁合金的高溫蠕變速率，表明本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料具有在300℃以上應(yīng)用的潛力。

[0049]最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。

說(shuō)明書附圖(4)