[发明专利]一种高强度、高模量原位铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，具体是一种高强度、高模量原位铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料中颗粒增强体制备所需的原材料资源丰富，制备工艺过程简单，可设计性强，有着优良的综合力学性能和使用性能，如高比强度、高比模量、高比刚度、低密度、低热膨胀系数等，因而主要应用于航空航天、海洋工程、汽车工业等领域。值得注意的是制约颗粒增强铝基复合材料广泛应用的一个重要原因是弹性模量不能符合应用的要求，作为结构材料，一般要求弹性模量要达到80GPa，有些要求还要更高。由此可见，在满足复合材料的其它力学性能的基础上，开发高弹性模量颗粒增强铝基复合材料，满足应用需求是非常必要的。颗粒增强铝基复合材料制备技术大致分为固态合成技术、液态合成技术和其他合成技术。

原位反应合成技术作为一种新的具有突破性的复合技术，得到了国内外学者的普遍重视，该方法在技术方面和经济效益等方面具有非常显著的优势，因而被认为是当前合成颗粒增强铝基复合材料工业化最有效途径之一。原位反应制备技术合成颗粒增强铝基复合材料的独特之处在于，增强颗粒是在制备过程中，通过组元之间的化学反应从铝基体中原位形核、长大原位生成的。与传统外加颗粒的铝基复合材料相比，原位合成的颗粒增强铝基复合材料的优点如下：(1)原位自生的增强颗粒相在基体中热力学条件稳定，尤其当铝基复合材料在较高温下应用时，增强颗粒相不会发生分解或转变成其它物相，因此，复合材料的宏观物理、化学等性能能够得到保证。(2)原位合成的颗粒增强相与Al基体的界面清洁，为原子间结合，界面强度高。(3)原位合成的颗粒增强相相比外加颗粒尺寸可以更细小，并且容易在铝基体晶粒中分散，进而使得原位铝基复合材料的弹性模量、屈服强度以及摩擦磨损性能等显著提高。然而颗粒增强铝基复合材料在发展仍有两大问题有待进一步解决：(1)随着航空航天、海洋工程等高端领域的发展，对关键部位材料的强度和模量提出了更高的要求，传统的材料已无法满足这一要求；(2)增强颗粒与基体之间润湿性差导致材料残余应力较高，高残余应力复合材料构件在后续机加工过程中变形严重甚至开裂报废；为避免加工过程中残余应力引发构件开裂，高残余应力构件的机加工工艺被严格限制，这将降低构件的生产效率，增加生产成本。

对现有的技术文献和综述文献调研表明，目前主要通过大量的稀土元素合金化，颗粒复合强化，以及苛刻的热处理工艺来进一步提高材料的强度，降低材料的残余应力(如：专利CN102127665A，CN103627932A，CN103628007A)。然而，上述苛刻的工艺技术依然存在着以下的缺点和不足：(1)大量价格昂贵的稀土元素的使用，如Sc，Gd等，使材料的制造成本大幅提高，且力学性能提高不显著，且不能有效提高材料的模量，从而不能从根本上提高材料的刚度，降低材料残余应力。(2)大尺寸的增强颗粒有利于提高材料强度，分散性良好，但与基体难以润湿，缺陷较多。另外，从目前的增强机理分析，在颗粒体积分数相同的情况下，尺寸越小，增强作用越强，然而，颗粒尺寸减小的同时使得颗粒的比表面能增加，这样，增强颗粒为降低自身能量容易团聚在一起。(3)通过热处理来消除材料应力的同时往往伴随着强度的牺牲，消减幅度不大。

发明内容

本发明目的在于提供一种高强度、高模量原位铝基复合材料，该材料具有高强度、高模量和较低的应力。

本发明另一目的是提供一种高强度、高模量原位铝基复合材料的制备方法，利用原位反应技术工艺制备二元陶瓷颗粒增强微/纳米铝基复合材料，实现原材料强度和模量的明显提升，同时具有较低的残余应力。

本发明为了实现其技术目的所采用的技术方案是通过Al-K₂TiF₆-K₂ZrF₆-KBF₄反应体系，采用熔体直接反应法制备颗粒增强铝基复合材料，并加入微合金元素进一步提高材料性能。对制得的复合材料进行变形加工处理，最后通过热处理进行固溶强化，最终得到本发明的高强度、高模量原位铝基复合材料。

与现有制备技术相比，本技术方案的特征主要体现在成功的在Al-Zn-Mg-Cu超高强系铝合金中通过原位内生的方法引入二元陶瓷微/纳米增强颗粒，同时，通过添加稀土Y和Er来协同调控铝基复合材料的强度和塑性。本技术采用磁化学原位反应法制备的原位铝基复合材料，解决了Al-Zn-Mg-Cu超高强系铝合金模量低，外加法制备的复合材料润湿性差、内应力高等缺点。因此、本技术所制备的复合材料可广泛应用于航空航天、海洋工程等高端领域。