一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金和铝基复合材料制造技术

本发明专利技术公开了一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金和铝基复合材料，属于金属基复合材料和铝合金领域。该铝合金化学成分为(wt.％)：Si：0.3～0.7％；Mg：0.7～1.4％；Cu：0.6～1.2％；Al为余量。向铝合金中添加SiC、Al

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金和铝基复合材料
本专利技术涉及金属基复合材料与铝合金
，具体涉及一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金和铝基复合材料。
技术介绍
2000系列高强铝合金(Al-Cu-Mg)基复合材料具有高强、高模、轻质的特性，在航空航天、兵器、船舶以及交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而其延伸率偏低，典型的Al-Cu-Mg基复合材料室温下延伸率仅为3～6％(D.B.Miracle，Aeronauticalapplicationsofmetalmatrixcomposites,S.L.Donaldson(Eds.),ASMhandbook,Composites，2001年，21卷，1043-1049页以及D.J.Lloyd，Compositesengineeringhandbook,P.K.Mallick(Ed.),MarcelDekkerInc.，NewYork，1997年，560-600页)，不仅服役安全系数低，而且冷变形加工困难，成为推广应用的主要障碍。尽管淬火后固溶态具有较高延伸率，但2000系列铝合金具有极强的自然时效倾向，室温短期放置即导致延伸率快速下降，因而在淬火软状态进行冷变形加工的可能性受到极大限制。Al-Mg-Si合金(6000系列铝合金)塑性较好，而且自然时效硬化慢，有利于提高复合材料服役可靠性与变形加工工艺性。根据GB/T3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》，选取不同种类6000系列合金作为基体，均可制备具有上述特点的复合材料。但商品化的6061Al、6063Al等合金强度偏低，所制备的复合材料强度较低，难以满足工程应用需求。而采用高Mg、Si含量的商用6000系铝合金为基体，如6082、6111等合金，虽然能提高复合材料强度，但提高程度有限，而且塑性不佳。需要指出，商用铝合金并不是为铝基复合材料而设计。首先，商用合金的Mg、Si含量按照Mg/Si＝1.73的方案设计，以避免出现剩余的Mg或Si而降低Mg2Si数量、削弱强化作用。复合材料中添加增强相会由于原材料杂质以及界面反应形成过剩的Si，而且界面反应会导致Mg元素消耗，这些因素导致复合材料强度和塑性难以控制。其次，商用合金中通常含有Mn、Fe、Ti、Zn、Zr等元素，以阻碍晶粒在热处理过程中粗化，并提高合金抗腐蚀性等。对铝基复合材料，外加增强相对晶粒在高温下的粗化具有抑制作用，而且复合材料耐蚀性主要受界面与增强相和基体的电极电位决定，无需增加这些额外的微合金化元素，而且纯化的基体能使复合材料的塑性进一步改善。采用商用高Mg、Si含量的6000系列铝合金为基体，还存在自然时效“负效应”(停放效应)的问题，即Al-Mg-Si系合金淬火后自然放置数十分钟至数百小时后人工时效硬化作用减弱的现象。研究表明，Mg、Si之和大于1wt.％的Al-Mg-Si系合金，存在自然时效的负效应(C.D.Marioara等，TheinfluenceoftemperatureandstoragetimeatRTonnucleationoftheβ″phaseina6082Al-Mg-Sialloy，ActaMaterialia，2003年，51卷，789-796页)，使合金元素难以发挥应有的强化作用。通常经过长期自然时效(数千小时)，自然时效负效应会减弱，但仍然显著低于淬火后立即人工时效的水平，而且长时间存放会增加生产管理难度。实际工况下，淬火后的零件一般不会即时进行人工时效，而需要进行淬火变形校直、冷弯、冷轧以及钣金等变形加工。这意味着以6000系列铝合金为基体的复合材料必须面临自然时效负效应的问题。现有的6000系列铝合金研究表明，添加Cu能促进β″相析出并使其细化(T.Saito等，TheeffectsoflowCuadditionsandpredeformationontheprecipitationina6060Al-Mg-Sialloy,MetallurgicalandMaterialsTransactionsA，2013年，44卷，4124-4135页；M.Murayama等，TheeffectofCuadditionsontheprecipitationkineticsinanAl-Mg-SialloywithexcessSi,MetallurgicalandMaterialsTransactionsA，2001年，32卷，239-246页)，此外Cu还会形成Q′相、L相，具有硬化作用(S.Esmaeili等，Ontheprecipitation-hardeningbehavioroftheAl-Mg-Si-Cu，MetallurgicalandMaterialsTransactionsA，2003年，34卷，751-763页)，因此Cu能补偿因自然时效负效应产生的硬度降低。另外，Cu原子在铝基体中可动性较低，而且与空位结合能较高，自然时效初期硬化较慢，有利于冷变形加工。但复合材料中因增强相与基体存在热错配和弹性错配，导致几何必需位错生成，因此人工时效时Mg、Si元素扩散加快，时效析出加速，形成密度低而尺寸大的β″相。另外，位错对空位的湮灭作用，降低了Mg、Si原子团簇尺寸，使人工时效时β″相形核率降低，加剧其粗化。因此，作为复合材料基体，Cu含量必须优化。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术在传统6000系列铝合金上进行改进和优化，提供一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金和铝基复合材料，限定了基体合金成分并规定了增强相种类和含量，以提高铝基复合材料的冷变形加工工艺性，并抑制高Mg、Si含量6000系列铝合金中常见的自然时效负效应。所制备的复合材料具有高强度、高塑性，改善高强度铝基复合材料的塑性加工性，特别是冷变形加工能力，并且避免6000系列铝合金常见的自然时效负效应(停放效应)。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金，按重量百分含量计，该铝合金化学成分为：Si：0.3～0.7％；Mg：0.7～1.4％；Cu：0.6～1.2％；Al为余量。该铝合金中不添加Fe、Mn、Zn、Ti、Cr等常见的微合金化元素，因降低生产工艺和原材料成本而不能避免时，上述元素作为杂质，按重量百分含量计，单个元素的含量应小于等于0.05％，总和应小于0.2％。以上述铝合金作为基体，在铝合金基体中添加增强相获得铝基复合材料，所述增强相为陶瓷相或纳米碳材料；当增强相为陶瓷增强相时，陶瓷增强相的体积含量为10～40％，优选15-30％；当增加相为纳米碳材料时，纳米碳材料的体积含量为0.5～10％，优选为1～5％。所述陶瓷增强相为SiC、Al2O3、B4C、TiC或TiB2等陶瓷颗粒，所述纳米碳材料为碳纳米管或石墨烯。在铝合金基体中添加上述含量及种类的增强相后，所制备的铝基复合材料挤压材、轧制材、锻造以及其它变形加工材，淬火后一年时间内延伸率可保持较高水平，经任意自然时效时间，人工时效后屈服强度可达淬火后直接人工时效的90％以上。当复合材料中所添加的增强相中含有Si和/或SiO2杂质时，复合材料中铝合金基体中Si元素含量取偏下限范围(含量为0.3～0.6wt.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金，其特征在于：按重量百分含量计，该铝合金化学成分为：Si：0.3～0.7％；Mg：0.7～1.4％；Cu：0.6～1.2％；Al为余量。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金，其特征在于：按重量百分含量计，该铝合金化学成分为：Si：0.3～0.7％；Mg：0.7～1.4％；Cu：0.6～1.2％；Al为余量。2.根据权利要求1所述的用于制备高强高塑铝基复合材料的铝合金，其特征在于：该铝合金中的杂质元素包括Fe、Mn、Zn、Ti和Cr，单个杂质元素的含量≤0.05wt.％，杂质元素的总含量小于0.2wt.％。3.采用权利要求1或2所述铝合金为基体的铝基复合材料，其特征在于：该铝基复合材料是在铝合金基体中添加增强相形成，所述增强相为陶瓷相或纳米碳材料；当增强相为陶瓷增强相时，陶瓷增强相的体积含量为10～40％，优选15-30％；当增加相为纳米碳材料时，纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖伯律，王东，王全兆，马宗义，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21