[发明专利]一种基于PLC效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种基于PLC效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，属于铝合金铸造技术领域。该方法包括如下步骤：(1)制备一定颗粒含量的(ZrB₂+TiB₂/AlSi9Cu1复合材料；(2)将步骤(1)制备得到的复合材料进行重熔；(3)对不同颗粒含量的复合材料进行拉伸检测，通过分析方法确定颗粒含量和应变速率对复合材料中PLC效应的影响方式；(4)得到复合材料设计的最佳参数。本发明基于PLC效应设计高强韧铝基纳米复合材料，采用重熔法改善了增强颗粒在基体中的分布，且获得了可避免PLC效应的不同组织结构的复合材料，使AlSi9Cu1合金金属材料的综合力学性能得以显著改善。

技术领域

本发明涉及一种基于PLC效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，属于铝合金铸造技术领域，特别指基于PLC效应，采用重熔法制备(ZrB₂+TiB₂)纳米颗粒增强AlSi9Cu1复合材料的方法。

背景技术

近年来，随着能源环境问题的凸显，现代航空航天、轨道交通、节能汽车等高技术领域对材料性能要求越来越高。各个国家对汽车制造企业的要求也越来越高，要求企业降低产品能耗，各汽车公司也都在研究如何提高汽车的使用经济性能，减少燃油消耗。研究表明，世界上40％左右的原油产量用在了车辆的运行消耗，汽车尾气排放的CO₂占矿物燃料燃烧释放的CO₂的15％。而且车辆运行过程中消耗的燃料接近60％用于其自重运行，因此，车辆重量每减轻10％，便可以降低6％～8％的燃料损耗，对节能减排有重要的意义。我国也提出了“发展高性能铝合金和镁合金及其制品成形技术”的要求。目前，世界上许多汽车生产公司不断加大铝合金的使用来取代传统钢铁材料，来实现减重的目的。当前，发达国家在汽车行业的铝合金使用量较高，平均每车为140kg，并且每年以20％～30％的速度增长。同样的，在我国汽车行业中，铝合金也越来越广泛的应用到汽车上，车用铝合金零部件如缸体、缸盖、活塞等也得到了快速发展。在众多轻质材料中，铸造铝合金凭借其密度小(只有是钢的三分之一)、比强度高等优点，成为替代钢的最佳材料，从而被广泛应用于汽车发动机部件中。

然而，汽车工业的迅速发展对材料的强度和耐热耐疲劳能力要求越来越高，传统的铸造铝合金快要达到了极限，不能满足工作需求。发展具有高导热性、良好的尺寸稳定性和优异的高强韧铸造铝合金是目前相关领域的重要的研究课题。

颗粒增强铝基复合材料，凭借其诸多优点，如比强度高、比模量高、耐热性能好等优点，在汽车、航空等领域有着良好的发展前景。原位反应合成的颗粒增强铝基复合材料，增强颗粒是铝熔体中通过化学反应生成的，与铝基体界面结合好、可以生成细小颗粒等优点，避免了外加颗粒制备方式导致的复合材料中颗粒与基体界面结合差、外加颗粒尺寸大等缺点，成为目前材料领域的热点。

但是，在一定条件下，许多铝合金在应力-应变曲线上往往表现出锯齿屈服现象。对材料加工成型后表面质量的控制带来困难。由于Portevin和Le Chatelier F在对Al-Cu合金拉伸力学行为的研究中，首次提出了这种连续锯齿屈服现象的概念，所以该现象也被称为Portevin-Le Chatelier(PLC)效应。通常，PLC效应的出现还会导致合金力学性能的降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PLC效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，采用重熔法改善增强颗粒在基体中的分布，获得可避免PLC效应的不同组织结构的复合材料，使AlSi9Cu1合金金属材料的综合力学性能得以显著改善。

本发明可有效解决发动机缸体、缸盖用AlSi9Cu1合金强度不高和存在塑性失稳的缺点。这两点缺点严重限制了汽车轻量化用铝合金部件代替传统钢材。通过原位反应技术和重熔法，实现增强颗粒的弥散分布。基于PLC效应分析设计制备得到可避免PLC效应的不同组织结构的复合材料。

为达到此目的，本发明采用以下技术步骤实现：