一种高强高塑性铝基复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及铝基复合材料技术领域，具体涉及一种高强高塑性铝基复合材料及其制备工艺。

背景技术

复合材料可分为三类：聚合物基复合材料(PMCs)、金属基复合材料(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。

铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。铝基复合材料增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性。为此，现有技术中铝基复合材料在强度与塑性的平衡性方面做的并不是很好，要么就是强度高，塑性低，要么就是强度低，塑性高，无法满足应用的高要求，目前市场上高强度高塑性的铝基复合材料的抗拉强度一般在400MPa左右，对应的延伸率为3～5％。

发明内容

针对上述问题，本发明的一目的在于提供一种高强高塑性铝基复合材料，由铝合金基体和增强材料组成，所述增强材料由二氧化锆和二硼化钛组成，

以所述铝基复合材料质量百分比计，包含：

4.7～6.2％的二氧化锆；

3.3～5.8％的二硼化钛；

余量为所述铝合金基材；

以所述铝合金基材质量百分比计，包含：

0.16～0.24％的硅；

0.78～1.16％的镁；

0.45～0.65％的锰；

0.12～0.18％的锌；

0.24～0.30％的钽；

0.33～0.41％的钒；

余量为所述铝。

优选的，所述增强材料为颗粒形态、纤维形态、晶须形态中的任一种或任两种的组合。

优选的，所述二氧化锆与二硼化钛均为颗粒状态，且颗粒的粒径为7.5～10.5μm。

优选的，所述二氧化锆与二硼化钛均为纤维状态，且纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

优选的，所述二氧化锆与二硼化钛均为晶须状态，且晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

优选的，所述二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为纤维形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

优选的，所述二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为颗粒形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

优选的，所述二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

优选的，所述二硼化钛为颗粒形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

优选的，所述二硼化钛为纤维形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

优选的，所述二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

本发明的另一目的在于提供一种高强高塑性铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

将所述铝合金基体切割、破碎成铝基粉末0.5～1.5mm；

将增强材料二氧化锆及二硼化钛先后进行水洗、烘干、加热、保温，其中，所述二氧化锆加热温度为620～640℃，保温温度为120～150℃；所述二硼化钛加热温度为660～680℃，保温温度为160～180℃；

(3)先将铝基粉末与二氧化锆置于球磨机中充分混匀，再将二硼化钛加入到球磨机中充分混匀，得混合粉体，其中，所述球磨的速度为100～150rpm，

(4)将所述混合粉体在供氮气氛中以一定的升温率从常温加热到680～720℃，保持80～100min，其中，所述升温率为1.5℃/5s,即每5秒升温1.5摄氏度；且期间，采用高能超声波处理铝合金熔体，超声频率设定为80～100KHZ、功率750～850W；

(5)将铝合金熔体压制、成型，待其冷却后，将成型材料先后采用固溶、双级时效工艺处理，其中，所述固溶温度为440～460℃，固溶时间8h；所述双级时效中一级时效温度设定在120～140℃、时间10h，二级时效时间160～180℃，时间12h。

本发明具有如下的有益效果：

本发明得到的铝基复合材料没有明显的组织缺陷，增强相(二氧化锆与二硼化钛)分布均匀，无团聚现象，颗粒、纤维、晶须镶嵌在基体中，颗粒、纤维或晶须边缘与基体较为紧密，界面洁净，当增强相含量超过本方案限定的定值时，其在基体中的分布较不均匀，进而影响材料的性能。通过本申请的制备工艺，能够改善增强材料的表明状态，以及增强材料与铝基体之间柔性界面的形成，进而改善复合材料的致密度，提高了强度和塑性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本申请实施例提供了一种高强高塑性铝基复合材料及其制备工艺，旨在解决现有技术中铝基复合材料强高及塑性不高的问题。

实施例1

本实施例的高强高塑性铝基复合材料,由铝合金基体和增强材料组成，增强材料由二氧化锆和二硼化钛组成。

其中，以铝基复合材料质量百分比计，包含：4.7％的二氧化锆、3.3％的二硼化钛，余量为铝合金基材；

以铝合金基材质量百分比计，包含：0.16％的硅、0.78％的镁、0.45％的锰、0.12％的锌、0.24％的钽、0.33％的钒，余量为铝。

实施例2

本实施例的高强高塑性铝基复合材料,由铝合金基体和增强材料组成，增强材料由二氧化锆和二硼化钛组成。

其中，以铝基复合材料质量百分比计，包含：5.1％的二氧化锆、4.4％的二硼化钛，余量为铝合金基材；

以铝合金基材质量百分比计，包含：0.20％的硅、0.94％的镁、0.55％的锰、0.15％的锌、0.27％的钽、0.37％的钒，余量为铝。

实施例3

本实施例的高强高塑性铝基复合材料,由铝合金基体和增强材料组成，增强材料由二氧化锆和二硼化钛组成。

其中，以铝基复合材料质量百分比计，包含：6.2％的二氧化锆、5.8％的二硼化钛，余量为铝合金基材；

以铝合金基材质量百分比计，包含：0.24％的硅、1.16％的镁、0.65％的锰、0.18％的锌、0.30％的钽、0.41％的钒，余量为铝。

实施例4

基于实施例1-3，本实施例提供了一种高强高塑性铝基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

(1)将铝合金基体切割、破碎成铝基粉末0.5～1.5mm；

(2)将增强材料二氧化锆及二硼化钛先后进行水洗、烘干、加热、保温，其中，二氧化锆加热温度为620～640℃，保温温度为120～150℃；二硼化钛加热温度为660～680℃，保温温度为160～180℃；

(3)先将铝基粉末与二氧化锆置于球磨机中充分混匀，再将二硼化钛加入到球磨机中充分混匀，得混合粉体，其中，球磨的速度为100～150rpm，

(4)将混合粉体在供氮气氛中以一定的升温率从常温加热到680～720℃，保持80～100min，其中，升温率为1.5℃/5s,即每5秒升温1.5摄氏度；且期间，采用高能超声波处理铝合金熔体，超声频率设定为80～100KHZ、功率750～850W；

(5)最后将铝合金熔体压制、成型，待其冷却后，将成型材料先后采用固溶、双级时效工艺处理，即得本发明的铝基复合材料，其中，固溶温度为440～460℃，固溶时间8h；双级时效中一级时效温度设定在120～140℃、时间10h，二级时效时间160～180℃，时间12h。

实施例5

基于实施例1和实施例4，本实施例对增强材料的物理性质进行如下的九种限定：

①二氧化锆与二硼化钛均为颗粒状态，且颗粒的粒径为7.5～10.5μm。

②二氧化锆与二硼化钛均为纤维状态，且纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

③二氧化锆与二硼化钛均为晶须状态，且晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

④二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为纤维形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑤二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为颗粒形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑥二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑦二硼化钛为颗粒形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑧二硼化钛为纤维形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑨二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

取样，对于上述九种状态下得到的铝基复合材料强度及塑性进行测试，具体性能参数见下表1所示：

表1：

实施例6

基于实施例2和实施例4，本实施例对增强材料的物理性质进行如下的九种限定：

①二氧化锆与二硼化钛均为颗粒状态，且颗粒的粒径为7.5～10.5μm。

②二氧化锆与二硼化钛均为纤维状态，且纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

③二氧化锆与二硼化钛均为晶须状态，且晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

④二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为纤维形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑤二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为颗粒形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑥二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑦二硼化钛为颗粒形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑧二硼化钛为纤维形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑨二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

取样，对于上述九种状态下得到的铝基复合材料强度及塑性进行测试，具体性能参数见下表2所示：

表2：

实施例7

基于实施例3和实施例4，本实施例对增强材料的物理性质进行如下的九种限定：

①二氧化锆与二硼化钛均为颗粒状态，且颗粒的粒径为7.5～10.5μm。

②二氧化锆与二硼化钛均为纤维状态，且纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

③二氧化锆与二硼化钛均为晶须状态，且晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

④二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为纤维形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑤二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为颗粒形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um。

⑥二氧化锆为颗粒形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑦二硼化钛为颗粒形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛颗粒的粒径为7.5～10.5μm，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑧二硼化钛为纤维形态、二氧化锆为晶须形态，且二硼化钛纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二氧化锆晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

⑨二氧化锆为纤维形态、二硼化钛为晶须形态，且二氧化锆纤维的直径为0.1～2.5μm，长度为10-50um，二硼化钛晶须的纯度为99％+、直晶率为100％、直径为500nm、长度为10-15um。

取样，对于上述九种状态下得到的铝基复合材料强度及塑性进行测试，具体性能参数见下表3所示：

表3：

由表1、表2以及表3可知，

ⅰ)本申请实施例的高强度高塑性铝基复合材料强度相比现有的提高了约30～80MPa，提升率为7.5～20％；延伸率相比现有的提高了约2至4.5个百分点。

ⅱ)本申请实施例中较为优选的是实施例2的材料配比方案，以及增强材料为颗粒+晶须状态的⑥、⑦方案，该组合方案下，铝基复合材料的强度及塑性性能最优，具体的，材料的抗拉强度可达470MPa以上，延伸率可达7.0％以上。

以上所述仅为本发明的优，选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。