[发明专利]一种纳米多相增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米多相增强铝基复合材料及其制备方法，包括铝合金基体以及分散在铝合金基体内的Al₃Sc纳米增强相、Al₃Zr纳米增强相和Al₄C₃纳米增强相；所述铝合金基体为铝‑硅‑钪‑锆‑锰合金，其中，硅含量为0.5～2.0wt.％，钪含量0.5～1.5wt.％，锆含量0.2～1.0wt.％，锰含量为0.4～1.0wt.％，余量为铝。将铝合金基体粉末、多壁碳纳米管混合后，采用选区激光熔化成形设备对复合粉体逐层熔化并凝固，最后过热处理设备在特定温度、时间下时效处理，即得。本发明中多壁碳纳米管/铝‑硅‑钪‑锆‑锰合金材料受到激光辐照发生熔化形成熔池时，较大的多壁碳纳米管部分与铝基体发生原位反应生成Al₄C₃增强相，而较小的陶瓷相完全反应。

技术领域

本发明属于纳米多相增强铝基复合材料领域，具体是一种高强度高承载纳米多相增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好及导电导热性优异等特点，在航空航天、汽车、电力电子等领域中应用广泛。但铝合金有限的力学性能(极限拉伸强度＜400MPa，延伸率＜6％)难以满足迅速发展起来的航空航天、电子封装及汽车制造等高新技术领域的需求。为克服上述缺点，通过在铝合金基体中复合低密度、高强度、高模量的多相陶瓷增强体，有望协同提升基体的强度和模量。在众多陶瓷增强体中，碳纳米管(CNTs)因具有极大长径比(～1000)、低密度(1.7g/cm³)、高拉伸强度(～110GPa)、高弹性模量(～1TPa)、高热导率(～3000W m^-1K^-1)、良好导电性(～2×10⁷S m^-1)等特性，成为制备铝基复合材料较为理想的增强相。但目前采用单相陶瓷增强铝基复合材料，当增强相含量较多时，成形过程中液相粘度增加，流动性变差，增强相不能均匀分布，且会产生界面结合差、开裂等问题，导致零件成形质量较差。

从加工工艺角度来看，目前制备单相陶瓷增强铝基复合材料的方法有很多，如熔铸法、粉末冶金、机械合金化法等，但陶瓷相与金属基体之间由于成分、晶体结构及物理化学性质的差异，而容易出现陶瓷增强体分布不均匀，尺寸和形状不易控制，陶瓷增强体与基体界面结合差等缺陷，致使复合材料的综合性能较差。选区激光熔化技术作为一种新型的激光增材制造技术，基于分层制造、累积叠加的局部成形原理，根据计算机辅助设计的三维零件模型，利用高能激光热源对金属粉末层以逐道逐层方式进行选择性快速熔化/凝固堆积成形，从而实现复杂结构金属构件的直接快速成形。选区激光熔化成形过程中，激光热源与预铺设的粉末层作用时间极短，因此熔融粉末具有相当高的冷却速度，这为纳米多相增强铝基复合材料晶粒细化提供了有利条件，并且粉末颗粒在高能激光束作用下完全熔化，使相邻扫描轨迹或层间冶金结合良好，改善纳米多相增强铝基复合材料零件的成形质量，从而提高材料的力学性能。选区激光熔化技术突破了传统制造工艺束缚，符合“近净成形”设计理念，有效地缩短了新产品的研发和制造周期，提高了生产效率，并且能够成形具有复杂几何形状的零件，因此采用选区激光熔化技术制备纳米多相增强铝基复合材料具有很大的发展潜力。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高强度高承载纳米多相增强铝基复合材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种高强度高承载纳米多相增强铝基复合材料，包括铝合金基体以及分散在铝合金基体内的Al₃Sc纳米增强相、Al₃Zr纳米增强相和Al₄C₃纳米增强相；

所述铝合金基体为铝-硅-钪-锆-锰合金，其中，硅含量为0.5～2.0wt.％，钪含量0.5～1.5wt.％，锆含量0.2～1.0wt.％，锰含量为0.4～1.0wt.％，余量为铝。