專利名稱：一種航空航天用結構材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種航空航天用結構材料，同時涉及一種該結構材料的制備方法。
背景技術：
材料是一切工業之母，航空、航天及空間用的先進材料，又起著應用領域中的先驅 及主導作用。在航空精密儀器，重要工程領域對某些結構材料提出了更高的要求。(1)要求 低的熱膨脹系數，以免工作時由于環境溫度變化或使用溫度變化而產生的熱膨脹引起的尺 寸不穩定或熱應力而導致機械零件損壞；(2)導熱性能好，能及時將工作時所產生的大量 熱量散發出去，保護因溫度過高而失效；(3)氣密性好，能抵御高溫、高濕、腐蝕、輻射等有 害環境對零件的不利影響；(4)強度和剛度較高，能起到支撐和保護的作用；(5)耐磨性能 好，防止因摩擦產生的磨損而引起失效。(6)輕質，對于應用于航空航天領域及其他便攜式 精密器件中的材料的密度要求盡可能的小，以減輕器件的重量。因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數一般為1.5X10_6°C，含鎳在36%時達到 1. 8X 10_8°C，且在-80°C +100°C時均不發生變化，其耐氣性、耐蝕性和耐磨性較好。但導 熱系數低(10. 9 13. 4W/m.K)，僅為45#鋼導熱系數的1/3 1/4，且密度大(8. 3g/cm3)。鋁、鎂、銅、鈦導熱性能良好，但膨脹系數較大。鋁的膨脹系數23.6X10_6°C，銅的 膨脹系數16. 2 X IO-6oC，鈦的膨脹系數10. 8 X 10_6/°C，鎂的膨脹系數26 X 10 —6，且銅和鈦價 更高。航空領域，長期以來鋁、鎂、銅、鈦等合金一直是航空產品的重要結構材料，但是目前 單一金屬材料已經很難滿足日益發展的航空技術對材料的需求。

發明內容
本發明的目的是提供一種低膨脹、高導熱、高導電、高耐磨、自潤滑、綜合性能好的 輕質航空航天用結構材料。為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是一種航空航天用結構材料，是由 以下重量百分比的組分組成SiC 60-65%, Bi :5-6%，余量為Al及不可避免的雜質。所述SiC為立方系α -碳化硅。同時，本發明的技術方案還在于提供一種航空航天結構材料的制備方法，其步驟 如下
(lM#Al、Bi加入熔爐中加熱，升溫至800 850°C時充分攪拌，保溫10 15分鐘，通 入氬氣進行除氣，扒渣，得到Al-Bi合金液，將Al-Bi合金液進行空氣噴霧處理，冷卻后得到 Al-Bi合金粉；
(2)取SiC顆粒，將SiC顆粒與Al-Bi合金粉分別球磨處理24-26小時和15-16小時， 然后將SiC顆粒與Al-Bi合金粉混合球磨處理4-5小時，真空烘干得到混合粉體；
(3)將混合粉體在400-420°C條件下在模腔中真空熱壓成型，壓制壓力為600-800MPa， 得到SiC/Al-Bi航空航天用結構材料。所述空氣噴霧處理的為霧化壓力0. 8 1. OMPa0
所述真空熱壓之前混合粉體在400-420°C條件下保溫80-100分鐘。所述真空熱壓前對模腔進行預熱，預熱溫度為200-250°C。所述真空熱壓的壓力為3_5Pa。本發明采用采用導熱性、導電性能好、重量輕的金屬鋁做基體，采用膨脹系數小、 耐磨性好、導熱性、導電性較好的SiC顆粒作為顆粒增強材料，再加入合金元素Bi，提高材 料的自潤滑性和致密性。本發明的航空航天用結構材料的制備方法采用霧化制粉、粉末高 能球磨、真空熱壓的方法制備SiCp/Al-Bi復合材料，充分利用鋁基體優良的電導性、熱導性 和輕質的特點、SiCp膨脹系數低的特性及Bi的自潤滑性。本發明的航空航天用結構材料具有本如下性能膨脹系數CTE (6-8) X 10_6/°C， 導熱率>150W/(m· V )，電阻率<40 μ Ω . cm，密度<2. 8g/cm3，摩擦系數<0. 4，抗拉強度 >200MPa。本發明的結構材料具有低膨脹、高導熱、高導電、高耐磨、輕質，具有很好的綜合性 能，可以應用于重大工程領域及特殊環境中的結構部件。
具體實施例方式實施例1
本實施例的航空航天用結構材料是由以下質量百分比的組分組成SiC:60%，Bi :6%， 余量為Al及不可避免的雜質。本實施例的航空航天用結構材料的生產方法如下步驟
(1)在感應爐中熔煉Al-Bi合金，升溫至800°C時充分攪拌，保溫15分鐘，通入氬氣進 行除氣，扒渣；Al-Bi合金液滴經漏嘴注入霧化制粉裝置中，采用空氣噴霧處理，霧化壓力 1. OMPa,經冷卻、篩分、烘干得到粒度為5 30 μ m的粉末；
(2)取SiC顆粒，SiC顆粒為六方系α-碳化硅，粒度為10 30μ m，形狀為不規則多 角塊狀；將SiC顆粒與Al-Bi合金粉分別球磨處理24小時和15. 5小時，然后將將SiC顆粒 與Al-Bi合金粉混合球磨處理4小時，真空烘干得到混合粉體；
(3)采用真空熱壓燒結法將混合粉體制得復合結構材料塊體。采用75%石墨+25%機 油涂覆模腔表面，爐溫升至250°C，將混合粉體置于模腔內。繼續升溫410°C，保溫80分鐘， 保持爐內真空度3 5Pa，在700MPa的壓力下壓制成型。可得低膨脹、高導熱、高導電、高耐 磨、自潤滑、綜合性能好的輕質SiC/Al-Bi結構材料。實施例2
本實施例的航空航天用結構材料是由以下質量百分比的組分組成SiC:65%，Bi :5%， 余量為Al及不可避免的雜質。本實施例的航空航天用結構材料的生產方法如下步驟
(1)在感應爐中熔煉Al-Bi合金，升溫至825°C時充分攪拌，保溫13分鐘，通入氬氣進 行除氣，扒渣；Al-Bi合金液滴經漏嘴注入霧化制粉裝置中，采用空氣噴霧處理，霧化壓力 0. 9MPa,經冷卻、篩分、烘干得到粒度為5 30 μ m的粉末；
(2)取SiC顆粒，SiC顆粒為六方系α-碳化硅，粒度為10 30μ m，形狀為不規則多 角塊狀；將SiC顆粒與Al-Bi合金粉分別球磨處理26小時和15小時，然后將將SiC顆粒與 Al-Bi合金粉混合球磨處理4. 5小時，真空烘干得到混合粉體；
(3)采用真空熱壓燒結法將混合粉體制得復合結構材料塊體。采用75%石墨+25%機油涂覆模腔表面，爐溫升至200°C，將混合粉體置于模腔內。繼續升溫420°C，保溫90分鐘， 保持爐內真空度3 5Pa，在SOOMPa的壓力下壓制成型。可得低膨脹、高導熱、高導電、高耐 磨、自潤滑、綜合性能好的輕質SiC/Al-Bi結構材料。實施例3
本實施例的航空航天用結構材料是由以下質量百分比的組分組成SiC :63%，Bi 5. 5%，余量為Al及不可避免的雜質。本實施例的航空航天用結構材料的生產方法如下步驟
(1)在感應爐中熔煉Al-Bi合金，升溫至850°C時充分攪拌，保溫10分鐘，通入氬氣進 行除氣，扒渣；Al-Bi合金液滴經漏嘴注入霧化制粉裝置中，采用空氣噴霧處理，霧化壓力 0. 8MPa,經冷卻、篩分、烘干得到粒度為5 30 μ m的粉末；
(2)取SiC顆粒，SiC顆粒為六方系α-碳化硅，粒度為10 30μ m，形狀為不規則多 角塊狀；將SiC顆粒與Al-Bi合金粉分別球磨處理25小時和16小時，然后將將SiC顆粒與 Al-Bi合金粉混合球磨處理5小時，真空烘干得到混合粉體；
(3)采用真空熱壓燒結法將混合粉體制得復合結構材料塊體。采用75%石墨+25%機 油涂覆模腔表面，爐溫升至225°C，將混合粉體置于模腔內。繼續升溫400°C，保溫100分 鐘，保持爐內真空度3 5Pa，在600MPa的壓力下壓制成型。可得低膨脹、高導熱、高導電、 高耐磨、自潤滑、綜合性能好的輕質SiC/Al-Bi結構材料。分別對實施例1-3進行各種性能測試，測試的結果見表1。表1實施例1-3的結構材料的各性能參數表
權利要求
一種航空航天用結構材料，其特征在于是由以下重量百分比的組分組成SiC60 65%，Bi5 6%，余量為Al及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的航空航天用結構材料，其特征在于所述SiC為立方系α-碳化硅。
3.—種如權利要求1所述航空航天結構材料的制備方法，其特征在于其步驟如下 (lM#Al、Bi加入熔爐中加熱，升溫至800 850°C時充分攪拌，保溫10 15分鐘，通入氬氣進行除氣，扒渣，得到Al-Bi合金液，將Al-Bi合金液進行空氣噴霧處理，冷卻后得到 Al-Bi合金粉；(2)取SiC顆粒，將SiC顆粒與Al-Bi合金粉分別球磨處理24-26小時和15-16小時， 然后將SiC顆粒與Al-Bi合金粉混合球磨處理4-5小時，真空烘干得到混合粉體；(3)將混合粉體在400-420°C條件下在模腔中真空熱壓成型，壓制壓力為600-800MPa， 得到SiC/Al-Bi航空航天用結構材料。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述空氣噴霧處理的為霧化壓力 0. 8 1. OMPa0
5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述真空熱壓之前混合粉體在 400-420°C條件下保溫80-100分鐘。
6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述真空熱壓前對模腔進行預熱，預 熱溫度為200-250°C。
7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述真空熱壓的壓力為3-5Pa。
全文摘要
本發明公開了一種航空、航天用結構材料及其制備方法，是由以下重量百分比的組分組成SiC60-65%，Bi5-6%，余量為Al及不可避免的雜質。本發明采用導熱性、導電性能好、重量輕的金屬鋁做基體，采用膨脹系數小、耐磨性好、導熱性、導電性較好的SiC顆粒作為顆粒增強材料，再加入合金元素Bi，提高材料的自潤滑性和致密性。本發明的結構材料具有如下性能膨脹系數CTE(6-8)×10-6/℃，導熱率>150W/(m·℃)，電阻率<40μΩ.cm，密度<2.8g/cm3，摩擦系數<0.4，抗拉強度>200MPa。
文檔編號C22C29/06GK101956113SQ20101029490
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者李洛利, 李繼文, 王文焱, 王愛琴, 謝敬佩 申請人:河南科技大學