本發(fā)明涉及活塞式內(nèi)燃機材料，特別是涉及一種高硅高鎳活塞材料及其變質(zhì)方法。

背景技術(shù)：

1、航空動力歷來是航空技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和難點之一，隨著無人機技術(shù)的進一步發(fā)展，對無人機的動力系統(tǒng)提出了更高的要求。目前針對不同類型的無人機采用的動力裝置有以下幾種：適于低速中低空飛行的活塞式內(nèi)燃機、用于高空高速無人機的渦噴內(nèi)燃機、用于短距離垂直起降無人直升機的渦軸內(nèi)燃機、用于高空長航時無人機的渦扇內(nèi)燃機等結(jié)構(gòu)。根據(jù)無人機對飛行速度、飛行高度、起降方式、續(xù)航時間、航程和經(jīng)濟性指標(biāo)等的不同要求，國內(nèi)外發(fā)展了適合執(zhí)行相應(yīng)不同任務(wù)的動力裝置。在眾多的無人機動力系統(tǒng)中，活塞式內(nèi)燃機以其功率密度高、體積小、重量輕、價格低廉等諸多優(yōu)點而得到中小型無人機的青睞，尤其是低速低空無人機仍然以活塞式內(nèi)燃機為其主要動力。不僅如此，在我國通用航空開放后，用于無人機的活塞式內(nèi)燃機也將會獲得充足的發(fā)展，具有巨大的潛在技術(shù)市場。航空無人機活塞式內(nèi)燃機與傳統(tǒng)活塞式車用內(nèi)燃機有很大區(qū)別，必須突破高功重比、高可靠性、高經(jīng)濟性要求等所面臨的關(guān)鍵短板，并且滿足苛刻的適航要求。

2、隨著無人機活塞式內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)速、高功率密度不斷提升，現(xiàn)有活塞材料的工作條件變得更加惡劣。在航空無人機領(lǐng)域，活塞材料必須滿足對高強度、低摩擦系數(shù)和耐磨性的高要求，急需一種優(yōu)異高強比、良好耐磨性、體積穩(wěn)定性好的活塞材料，可以在保證高強度和高轉(zhuǎn)速的同時，滿足減輕結(jié)構(gòu)的重量，從而降低能源消耗、提高運行效率。目前傳統(tǒng)柴油機活塞材料（如zl109活塞材料和alsicumgni材料）存在受熱變形大、體積穩(wěn)定性差及耐磨性差等問題，在航空無人機內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速≥6500rpm）運行時，存在異常磨損嚴(yán)重的問題，導(dǎo)致活塞拉缸等缺陷產(chǎn)生，造成內(nèi)燃機停止工作。

3、采用高硅高鎳材料作為航空無人機內(nèi)燃機活塞材料，其中改善富鎳相和硅相的形貌與分布是關(guān)鍵瓶頸，盡管na、sr等元素都具有優(yōu)良的變質(zhì)作用，但都因為其本身的局限性，使得對高硅合金變質(zhì)效果總難以得到滿意。磷是比較優(yōu)異的高硅變質(zhì)劑，但是國內(nèi)外主要是以赤磷、磷鹽或銅-磷中間合金等形式加入磷來對al-si合金進行變質(zhì)處理，但是這些磷變質(zhì)合金在高硅合金都有以下缺點：（1）赤磷的燃點低（240℃），運送、保存和使用過程都不安全，且變質(zhì)時反應(yīng)劇烈，放出大量的p2o5有毒氣體，造成設(shè)備的嚴(yán)重侵蝕和工人健康的極大侵害，且嚴(yán)重地污染了環(huán)境，造成大量鋁耗；磷的吸收率低，且難以控制，變質(zhì)效果不穩(wěn)定，鑄件質(zhì)量難以保證；（2）磷鹽在加入使用過程中，與赤磷一樣也放出大量的p2o5有毒氣體，嚴(yán)重地污染環(huán)境；并產(chǎn)生大量的al2o3反應(yīng)渣，腐蝕爐襯，渣鋁難以分離，增加鋁耗；磷的吸收率低，嚴(yán)重危害工人健康、變質(zhì)效果不穩(wěn)定；（3）磷銅cu-p合金熔點高，加入后難熔化，密度大，易沉淀偏析，磷的吸收率低，效果不穩(wěn)定。如果未溶解的cu-p顆粒殘留在鑄件中經(jīng)加工放置或到用戶使用過程中，會出現(xiàn)鼓包、開裂等極其嚴(yán)重的后果?？傊@些磷變質(zhì)合金在高硅高鎳材料中存在磷吸收率低，變質(zhì)效果不穩(wěn)定等缺點，無法同時改善富鎳相和硅相的形貌與分布。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高硅高鎳活塞材料及其變質(zhì)方法，通過采用鋁硅磷合金（al-12si-5p）+鋁釔合金（al20y）+鋁鉺合金（al20er）復(fù)合變質(zhì)處理，顯著細(xì)化高硅合金中初晶硅晶粒尺寸，增加了合金中初晶硅的晶核數(shù)目，同時抑制了富鎳相、初晶硅和共晶硅的長大，細(xì)化晶粒，促使富鎳相以較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在時仍具有良好的形貌與分布，本發(fā)明的活塞材料具有優(yōu)異高溫性能、良好耐磨性和體積穩(wěn)定性，在無人機發(fā)動機活塞材料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種高硅高鎳活塞材料，按質(zhì)量百分比（wt%）包括如下組分：si?18～23，ni?3～5，mg?0.6～1.5，cu?0.8～1.4，ti?0.1～0.2，zr?0.1～0.2，y?0.1～0.35，er?0.1～0.2，p0.015～0.025，fe≤0.7，以及其余為al。

4、一種如上述所述的高硅高鎳活塞材料的變質(zhì)方法，包括如下操作步驟：

5、s1、配料：按照上述所述的組分及含量準(zhǔn)備相應(yīng)的預(yù)熔材料，預(yù)熔材料包括結(jié)晶硅、純鎂錠、工業(yè)高純鋁錠、電解鎳、陰極銅、鋁鈦合金及鋁鋯合金、鋁釔合金、鋁硅磷合金；

6、s2、裝料融化：將結(jié)晶硅、工業(yè)高純鋁錠、電解鎳、陰極銅、鋁鈦合金及鋁鋯合金裝入熔化爐中進行熔化；

7、s3、添加鋁釔合金、鋁鉺合金和純鎂錠：壓入鋁熔體溫度降至800～850℃時，添加鋁釔合金、鋁鉺合金和純鎂錠，保溫30～60min；

8、s4、打渣：在每爐鋁水的表面加入占每爐總重量0.5～1wt%的打渣劑，用撈渣勺翻動液面上的熔渣，并把鋁水表面浮渣撈干凈；

9、s5、旋轉(zhuǎn)精煉除氣：鋁熔體溫度降至780℃～820℃時，向鋁熔體中添加環(huán)保精煉劑，并開啟除氣機進行旋轉(zhuǎn)除氣；

10、s6、添加鋁硅磷合金：鋁熔體溫度保溫至780℃～820℃時，添加鋁硅磷合金，并持續(xù)除氣一段時間后，再把鋁液表面浮渣撈干凈，鋁溶體靜置5～10min；

11、s7、澆注：試樣模整齊擺放在模架上，向試樣模種澆注步驟s6制得的鋁液，得到試樣；

12、s8、熱處理：對所得試樣進行鑄固溶強化和時效處理。

13、優(yōu)選地，所述步驟s1中預(yù)熔合金的裝料順序是：結(jié)晶硅→純鋁錠→電解鎳→陰極銅→鋁鈦合金→鋁鋯合金，使各加入材料緊實不留明顯間隙。

14、優(yōu)選地，所述步驟s2中熔化爐裝料后應(yīng)緩慢升溫，在550～600℃保溫60～80min后，再升溫至810～870℃熔化，保溫1～2h。

15、優(yōu)選地，所述步驟s5中旋轉(zhuǎn)除氣時確保石墨轉(zhuǎn)子位于保溫爐的中心，轉(zhuǎn)子速度425～482轉(zhuǎn)/分鐘，壓氣流量0.6～0.8m3/h，除氣360-480s。

16、優(yōu)選地，所述步驟s5中旋轉(zhuǎn)除氣完成后轉(zhuǎn)子上升，馬上用工具把轉(zhuǎn)子的通氣孔疏通，用撈渣勺翻動液面上的熔渣，再把鋁液表面浮渣撈干凈，保溫20～40min。

17、優(yōu)選地，所述步驟s6中持續(xù)除氣的時間為180～260s，轉(zhuǎn)子速度515～550轉(zhuǎn)/分鐘，壓氣流量0.8～1.2m3/h，除氣完后轉(zhuǎn)子上升，馬上用工具把轉(zhuǎn)子的通氣孔疏通，用撈渣勺翻動液面上的熔渣，再把鋁液表面浮渣撈干凈。

18、優(yōu)選地，所述步驟s7中澆注溫度控制在740～760℃內(nèi)，用手端澆包向試樣模內(nèi)澆注鋁液，緩慢澆注連續(xù)不斷流，完全凝固后用夾鉗翻轉(zhuǎn)試樣模，使試樣脫模。

19、優(yōu)選地，所述步驟s8中的固溶強化過程包括一級固溶處理和二級固溶處理，一級固溶處理的加熱溫度為475±10℃，保溫時間為1～2h；二級固溶處理的加熱溫度為515±10℃，保溫時間為6～8h，冷卻方式為水冷。

20、優(yōu)選地，所述步驟s8中的時效處理的加熱溫度為185±10℃，保溫時間為4～6h，冷卻方式為空冷。

21、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)存在如下優(yōu)點：

22、本發(fā)明合金材料為高硅高鎳鋁合金，高硅使合金具有高的流動性、低的收縮率和熱膨脹系數(shù)，同時因為硅粒子的硬度高，α-al基體相對很軟，是典型的硬質(zhì)點增強軟基體的耐磨合金，且耐磨性隨硅含量增大而提高。

23、但是高硅含量會產(chǎn)生大量的粗大過共晶硅和初晶硅，使得硅的偏析嚴(yán)重，分布很不均勻，共晶硅呈粗大針狀，同時初晶硅也非常粗大，呈板條狀或多角狀，嚴(yán)重割裂基體的連續(xù)性。同時具有板條狀特性的硅相邊緣尖銳，外加應(yīng)力下很容易在硅相尖端和棱角部位引起局部應(yīng)力集中使裂紋萌生并發(fā)生斷裂，因此這樣的組織特征使合金整體強度、塑韌性、機加工性以及耐熱性都很差。

24、本采用鋁硅磷合金(al-12si-5p)+鋁釔合金（al20y）耦合作用于硅相，特別是粗大過共晶硅和初晶硅。下表1為鋁硅磷合金在高硅高鎳活塞材料中磷吸收率對比。從表1中可以看出，鋁硅磷合金中磷的吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中其他合金中磷的吸收率。原因如下：al-12si-5p中間合金熔點低，且與高硅熔體成分接近，潤濕性好，加入后易熔化，密度小，磷的吸收率高，易形成alp形核中心，變質(zhì)效果好，增加了合金中初晶硅的晶核數(shù)目，抑制了初晶硅的長大，使晶粒減少，數(shù)量增多，分布更均勻，降低了初晶硅對合金變形的不利影響。

25、表1?磷吸收率對比

26、

27、本發(fā)明中釔元素是不僅一種有效α-al基體細(xì)化劑，還是一種有效的硅相變質(zhì)劑。釔元素對硅相的變質(zhì)主要是通過優(yōu)先吸附在硅相生長臺階上并在硅相前沿富集來影響硅相長大方式而起作用的。釔元素通過“毒化”孿晶凹角而抑制硅相在擇優(yōu)方向上的各向異性生長，迫使硅相產(chǎn)生多重孿晶并沿其它方向進行各向同性生長，長成等軸狀，可協(xié)同alp形核中心，起到初晶硅異質(zhì)形核襯底的作用，從而使之形核率大大提高，促進初晶硅細(xì)化。對于共晶硅，釔元素的加入使硅相不再是領(lǐng)先相從而打破其共生生長方式，產(chǎn)生分枝，釔元素在枝晶末端富集，造成枝晶熔斷，使共晶硅呈短桿狀甚至獨立的等軸狀。

28、本發(fā)明同時也是一種高鎳鋁合金，鎳元素是增強本發(fā)明活塞合金高溫強度最不可或缺的元素，其中富鎳相是最重要的高溫強化相。在本發(fā)明合金中，nia13相總是傾向于長條狀形貌，al3cuni相易為條帶形貌，al7cu4ni相有呈現(xiàn)塊狀，這三種富鎳相在高溫時仍能保持更好的高溫性能和優(yōu)異體積穩(wěn)定性。其中鎳元素少量地存在于高硅合金合金中，富鎳相以較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在時仍具有良好的形貌與分布，但是ni（wt）≥2%時形貌便急劇變差，反而不利于性能的提高，含量增高時nia13相即變?yōu)殚L針狀，割裂基體，失去強化效果。

29、本發(fā)明采用鋁鉺合金（al20er），鉺元素能夠在凝固前沿形成成分過冷，鉺元素能夠促進nia13相轉(zhuǎn)化為細(xì)小短桿狀erni3a116相，同時與基體形成的era13與空位有較強的結(jié)合能，抑制鎳原子和硅原子擴散，減小nia13相的尺寸和初晶硅長大，鉺元素促使富鎳相以較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在時仍具有良好的形貌與分布。