[發明專利]各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210535064.2
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN103866165A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 魏少華;劉彥強;左濤;馬自力;樊建中
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明屬于顆粒增強鋁基復合材料技術領域；特別涉及各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料制備方法。

背景技術

與基體合金相比，顆粒增強鋁基復合材料具有高比強度、高比剛度、熱膨脹系數小、導熱性能好等優異的綜合性能，已經開始并逐步廣泛應用于航空航天領域。從上世紀八十年代開始，我國相繼投入了大量的人力和物力進行該類復合材料的研究和應用開發，試圖在航空航天等重要應用場合，采用輕質的顆粒增強鋁基復合材料作為結構材料來代替傳統的鋁合金和鈦合金，以便于實現零部件的輕量化。因此，顆粒增強鋁基復合材料必須具備低密度、高模量和良好的韌塑性。

目前，顆粒增強鋁基復合材料的制備方法主要有四種：粉末冶金法、攪拌鑄造法、噴射沉積法和壓力鑄造法。其中粉末冶金法最為成熟，不僅能準確調節和控制增強體顆粒的有效含量，而且可以實現材料微觀組織可控，獲得具有高強高韌且性能穩定的材料。

由于陶瓷增強體的加入，顆粒增強鋁基復合材料的塑性較差，必須通過塑性變形使增強體顆粒均勻分布于鋁基體中，并改善增強體-基體的界面結合，以大幅度提高材料的塑性，實現高強高韌的目的，達到航天航空結構件的基本應用指標(延伸率>5%)。盡管經傳統的塑性變形手段，如擠壓、鍛造和軋制等，可以顯著提高顆粒增強鋁基復合材料的強度和塑性，但同時也會加大材料內部的各向異性，比如：沿著擠壓方向的力學性能要明顯高于垂直于擠壓方向的，兩個方向的物理性能也會有一定的差異；沿鍛造徑向或軋制方向的力學性能都比較高，這些差異都與材料在塑性變形過程中的流動有關。在航空航天領域中，對于現實服役狀態下受力復雜的結構件而言，這種材料的各向異性會極大縮短其疲勞壽命，嚴重阻礙了顆粒增強鋁基復合材料在該類結構件上的開發和應用。因此，如何獲得內部組織和性能各向同性、高強高韌的顆粒增強鋁基復合材料顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的就在于實現一種各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料。

本發明的另一個目的是實現適合于上述各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料的一種工藝穩定且低成本的制備方法，通過兩種不同的塑性變形方式，使增強體顆粒在鋁基體中的分布到達空間均勻分布，同時增強體與基體之間形成良好的界面結合，以制備各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料。

為了實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

本發明的各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料由增強體顆粒和鋁合金基體組成。

增強體顆粒在空間上彌散均勻分布于鋁合金基體中，并與基體形成高強度的界面結合；

增強體顆粒的粒度范圍為1~25μm；

且在復合材料中的體積百分比為5%~30%；

鋁合金粉末的粒度范圍為5~60μm。

所述的增強體顆粒為具有高硬度、高彈性模量、高強度和低密度等特點的Al₂O₃(氧化鋁)、SiC(碳化硅)和AlN(氮化鋁)中的任意一種；鋁合金基體是硬鋁(2×××)中的任意一種合金。

該各向同性且高強高韌顆粒增強鋁基復合材料是采用增強體顆粒和鋁合金粉末混料、真空熱壓成形為坯錠、熱擠壓成棒料和高溫鍛造或熱軋的處理方式制造而成的。

本發明的一種制造顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，該方法包括下述步驟：

(1)按復合材料中增強體顆粒中的體積百分含量為5~30%的增強體顆粒和體積百分含量70~95%的基體合金，計算出二者各自所需重量；

(2)將所需的增強體顆粒、鋁合金粉末和鋼球加入到普通機械混料機的混料筒內，進行機械混料；

(3)將制得的復合粉末裝入45號鋼模具中，然后真空熱壓成形為坯錠，熱壓溫度為600~650℃，真空度為1~8×10^-3Pa，壓強為50~100MPa；

(4)將復合材料熱壓坯錠進行熱擠壓，擠壓溫度為400~450℃，擠壓比為10~20:1，擠壓速度為0.1~5mm/s；

(5)將復合材料擠壓棒材分割成長度為500~1200mm的棒料，分割工具可采用電火花線切割、帶鋸或圓盤鋸；

(6)將長度為500~1200mm的復合材料棒料進行高溫鍛造或熱軋，鍛造或軋制溫度為400~450℃，總變形量>60%，單道次變形量應為<45%，每道次間需進行高溫退火處理，退火工藝為：400~450℃保溫2~4h。