一种原位内生Al3(Y,Zr)颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种原位内生Al

背景技术

铝合金虽然具有密度低、比强度高、耐蚀性和成型性好等优点，但其绝对强度、硬度以及韧性有待进一步提高。将纤维、晶须、颗粒等增强体加入铝基体中形成的铝基复合材料，能显著提升铝合金的硬度、强度、弹性模量等力学性能。

铝基复合材料的增强体除了通过直接外加引入以外，还可以通过原位反应法或原位结晶法在基体中内生合成。原位反应法是通过熔体中各组分间的反应形成增强体，具有界面结合力强度大且相容性好的优点，但也存在反应过程有伴生反应化合物、形成的颗粒容易聚结等缺点。相较而言，原位结晶法是通过合金凝固发生相变形成增强相，一般不会有伴生反应化合物生成。专利CN 104498787B公开了一种原位自生Mg

与Mg

发明内容

本发明的目的是要解决上述熔铸法原位结晶制备铝基复合材料中Al

为实现目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先提供一种原位内生Al

进一步地，所述Al

进一步地，所述Al

进一步地，所述铝合金为Al-Si系铝合金、Al-Mg系铝合金、Al-Cu系铝合金中的一种，例如：Al-Si、Al-Mg或Al-Cu等二元合金，或Al-Si-Mg、Al-Si-Cu等三元合金。

本发明还提供了所述原位内生Al

1)将Al-Zr中间合金、Al-Y中间合金和纯铝或铝合金基体按比例配料并放入坩埚中，用电阻炉将坩埚内炉料加热至750～780℃，使炉料完全熔化并保温一段时间，熔炼过程用惰性气体对熔体进行保护；

2)将熔体温度降至670～690℃后进行超声熔体处理，处理后保温2～3min浇注成型；

3)将浇注成型的铸锭进行后续等温时效处理，即获得原位内生Al

进一步地，配料中Y和Zr元素所占的质量百分比为：Y 0.3～3wt.％，Zr 0.3～3wt.％，且Y与Zr质量比为0.5～2：1。

进一步地，步骤2)所述超声熔体处理的过程如下：先将超声振动杆预热至500～600℃，然后待熔体温度降至670～690℃(即Al

进一步地，步骤3)所述等温时效处理的工艺如下：时效温度为200～400℃，时效时间为4～24小时。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的制备方法包括配料熔炼、超声熔体处理、凝固原位结晶、浇铸成型以及等温时效等过程，主要依据为Y与Zr能相互作用降低彼此在铝中固溶度而原位结晶形成与Al

2、与专利CN102864450B“一种Al

3、与专利CN 104498787B“一种原位自生Mg

4、复合材料组织中Al

附图说明

图1为实施例1所得Al-7％Si-0.3％Mg-0.3％Y-0.6％Zr的X射线衍射图；

图2为实施例1所得Al-7％Si-0.3％Mg-0.3％Y-0.6％Zr的扫描电子显微镜图像；

图3为实施例2所得Al-7％Si-0.3％Mg-0.6％Y-0.3％Zr的扫描电子显微镜图像；

图4为实施例3所得Al-7％Si-0.3％Mg-0.6％Y-1.2％Zr的扫描电子显微镜图像；

图5为实施例4所得Al-7％Si-0.3％Mg-1.0％Y-1.0％Zr的扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施例选择A356(Al-7％Si-0.3％Mg)铝合金作为基体合金。

实施例1

本实施例提供一种原位内生Al

以1000g配置为例，本实施例以A356(Al-7％Si-0.3％Mg)合金为基体合金，并以钇含量为10％的Al-10Y中间合金为钇源、锆含量为5％的Al-5Zr中间合金为锆源，按如下步骤制备上述复合材料：

将850g的A356基体合金放入坩埚中，加热到200℃保持15min以除去铸锭表面水分和油；随后加热至750℃，保温50min使其完全熔化，接着用铝箔包住30gAl-10Y和120gAl-5Zr中间合金，并用石墨钟罩将其压入熔体底部，顺时针缓慢搅拌10min，完全熔化后保温30min。用石墨钟罩将C

待熔体降温至680℃时，将预热至550℃的超声振动杆浸入熔体并施加超声振动，超声功率为600W，超声频率为20kHz，超声振动杆浸入熔体深度为熔体总深度的1/3，施振时间1min，振动结束后，将熔体浇注进预热到200℃的金属模铸型，得到铸锭。

浇铸成锭合金在400℃下保温8小时进行等温时效处理。

本实施例的原位内生Al

本实施例的原位内生Al

实施例2

本实施例提供一种原位内生Al

以1000g配置为例，本实施例以A356(Al-7％Si-0.3％Mg)合金为基体合金，并以钇含量为10％的Al-10Y中间合金为钇源、锆含量为5％的Al-5Zr中间合金为锆源，按如下步骤制备上述复合材料：

将880g的A356基体合金放入坩埚中，加热到200℃保持20min以除去铸锭表面水分和油；随后加热至760℃，保温40min使其完全熔化。接着用铝箔包住60gAl-10Y和60gAl-5Zr中间合金，并用石墨钟罩将其压入熔体底部，顺时针缓慢搅拌10min，完全熔化后保温30min。用石墨钟罩将C

待熔体降温至670℃时，将预热至550℃的超声振动杆浸入铝熔体并施加超声振动，超声功率为1200W，超声频率为20kHz，超声振动杆浸入熔体深度为熔体总深度的1/3，施振时间5min，振动结束后，将熔体浇注进预热到220℃的金属模铸型，得到铸锭。

浇铸成锭合金在300℃下保温4小时进行等温时效处理。

本实施例的原位内生Al

本实施例的原位内生Al

实施例3

本实施例提供一种原位内生Al

以1000g配置为例，本实施例以A356(Al-7％Si-0.3％Mg)合金为基体合金，并以钇含量为10％的Al-10Y中间合金为钇源、锆含量为5％的Al-5Zr中间合金为锆源，按如下步骤制备上述复合材料：

将700g的A356基体合金放入坩埚中，加热到200℃保持20min以除去铸锭表面水分和油；随后加热至780℃，保温30min使其完全熔化。接着用铝箔包住60gAl-10Y和240gAl-5Zr中间合金，并用石墨钟罩将其压入熔体底部，顺时针缓慢搅拌10min，完全熔化后保温30min。用石墨钟罩将C

待熔体降温至690℃时，将预热至600℃的超声振动杆浸入熔体并施加超声振动，超声功率为1600w，超声频率为21kHz，超声振动杆浸入熔体深度为熔体总深度的1/4，施振时间8min，振动结束后，将熔体浇注进预热到220℃的金属模铸型，得到铸锭。

浇铸成锭合金在350℃下保温24小时进行等温时效处理。

本实施例的原位内生Al

本实施例的原位内生Al

实施例4

本实施例提供一种原位内生Al

以1000g配置为例，本实施例以A356(Al-7％Si-0.3％Mg)合金为基体合金，并以钇含量为10％的Al-10Y中间合金为钇源、锆含量为5％的Al-5Zr中间合金为锆源，按如下步骤制备上述复合材料：

将700g的A356基体合金放入坩埚中，加热到200℃保持20min以除去铸锭表面水分和油；随后加热至780℃，保温40min使其完全熔化。接着用铝箔包住100gAl-10Y和200gAl-5Zr中间合金，并用石墨钟罩将其压入熔体底部，顺时针缓慢搅拌10min，完全熔化后保温30min。用石墨钟罩将C

待熔体降温至680℃时，将预热至550℃的超声振动杆浸入熔体并施加超声振动，超声功率为2000W，超声频率为22kHz，超声振动杆浸入熔体深度为熔体总深度的1/4，施振时间8min，振动结束后，将熔体浇注进预热到200℃的金属模铸型，得到铸锭。

浇铸成锭合金在400℃下保温16小时进行等温时效处理。

本实施例的原位内生Al

本实施例的原位内生Al

对比例5

采用铸造法熔铸A356基体合金，并对其进行常规T6热处理，作为对比例。它由以下方法制备而成：

以1000g配置为例，将1000g的A356合金放入坩埚中，加热到200℃保持20min以除去铸锭表面水分和油；随后加热至750℃，保温40min使其完全熔化。用石墨钟罩将C

待熔体降温至690℃时，将熔体浇注进预热到200℃的金属模铸型，得到铸锭。

浇铸成锭合金进行T6热处理，包括：545℃下固溶处理10小时，随后200℃下保温8小时进行人工时效。

本实施例的A356铝合金经光谱测量其实际成分为：6.986％Si，0.273％Mg，余量为铝和杂质元素。

对实施例1-4及对比例5的合金材料进行拉伸性能测试，性能如表1：

表1.各实施例与对比例的力学性能

从材料性能上看，实施例1-4中原位内生Al