權利要求

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;按質量百分比計，其中，ZrB2顆粒為0wt.%～4wt.%，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金為96wt.%～100wt.%。

2.如權利要求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，電磁和機械攪拌進行原位反應;

S3:調溫后取鋁銅合金、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復合材料熔體;

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

3.根據(jù)權利要求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，電磁感應爐溫度為870℃，原位反應時間為30min。

5.根據(jù)權利要求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，調溫至800℃，覆蓋劑為質量比為1:1的NaCl/KCl混合材料，靜置保溫時間為10min。

6.根據(jù)權利要求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，調溫至680-700℃，保溫5min。

7.根據(jù)權利要求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，模具涂覆質量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后，放入馬弗爐中預熱至200℃，空冷時間≥40min。

說明書

技術領域

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

背景技術

[0002]鋁基復合材料(Aluminum Matrix Composites)由于具有高比強度、高比剛度、低密度、熱穩(wěn)定性好、耐高溫蠕變等優(yōu)點，使其在各個行業(yè)得到了廣泛的應用。但是鋁合金制成的部件在高溫時往往會因為其晶粒及析出相長大而導致其高溫力學性能明顯下降，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)動機活塞作為發(fā)動機燃燒室中關鍵的零部件之一，需要承受25～300℃的熱機械疲勞作用并在350～400℃的環(huán)境下長時間使用。目前研究人員采用了許多方法來提升鋁合金的高溫力學性能，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，從而提升材料的高溫力學性能，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)模的應用;通過粉末冶金來制備陶瓷顆粒/鋁復合材料能夠很好的提升材料的高溫力學性能，但是粉末冶金法總是面臨著高成本以及復雜工藝的困境。相比之下，通過原位反應法制備陶瓷顆粒/鋁復合材料來增強鋁基體高溫蠕變性能具有原位顆粒尺寸小，陶瓷顆粒-鋁界面結合緊密且干凈無污染，制備工藝簡單的優(yōu)點。針對上述問題，本發(fā)明提出了一種原位反應法制備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，解決上述背景技術中提出的問題。

[0004]為實現(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;按質量百分比計，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，電磁和機械攪拌進行原位反應;

[0008]S3:調溫后取鋁銅合金、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復合材料熔體;

[0010]S5:將ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復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，電磁感應爐溫度為870℃，原位反應時間為30min。

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

[0014]優(yōu)選的，所述S4中，調溫至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，模具涂覆質量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后，放入馬弗爐中預熱至200℃，空冷時間≥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，采用機械攪拌、電磁攪拌的方法，在鋁熔體中原位反應生成不同質量分數(shù)的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料，且ZrB2顆粒作為強化相提高了基體合金的室溫拉伸抗拉強度、高溫拉伸抗拉強度，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單，熔煉與冷卻的時間較短，制備成本低，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在新材料開發(fā)、優(yōu)良耐高溫合金領域具有較大的應用前景。

[0019](2)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的室溫拉伸抗拉強度隨著Zr B2含量的增大，在添加4wt.%時達到最大，室溫拉伸抗拉強度從253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%。ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的高溫拉伸抗拉強度隨著ZrB2含量的增大，在添加4wt.%時達到最大，高溫拉伸抗拉強度從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度。當顆粒的質量分數(shù)增加到4wt.%時，復合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率進一步降低到7.27×10-8s-1，比基體合金(1.73×10-7s-1)低2.38倍。4wt.%復合材料的蠕變壽命約為76.6小時，幾乎比基體合金(33.5小時)長了130%。在300℃、50MPa條件下，本發(fā)明的復合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.27×10-8s-1，低于近年來報道的許多耐蠕變鋁合金的高溫蠕變速率，表明本發(fā)明所開發(fā)的復合材料具有在300℃以上應用的潛力。

[0021]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

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

[0023]圖2為T6態(tài)ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復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復合材料的高溫蠕變拉伸應變-時間圖。

具體實施方式

[0026]下面結合具體附圖和實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(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)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代，組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

[0027]在本文中提及“實施例”意味著，結合實施例描述的特定特征、結構或特性可以包含在本申請的至少一個實施例中。在說明書中各個位置出現(xiàn)的“實施例”一詞并不一定指代相同的實施例，亦不特別限定其與其它實施例之間的獨立性或關聯(lián)性。原則上，在本申請中，只要不存在技術矛盾或沖突，各實施例中所提到的各項技術特征均可以以任意方式進行組合，以形成相應的可實施的技術方案。

[0028]除非另有定義，本文所使用的技術術語的含義與本申請所屬技術領域的技術人員通常理解的含義相同;本文中對相關術語的使用只是為了描述具體的實施例，而不是旨在限制本申請。

[0029]本發(fā)明中若無特殊說明，所采用的試劑、儀器、設備等均為該領域技術人員常規(guī)用到的試劑、儀器和設備。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)站購買的氟硼酸鉀、氟鋯酸鉀。

[0030]實施例1

[0031]本實施例提供了一種0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的制備方法，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、鋁鎳合金在機床中切割成小塊，然后置于200℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥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:調節(jié)功率待爐溫降至700℃時迅速將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行扒渣得到0wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料熔體。

[0035]S4:在710℃進行機械攪拌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量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后在200℃條件下充分預熱的模具中，獲得目標材料。

[0036]如附圖1、2、3、4所示，當x=0時，本實施例所制備的Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金的衍射結果表明，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度為253.79MPa;Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃時拉伸抗拉強度為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。

[0037]實施例2

[0038]本實施例提供了一種4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的制備方法，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、鋁鎳合金在機床中切割成小塊，然后置于200℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥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，開啟電磁攪拌和機械攪拌，保證原位反應充分進行30分鐘。

[0041]S3:調節(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:調節(jié)功率待爐溫降至700℃時迅速將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行扒渣得到4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料熔體。

[0043]S5:在710℃進行機械攪拌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量比1:3的硅酸鈉/氧化鋅混合涂料后在200℃條件下充分預熱的模具中，獲得目標材料。

[0044]如附圖1、2、3、4所示，本實施例制得的4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料衍射結果表明，復合材料中主要相組成為Al相、Si相、ZrB2相、Al3CuNi相、Al2Cu相，復合材料室溫拉伸抗拉強度為322.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg基體合金的室溫拉伸抗拉強度為253.79MPa;4wt.%ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的在350℃時拉伸的抗拉強度為127.65MPa，Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg合金材料在350℃時拉伸的抗拉強度為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。

[0045]由上述兩個實施例制得的不同質量分數(shù)的ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg材料的測試結果對比可知，ZrB2/Al-12Si-4Cu-2Ni-0.8Mg復合材料的常溫拉伸抗拉強度、高溫拉伸抗拉強度均高于基體合金。

[0046]由圖2可知，室溫拉伸抗拉強度從253.79MPa增大至322.65MPa，增加了27.13%;高溫拉伸抗拉強度從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)明的復合材料最大抗拉強度達到了127.65MPa，超過了近年來報道的許多耐熱鋁合金的高溫抗拉強度，表明本發(fā)明所開發(fā)的復合材料具有在300℃以上應用的潛力，同時為開發(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度。當顆粒的質量分數(shù)增加到4wt.%時，復合材料的穩(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.%復合材料的蠕變壽命約為76.6小時，幾乎比基體合金(33.5小時)長了130%。在300℃、50MPa條件下，本發(fā)明的復合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.27×10-8s-1，低于近年來報道的許多耐蠕變鋁合金的高溫蠕變速率，表明本發(fā)明所開發(fā)的復合材料具有在300℃以上應用的潛力。

[0049]最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對本發(fā)明的技術方案進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方案脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。

說明書附圖(4)