[发明专利]高温下机械性能提高的复合材料

说明书

本公开涉及在高温下具有改善的强度的复合材料。所述复合材料包含铝合金基质(按重量百分比计，包含Si 0.05‑0.30、Fe 0.04‑0.6、Mn 0.80‑1.50、Mg 0.80‑1.50且余量为铝和不可避免的杂质)以及分散在所述基质中的填充材料颗粒。所述基质可任选地包含Cu和/或Mo。在一些实施方案中，所述复合材料包含作为填充材料的B₄C以及选自由以下组成的组的添加剂：Ti、Cr、V、Nb、Zr、Sr、Sc及其任何组合。本公开还提供了用于制备此类复合材料的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年5月1日提交的美国临时申请62/155,556的优先权，其内容整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及在高温下机械性能提高的铝合金，以及包含作为基质和/或反应产物的所述铝合金的元素的复合材料。

背景技术

经碳化硼(B₄C)微粒增强的铝基质复合材料广泛用于废核燃料储存期间的中子吸收。挤压型材用于当前的干燥储存系统中并且已经发现6XXX系列类型的合金是合适的基质材料，其连同挤压工艺一起为复合材料提供了与液体金属生产途径的相容性。另外，6XXX合金族的冶金学允许在挤压期间进行溶液热处理步骤，从而允许去除工序。进一步地，在室温下，6XXX合金系列可提供高达～300MPa YS和350MPa UTS的有用拉伸性能，这是由于在热处理期间产生了纳米级的β”Mg-Si沉淀物结构。

然而，废核燃料干燥储存中的工作温度可达到250℃并且预计工作时间可为40年或更长。与大多数金属材料一样，由于位错迁移率增加，铝在高温下可软化。然而，对于Al-Mg-Si沉淀硬化系统而言，在～150℃以上由于时效硬化微结构的沉淀的粗化和溶解，可发生机械性能进一步且更显著的损失。此类机械性能的损失可引起使用此类合金制造的容器，在高温下长期使用时稳定性和/或完整性的破坏。

如WO2014/201565中所指示，含B₄C的复合材料可作为直接激冷(DC)铸件并挤压产品提供，其含有多达20％(w/w)B₄C，在高温下表现出增加的强度。在此类含B₄C的复合材料中，Al-Mg-Si-Mn-Fe-Cu6XXX型铝合金用作基质材料。复合材料的最终性能依赖于挤压步骤和后续快淬期间可用溶质元素的固溶化以将那些元素保留在固溶体中。这种需求限制了挤压操作窗口和生产率并且快淬需求可诱导型材变形，这使得难以满足要求的产品尺寸公差。

一种替代性复合材料在铝基中包括纳米级氧化物颗粒以在高温下提供有效的分散体加强，例如以2013/0209307公开的美国专利申请所述。然而，这种材料依赖于粉末冶金途径，其由于粉末生产、预制件固结和挤压的多个加工步骤而很昂贵。粉末颗粒周围的氧化物层在挤压固结期间被破坏以产生纳米级分布。

另一种替代方案教导铸造复合材料，其通过搅拌B₄C颗粒并通过添加0.5-5％Ti(w/w)和限制Mg0.2％(w/w)来保持流动性直至B₄C颗粒混入(WO/2004/038050)。

将非常期望提供在长期暴露期间在高温下强度增加的复合材料。还将期望提供不需要按压固溶化以免最终产品变形的铝合金。还将期望，所述基质适于传统的散装液体冶金，优选DC铸造和挤压。

发明内容

本公开提供了在高温下(例如在等于或高于250℃的温度下)机械性能增强(例如产率和/或抗拉强度增强)的复合材料。所述复合材料包含铝合金基质(包含Mn和Mg)以及分散的填充颗粒(例如B₄C颗粒)。复合材料还可包含至少部分涂布分散的填充颗粒的表面的反应产物。