[发明专利]各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于颗粒增强铝基复合材料技术领域；特别涉及各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料制备方法。

背景技术

与基体合金相比，颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、热膨胀系数小、导热性能好等优异的综合性能，已经开始并逐步广泛应用于航空航天领域。从上世纪八十年代开始，我国相继投入了大量的人力和物力进行该类复合材料的研究和应用开发，试图在航空航天等重要应用场合，采用轻质的颗粒增强铝基复合材料作为结构材料来代替传统的铝合金和钛合金，以便于实现零部件的轻量化。因此，颗粒增强铝基复合材料必须具备低密度、高模量和良好的韧塑性。

目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有四种：粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法和压力铸造法。其中粉末冶金法最为成熟，不仅能准确调节和控制增强体颗粒的有效含量，而且可以实现材料微观组织可控，获得具有高强高韧且性能稳定的材料。

由于陶瓷增强体的加入，颗粒增强铝基复合材料的塑性较差，必须通过塑性变形使增强体颗粒均匀分布于铝基体中，并改善增强体-基体的界面结合，以大幅度提高材料的塑性，实现高强高韧的目的，达到航天航空结构件的基本应用指标(延伸率>5%)。尽管经传统的塑性变形手段，如挤压、锻造和轧制等，可以显著提高颗粒增强铝基复合材料的强度和塑性，但同时也会加大材料内部的各向异性，比如：沿着挤压方向的力学性能要明显高于垂直于挤压方向的，两个方向的物理性能也会有一定的差异；沿锻造径向或轧制方向的力学性能都比较高，这些差异都与材料在塑性变形过程中的流动有关。在航空航天领域中，对于现实服役状态下受力复杂的结构件而言，这种材料的各向异性会极大缩短其疲劳寿命，严重阻碍了颗粒增强铝基复合材料在该类结构件上的开发和应用。因此，如何获得内部组织和性能各向同性、高强高韧的颗粒增强铝基复合材料显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就在于实现一种各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料。

本发明的另一个目的是实现适合于上述各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料的一种工艺稳定且低成本的制备方法，通过两种不同的塑性变形方式，使增强体颗粒在铝基体中的分布到达空间均匀分布，同时增强体与基体之间形成良好的界面结合，以制备各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料由增强体颗粒和铝合金基体组成。

增强体颗粒在空间上弥散均匀分布于铝合金基体中，并与基体形成高强度的界面结合；

增强体颗粒的粒度范围为1~25μm；

且在复合材料中的体积百分比为5%~30%；

铝合金粉末的粒度范围为5~60μm。

所述的增强体颗粒为具有高硬度、高弹性模量、高强度和低密度等特点的Al₂O₃(氧化铝)、SiC(碳化硅)和AlN(氮化铝)中的任意一种；铝合金基体是硬铝(2×××)中的任意一种合金。

该各向同性且高强高韧颗粒增强铝基复合材料是采用增强体颗粒和铝合金粉末混料、真空热压成形为坯锭、热挤压成棒料和高温锻造或热轧的处理方式制造而成的。

本发明的一种制造颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法包括下述步骤：

(1)按复合材料中增强体颗粒中的体积百分含量为5~30%的增强体颗粒和体积百分含量70~95%的基体合金，计算出二者各自所需重量；

(2)将所需的增强体颗粒、铝合金粉末和钢球加入到普通机械混料机的混料筒内，进行机械混料；

(3)将制得的复合粉末装入45号钢模具中，然后真空热压成形为坯锭，热压温度为600~650℃，真空度为1~8×10^-3Pa，压强为50~100MPa；

(4)将复合材料热压坯锭进行热挤压，挤压温度为400~450℃，挤压比为10~20:1，挤压速度为0.1~5mm/s；

(5)将复合材料挤压棒材分割成长度为500~1200mm的棒料，分割工具可采用电火花线切割、带锯或圆盘锯；

(6)将长度为500~1200mm的复合材料棒料进行高温锻造或热轧，锻造或轧制温度为400~450℃，总变形量>60%，单道次变形量应为<45%，每道次间需进行高温退火处理，退火工艺为：400~450℃保温2~4h。