[發明專利]一種原位納米顆粒及稀土增強鋁基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010098312.6
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111254319B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 趙玉濤;錢煒;高旭;靳利偉;黃璐瑤
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10;C22F1/04;B22D7/00;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于鋁合金鑄造技術領域，尤其涉及一種原位納米顆粒與稀土協同強化鋁基復合材料的制備方法。本發明采用6111Al?Er?K₂ZrF₆?KBF₄反應體系，首先引入稀土Er，經過5min后待其開始穩定反應后，加入混合氟鹽粉末，引入ZrB2增強顆粒。在稀土Er及外加電磁攪拌的雙重作用下，緩解原位納米顆粒的團聚現象，制備得到具有優異抗拉強度及延伸率的新型稀土與原位納米顆粒協同強化鋁基復合材料。

技術領域

本發明屬于鋁合金鑄造技術領域，尤其涉及一種原位納米顆粒與稀土協同強化鋁基復合材料的制備方法，制備得到的鋁合金具備高強度、高塑性的性能特點。

背景技術

金屬基復合材料是21世紀發展潛力巨大的高性能結構材料之一，尤其是顆粒增強鋁基復合材料，不僅具有高比強度和比剛度，而且具有耐磨性高、導熱性好、熱膨脹系數低、可設計性強等優點，在航空航天、國防及先進制造等高技術領域具有廣闊的應用前景。原位顆粒增強鋁基復合材料是通過先進的原位合成技術制備的新型金屬基復合材料，由于其增強體是從鋁基體中原位形核、長大的熱力學穩定相，因此增強體表面無污染，增強體與基體的界面相容性好、界面結合強度高，具有高的比強度、比剛度以及較好的韌性、抗疲勞、抗蠕變，阻尼性能好、熱膨脹系數低，已成為金屬基復合材料中應用潛力巨大的發展方向，備受材料界和工業界廣泛關注，對推動鋁合金產業的轉型發展和供給側改革將產生重大影響。

原位納米顆粒增強鋁基復合材料具備以上諸多優點的同時，卻面臨一個重要的技術瓶頸，即尺寸細小的原位納米顆粒的分布狀態及其形貌難以控制，顆粒團聚問題是該研究領域內存在幾十年的行業難題。原位ZrB₂顆粒尺寸極小，屬于納米級，因此具備很大的表面能，顆粒存在自發團聚的傾向。顆粒團聚形成尺寸極大的顆粒團簇，這些大尺寸團簇與基體合金界面結合性極差，復合材料組織內部常見大尺寸團聚與基體界面存在較多孔洞等缺陷。此外原位內生的增強顆粒尺寸極難控制，部分顆粒出現異常長大現象，而大尺寸顆粒與基體合金的界面潤濕性較差，界面結合強度不高?；谝陨?，原位納米顆粒的團聚不利于復合材料綜合力學性能的提升。

對于提升鋁合金綜合力學性能這塊的研究，除了原位納米顆粒強化外，引入稀土元素，利用稀土優異的晶粒細化能力及生成大量彌散分布的含稀土析出相，同樣可以顯著提升基體合金的強度及塑性。在眾多的稀土元素中，稀土Sc 是公認強化效果最好的元素，但受制于Sc極其昂貴的價格，其應用并不廣泛。因此在本專利中，選取強化效果類似Sc，但價格相對低廉的稀土Er，利用原位納米顆粒ZrB₂及稀土Er它們各自具備的強化特點、Er改善原位ZrB₂顆粒分布狀態及顆粒形貌這些特點，獲得原位納米顆粒與稀土元素協同強化效果。

發明內容

本發明的目的在于開發一種原位納米顆粒與稀土協同強化鋁基復合材料的制備技術，利用稀土解決傳統原位納米顆粒增強鋁基復合材料內顆粒團聚的問題，進而最大程度提升基體合金的抗拉強度及延伸率。

本發明的第二個目的在于通過提升復合材料內增強相的含量來提升其綜合力學性能。無論是原位納米顆粒強化相還是含稀土析出相強化相，其各自的含量總會有一個峰值，超過這個特定值，對基體合金的強化效果就要減弱。因為原位納米顆粒和稀土析出相分屬兩種不同性質的強化相，它們的結合使用并不沖突，使得復合材料內部強化相的總含量限制得到突破。該新型鋁基復合材料內部強化相含量的顯著增加在宏觀上表現為復合材料抗拉強度及延伸率的進一步提升。

本發明為實現其高的力學性能指標，所采用的技術方案是通過 6111Al-Er-K₂ZrF₆-KBF₄反應體系，首先引入稀土Er，經過5min后待其開始穩定反應后，加入混合氟鹽粉末，引入ZrB₂增強顆粒。在稀土Er及外加電磁攪拌的雙重作用下，緩解原位納米顆粒的團聚現象，制備得到具有優異抗拉強度及延伸率的新型稀土與原位納米顆粒協同強化鋁基復合材料。