[發明專利]超輕質高模高強鑄造鋁鋰基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810854570.5
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN108998700B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 吳量;李險峰;陳東;周聰;馬乃恒;王浩偉
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C32/00;C22C1/10;C22F1/04;C22C1/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明提供了一種超輕質高模高強鑄造鋁鋰基復合材料及其制備方法，所述鋁鋰基復合材料包括基體合金和增強相；所述基體合金包括如下質量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2.5％、Mg 0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0～0.2％、雜質元素總含量小于0.2％以及余量為Al；所述增強相為TiB₂。所述制備方法包括：利用原位自生反應制備TiB₂/Al母材合金；然后將TiB₂/Al母材合金、純鋁與Al?Cu、Al?Li等中間合金熔煉得到復合材料，再經特定的固溶、時效處理，即得。本發明復合材料具有更高的強度和彈性模量及更低的密度，同時成本更低廉。

技術領域

本發明涉及金屬材料類及冶金領域，具體地，涉及一種超輕質高模高強鑄造鋁鋰基復合材料及其制備方法。

背景技術

航空航天領域的飛速發展對材料的比強度、比剛度以及損傷容限提出了更高的要求，進一步減輕航空航天產品結構質量、提高其綜合力學性能已經成為該領域的重大課題。其中一種理想材料即為：鋁鋰合金。鋰作為自然界最輕的金屬元素，其密度只有0.53g/cm³，僅為鋁的1/5；鋰元素也因此成為實現鋁合金構件減重最為有效的金屬元素。研究表明，在鋁合金中每添加1％wt.％的鋰，可使合金密度降低約3％，而彈性模量提高約6％，而且合金在固溶和時效后硬化效果良好。其中，變形鋁鋰合金具有較高的強度和塑性被廣泛應用于航空航天領域，然而由于變形材料存在不可避免的短板：各向異性嚴重，Li含量較低，不能充分發揮Li的減重作用，且受到零件形狀的限制，某些復雜構件只能采用鑄造成型的方法生產，因此，近年來對鑄造鋁鋰合金的研究逐漸興起。目前，與鑄造鋁鋰合金相關的研究較少。上海交通大學陳安濤等人研究了合金元素對鑄造鋁鋰合金性能的影響，并開發出了一種性能較為優異的Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr-0.2Sc合金，但其屈服強度僅為300Mpa，嚴重制約了鑄造鋁鋰合金的進一步推廣應用。

另一類在航空航天領域得到廣泛關注的材料為陶瓷顆粒增強鋁基復合材料，這類材料展現出低密度、高比強度和比剛度、高彈性模量、良好耐磨性能、高熱導率和低的熱膨脹系數等優異性能。結合改善材料性能的兩種途徑(添加Li元素及陶瓷顆粒)，通過鋁鋰合金與鋁基復合材料的優勢互補、優勢加強，人們開發出了陶瓷顆粒增強鋁鋰基復合材料。但是，傳統的復合材料中，增強體經常是在復合材料鑄造前準備，因此傳統的復合材料可稱為非原位(ex situ)復合材料。因而非原位復合材料中增強相的尺寸與形貌取決于最初粉末的狀態，這些粉末的粒徑的尺度通常為幾微米到幾十微米，很少出現納米級。此外，需要克服的主要缺點還包括，顆粒與基體之間的界面反應及因外加顆粒的表面污染造成的顆粒與基體之間的潤濕性差等。目前非原位生產方法中需克服諸多的問題。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，為了克服非原位生產方法中的諸多問題，本發明所使用的鋁鋰基復合材料主要由原位自生(in situ)的方法生產，與傳統的非原位生產方法相比較，原位自生法制備的復合材料表現出以下優勢，(a)原位自生增強顆粒在基體中熱力學穩定性好，減慢了材料在高溫服役過程中的退化；(b)增強體與基體的接觸界面整潔干凈，使界面結合更加穩定；(c)原位自生可制備微納尺度顆粒增強鋁基復合材料且顆粒在基體中的分布更加均勻，得到復合材料的綜合性能更佳。其次，TiB₂具有高硬度、高模量、化學穩定等優點；采用原位自生方法制備的鋁基復合材料中的陶瓷顆粒為亞微米級，形狀圓整，與界面結合良好。因此，在鋁鋰合金中原位合成納米陶瓷顆粒，其彈性模量、屈服強度和壓縮微蠕變抗力等力學性能有望在鋁鋰合金的基礎上得到大幅提高。

本發明的目的是提供一種超輕質高模高強鑄造鋁鋰基復合材料及其制備方法。通過添加合金化元素(Li，Cu，Mg，Sc，Zr，Cd)以及后續的固溶時效處理，獲得了力學性能優異的鑄造鋁鋰基復合材料，該復合材料具備比基體鋁鋰合金更高的彈性模量和更高的強度，工藝操作簡單，成本低，適合批量生產。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：