[发明专利]一种轻质高强高韧铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料制备技术，特别涉及到一种轻质高强高韧铝基复合材料的制备方法，特别适用于制备大飞机的后翼梁和展翼与高客和高速轨道交通的车体框架等关键结构部件。

背景技术

近年来，我国在大飞机制造及高客和高速轨道交通设备制造产业领域快速发展，这些高端领域给高性能新材料的研究和应用提供了广阔的空间和严峻的挑战；在新一代高速交通装备采用的结构材料中，铝合金占有相当大的比例，仅以大飞机为例，尽管目前欧美最新一代大飞机如波音787已经开始大量使用树脂基复合材料，以减轻飞机重量，但仍有20%以上的结构材料必须采用铝合金，而空客A380飞机仍使用飞机结构重量比为61%左右的铝合金；由此可见，目前铝合金在高速交通装备的结构材料中占有相当的地位，特别是随着铝合金性能的不断提高，铝合金及铝基复合材料在高速交通装备的大量应用仍是必然选择。

鉴于目前高速交通领域中，大飞机结构对材料轻量化以及高性能化的要求最高，因此，以大飞机需要的铝合金材料为例来说明高端交通领域对材料性能的要求及现状；欧美新一代大飞机用高性能铝合金包括两个主要系列：（1）7xxx系列高性能铝合金，主要包括7085和7055，其中7085是美国Alcoa设计具有专利权的铝合金，该系列铝合金主要用于飞机的特大铸锻件，因7085具有更好的熔铸性和淬透性，其锻件厚度可达240mm，主要用于飞机的后翼梁，如空客A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件，长6.4m，宽1.9m，质量约3900Kg；（2）2xxx系列，包括：2094、2195、2097等第3代铝锂合金，主要用于飞机机身蒙皮和地板结构，主要是具有好的抗蚀性能，我国制造具有自主知识产权的大飞机及高速轨道交通装备，应在所用材料更轻、性能更强等方面创造特色，特别对于飞机的后翼梁和展翼，应采用更强的铝合金材料，才能降低结构件乃至整个飞机的重量。

大飞机等高端应用领域所用铝合金结构件的特点包括：（1）高性能，包括高的强度和韧性等；（2）多采用整体结构件，以减少焊接并增加其强度且提高其抗蚀性能；（3）所用量较大，即制备该类合金必须能大工业规模生产和加工。

鉴于以上大飞机等高端应用领域用高性能铝合金的研究背景和大飞机等所用铝材生产的特点，有待性能更高的铝合金材料出现，本发明通过合金成分的优化、复合微合金化以及引入增强相复合强化的方法实现，对于这类通过微合金化和颗粒复合强化的材料，再通过特殊的成形和热加工工艺，使材料达到更高的性能。

发明内容

本发明提供一种轻质高强高韧铝基复合材料的制备方法，即在原有高强铝合金的基础上，通过合金成分优化、在磁场、电场复合作用下引入亚微米/纳米颗粒对铝基合金强化、引入复合微合金强化元素进一步提高基体的性能，再采用与复合材料相适应的成形与热处理及热加工工艺，实现工业规模轻质高强高韧铝基复合材料的生产。

本发明的基本思路是：首先以Al-Zn-Mg-Cu系合金为基体合金，通过熔体直接反应合成的方法在基体内原位复合生成增强相颗粒，在合成过程中通过特殊设计的脉冲电场与脉冲磁场的耦合作用控制颗粒相的粒度在亚微米/纳米级别，以制备高力学性能的复合材料。

为了进一步提高复合材料的力学性能，通过引入复合微合金强化元素进一步提高基体合金的性能和或优先选择TiB₂作为颗粒增强相，在此基础上，复合材料熔体通过喷射成形或电磁连铸成形工艺制成铸坯，再通过热处理及热加工工艺，以制备更高力学性能的复合材料。

实现本发明的方案如下：

（一）基体合金的确定

用于制备轻质高强高韧铝基复合材料的合金选定为Al-Zn-Mg-Cu系合金，其成分（质量百分数）为：Zn 7.0-8.0%， Mg 1.2-1.8， Cu 1.3-2.0，这类合金是一种目前用于结构材料的高性能铝合金，在此基础上进一步通过颗粒相强化和微合金强化以及合成过程和成形加工过程控制，获得更高性能的复合材料。

（二）颗粒强化相的确定