一种轻质高模量铝基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属金属基复合材料领域，涉及一种轻质高模量铝基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.节能减排已成为航空航天、交通运输及国防军工等高端制造领域发展的重要理念，轻量化发展的迅猛势头迫使铝材加快实现升级，这对传统铝合金的耐热性、模量等性能提出了高要求。然而，铝合金弹性模量仅为70gpa左右，作为高模量材料的第三代铝锂合金，其弹性模量也不超过90gpa，且熔炼条件要求苛刻，成本高，加工成型性差。
3.为提高铝合金的模量，颗粒增强铝基复合材料受到越来越多的关注。陶瓷颗粒通常具有高熔点和高弹性模量，相比于合金元素，其对基体的强化作用更显著。当前，常见的颗粒增强铝基复合材料制备方法多为外加法，但存在粒子与基体界面润湿性差的问题。相比于外加法，内生法所制备的铝基复合材料中增强粒子和铝基体界面结合强度高，能更好发挥粒子自身的性能优势。在众多原位内生体系中，alb2、al3bc、aln和al2o3等粒子密度与铝基体相近，且高温稳定性好，是通常采用的颗粒增强相。然而，由于b、c、n和o在铝熔体中的溶解度较低，该类粒子原位合成难度大，且常常难以避免带来其它问题。比如，公开号为cn101948978a的中国专利，提供了一种al2o3纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其采用硼砂和k2zrf6为反应混合盐，利用熔体直接反应法合成，但涉及的化学反应复杂，会生成k2naalf6、zrb2、alf3和zro2残渣，且制备过程中会放出氟化物有害气体，对人体和设备产生损害。
4.此外，关于铝基复合材料微观组织与弹性模量的关系，先后有不同的理论模型被学者提出。据文献(j.summerscales,et al.,composites part b,2019,160:167
–
169)预测，增强相对基体弹性模量的提升遵循“混合定律”(rule
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of
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mixture)，通常意义下，增强相体积份数越高，材料的弹性模量越高。此外，增强相的分布对复合材料的弹性模量也有显著影响，根据h
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s方程(z.hashin,et al.,journal of the mechanics and physics of solids,1963,11:127
–
140)的理论计算，当硬的增强相对软的基体相实现全包围时，复合材料的弹性模量将达到上限。基于以上理论，科研工作者们开发了多种铝基复合材料，但弹性模量的提升幅度有限，均不超过90gpa。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种轻质高模量铝基复合材料及其制备方法。
6.本发明是通过以下方式实现的：
7.一种轻质高模量铝基复合材料，其特征是：铝基体晶粒为亚微米级，尺寸为0.2～1μm；原位生成的alb2颗粒为亚微米级，尺寸为0.2～1μm，质量百分比为1.4～14，弥散分布在基体晶粒间；原位生成的γ
–
al2o3颗粒尺寸为纳米级，尺寸为5～100nm，质量百分比为2.9～
29，沿基体晶粒的晶界分布。
8.上述复合材料的制备方法，其特征是包括如下的步骤：
9.(1)按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉79.5～97.9(尺寸≤50μm)、氧化硼粉2.0～20.0(尺寸≤100μm)、催化剂(氮化镁)0.1～0.5；
10.(2)按比例称取步骤(1)中的工业纯铝粉、氧化硼粉与催化剂，将物料在氩气氛围下高速球磨(球磨机转速≥300r/min)2～12h，球料比设定在4:1～8:1；
11.(3)将步骤(2)球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
12.(4)将预制体放入加热炉中，在550℃～650℃保温1～6h，利用热挤压机挤压，挤压比5:1～20:1，即可获得由γ
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al2o3和alb2颗粒增强的铝基复合材料。
13.与现有技术相比，本发明有以下优点：
14.复合材料中γ
–
al2o3和alb2颗粒原位自生，表面洁净无污染，与基体润湿性好，界面结合强度高。γ
–
al2o3颗粒沿基体晶粒的晶界分布，根据h
–
s方程，其可充分发挥构型强化的作用。alb2颗粒弥散分布在晶粒之间，由于其与基体晶粒尺寸相近，依据“混合定律”可最大限度发挥对基体弹性模量的提升效果。基于此两种强化效果的协同，可使复合材料的弹性模量达到90～120gpa。催化剂既可降低反应温度，又可避免alb2颗粒生长成为针状、棒状等不利形貌，而使其倾向于形成球状。由于γ
–
al2o3和alb2颗粒密度较低，该方法制备的复合材料密度≤2.7g/cm3。此外，该方法工艺简单，原料价格低。通过改变工业纯铝粉、氧化硼粉的配比可调控增强颗粒的质量百分比，改变反应温度和保温时间可控制增强颗粒的尺度，从而根据应用需求定制复合材料的强度和弹性模量。
附图说明
15.图1为本发明复合材料的微观组织示意图；图中1为铝基体晶粒，2为γ
–
al2o3颗粒，3为alb2颗粒。
16.图2为按本发明实施例3制备的al
–
7alb2–
14.5al2o3复合材料的透射电镜照片；图中1为铝基体晶粒，2为γ
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al2o3颗粒，3为alb2颗粒。
具体实施方式
17.下面给出本发明的三个最佳实施例。
18.实施例1
19.(1)按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉97.9(尺寸约50μm)、氧化硼粉2.0(尺寸约100μm)、催化剂(氮化镁)0.1；
20.(2)按比例称取步骤(1)中的工业纯铝粉、氧化硼粉与催化剂，将物料在氩气氛围下高速球磨(球磨机转速400r/min)2h，球料比设定在8:1；
21.(3)将步骤(2)球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
22.(4)将预制体放入加热炉中，在550℃保温6h，利用热挤压机进行挤压，挤压比20:1。
23.按照上述配比和工艺即可得到一种γ
–
al2o3和alb2增强的轻质高模量铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：al
–
1.4alb2–
2.9al2o3。基体晶粒与alb2颗粒尺寸为0.2～0.5μm，al2o3颗粒尺寸为5～30nm。alb2颗粒弥散分布在基体晶粒间，γ
–
al2o3颗粒沿基体晶粒的
晶界分布。测试结果表明：复合材料的弹性模量约为91gpa。
24.实施例2
25.(1)按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉79.5(尺寸约20μm)、氧化硼粉20(尺寸约10μm)、催化剂(氮化镁)0.5；
26.(2)按比例称取步骤(1)中的纯铝粉、氧化硼粉与催化剂，将物料在氩气氛围下高速球磨(球磨机转速360r/min)4h，球料比设定在7:1；
27.(3)将步骤(2)球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
28.(4)将预制体放入加热炉中，在580℃保温4h，利用热挤压机进行挤压，挤压比10:1。
29.按照上述配比和工艺即可得到一种γ
–
al2o3和alb2增强的轻质高模量铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：al
–
14alb2–
29al2o3。基体晶粒与alb2颗粒尺寸为0.4～0.8μm，al2o3颗粒尺寸为10～60nm。alb2颗粒弥散分布在基体晶粒间，γ
–
al2o3颗粒沿基体晶粒的晶界分布。测试结果表明：复合材料的弹性模量约为119gpa。
30.实施例3
31.(1)按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉89.8(尺寸约10μm)、氧化硼粉10(尺寸约30μm)、催化剂(氮化镁)0.2；
32.(2)按比例称取步骤(1)中的纯铝粉、氧化硼粉与催化剂，将物料在氩气氛围下高速球磨(球磨机转速500r/min)12h，球料比设定在4:1；
33.(3)将步骤(2)球磨后的物料除气包套，在冷等静压机中压制成预制体；
34.(4)将预制体放入加热炉中，在650℃保温1h，利用热挤压机进行挤压，挤压比5:1。
35.按照上述配比和工艺即可得到一种γ
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al2o3和alb2增强的轻质高模量铝基复合材料，其成分(质量百分比)为：al
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7alb2–
14.5al2o3。基体晶粒与alb2颗粒尺寸为0.5～1μm，al2o3颗粒尺寸为20～100nm。alb2颗粒弥散分布在基体晶粒间，γ
–
al2o3颗粒沿基体晶粒的晶界分布。测试结果表明：复合材料的弹性模量约为105gpa。
36.从图2中可以看出：al
–
7alb2–
14.5al2o3复合材料的晶粒尺寸为亚微米级，晶粒之间弥散分布着亚微米级的alb2颗粒，晶界处则被纳米级的γ
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al2o3粒子网所覆盖。