一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，以高纯Al、工业纯Mg、工业纯Zn、Al‑50Cu、Al‑12Zr中间合金、KBF4以及K2TiF6为原料，采用原位熔体自生控制的方法制备了原位TiB2微纳米颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料，每道次挤压变形方向与上一道次挤压方向垂直，在多道次正交叠片挤压模具设备中进行挤压变形，可以对颗粒增强铝基复合材料施加大量累计剪切应变，进而起到机械搅拌的作用，将复合材料内原位自生TiB2颗粒团聚体打散，使微纳米级TiB2颗粒均匀弥散分布于铝基体中，还可以细化复合材料的Al‑Zn‑Mg‑Cu基体晶粒组织，得到均匀细小的等轴晶。本发明专利技术方法制备的铝基复合材料能同时具有高强度和高塑性。

Method for preparing high strength and high plasticity aluminum base composite material

The invention relates to a preparation method of high strength and high plasticity aluminum base composite material, with high pure Al, pure Mg, pure Zn industry, Al 50Cu, Al 12Zr intermediate alloy, KBF4 and K2TiF6 as raw materials, by in situ melt control method for in situ TiB2 in-situ micro nano particles prepared by Al Zn Mg Cu alloy composite material, each time with a direction of extrusion passes in the direction perpendicular to the multipass orthogonal laminated extrusion equipment for extrusion deformation, can be aluminum matrix composites applied large shear strain on the cumulative particle reinforced, which leads to the effect of mechanical agitation, the composite the material in the in situ TiB2 particle aggregates dispersed, the micro nano TiB2 particles were evenly distributed in the aluminum matrix, but also refine the composite material Al Zn Mg Cu matrix grain structure, obtain homogenous fine equiaxed grains . The aluminum matrix composite prepared by the method has high strength and high plasticity at the same time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，尤其是涉及一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法。
技术介绍
随着现代科学技术的发展，实际应用中对材料性能的要求变得更加苛刻。特别是在航空航天、兵器制造等高尖端领域，结构材料在要求具备高强度高塑性的同时，还应该具有高的比刚度和比模量。而传统的金属材料，很难满足如此复杂的性能要求。比如，传统的钢铁材料，虽然其强度和塑性都较好，但是其密度太大，不适合大量应用于航空航天等对构件比强度有较高要求的领域；而钛合金，虽然强度较高，但密度仍然不够轻量化，同时其塑性及加工能力也并不理想；而传统的铝合金，虽然其密度小，塑性及加工性能优，但是其绝对强度又不如钢铁材料和钛合金。因此，为满足一些高尖端领域对结构材料的复杂苛刻要求，金属基复合材料应运而生。在众多金属基复合材料中，颗粒增强铝基复合材料由于其比强度高，比模量大，且可通过改变增强体颗粒的种类、颗粒大小以及体积分数等参数来调整复合材料的性能，以满足不同应用领域的性能要求，受到了广泛的关注与研究。颗粒增强铝基复合材料按照颗粒增强体的引入方法不同，可分为外加颗粒增强和原位颗粒增强。外加颗粒增强铝基复合材料的陶瓷增强相是在复合材料制备过程中，通过陶瓷颗粒与基体粉末的混合烧结(粉末冶金工艺)或者提前制备颗粒增强相预制块(挤压铸造)等方法，将颗粒增强相外加入基体铝合金中。外加颗粒增强铝基复合材料的优点是陶瓷颗粒分布均匀，增强相体积分数可以按需调整，且可以制备高增强相体积分数(大于50％)的复合材料，但外加陶瓷颗粒粒径通常较大(至少为微米级)，且由于增强相体积分数较大，复合材料塑性往往较低，同时机加工性能较差。原位颗粒增强铝基复合材料是通过铝基体中的熔体反应直接生成的陶瓷颗粒，自生陶瓷颗粒尺寸小(微纳米级别)，且原位自生的陶瓷增强相体积分数往往小于10％，使复合材料由于陶瓷增强相的加入提高强度和模量的同时，能有效保持铝合金基体的塑性及机加工能力。因此，原位颗粒增强铝基复合材料在航空航天及兵器制造领域具有广泛的应用前景。但原位颗粒增强铝基复合材料的制备过程是控制熔体自生反应和液相凝固的过程，由于自生反应生成的陶瓷颗粒为微纳米级别(小于500nm)，大量的微纳米颗粒在铝合金熔体中由于界面能的驱动会团聚在一起，并在后续的凝固过程中被固液界面前沿推移，最终在基体凝固组织的晶界处发生大量团聚，而原位自生颗粒团聚体的存在将大大降低铝基复合材料的塑性。同时，由于原位颗粒增强铝基复合材料中颗粒增强体的体积分数往往较低，所以颗粒增强体对基体合金的强化效果有限，导致原位颗粒增强铝基复合材料的强度较低。更主要的是原位颗粒增强铝基复合材料往往属于铸态组织，基体合金的晶粒组织较粗大，也导致复合材料的强度下降。所以，对于原位颗粒增强铝基复合材料，无论从打散颗粒团聚体考虑，还是从细化基体晶粒组织出发，都需要后续的塑性变形加工来改善复合材料的力学性能。目前，传统的塑性加工手段，比如单方向的挤压、轧制和锻造，在此变形过程中，大量原位颗粒团聚体往往也沿着变形方向集体移动，最终仍然聚集在基体铝合金板条状晶粒的晶界处，而且传统变形工艺对铝合金晶粒细化效果不明显。最新发展的大塑性变形手段，如搅拌摩擦加工(固态搅拌)、等通道角挤压或者高压扭转，虽然能在铸态材料中施加大量切应变，使复合材料内的原位颗粒团聚分散和基体晶粒细化，但其设备工艺较复杂，成本高昂，而且变形条件要求苛刻，很难对颗粒增强铝基复合材料进行大塑性变形，即使通过极端条件得以实施，其加工试样尺寸往往较小，很难得到实际的工程应用。因此，急需一种简单易行的方法及设备来制备高强度高塑性的铝基复合材料。
技术实现思路
本专利技术针对上述颗粒增强铝基复合材料强度和塑性不能同时兼得的问题，提出了一种原位生产微纳米颗粒增强铝基复合材料，并结合大塑性变形改性的方法，制备出了能同时具备高强度和高塑性的铝基复合材料，且工艺操作简单易行，低成本高效率，可以生成大尺寸样品。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，通过原位自生熔体控制的方法，制备出铸态的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料，再利用自主设计的正交叠片挤压设备，实现对原位自生TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料的多道次正交叠片挤压大塑性变形，进而得到均匀弥散分布的微纳米TiB2颗粒和细小等轴的基体晶粒组织，再结合Al-Zn-Mg-Cu合金的T6热处理，制备出了同时具有高强高塑性的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料，具体采用以下步骤：(1)将工业纯铝加热，用高温覆盖剂覆盖后升温；(2)将KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入步骤(1)得到的熔体中，机械搅拌；(3)反应结束后，取出反应副产物，依次加入Al-50Cu、Al-12Zr中间合金以及工业纯Mg和工业纯Zn，在熔体中加入无害铝合金精炼剂进行除气精炼，控制温度为650～800℃静置10～20min，然后在650～800℃浇入铸模形成铸坯；(4)将铸造得到的原位自生TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料进行合金元素的均匀化热处理；(5)将均匀化后的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料运用正交叠片挤压设备进行一道次挤压；(6)将一道次挤压后的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化；(7)将一道次挤压后抛光粗化的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料两片为一层，垂直正交叠层后运用正交叠片挤压设备进行第二道次挤压；(8)重复步骤(6)、(7)进行多道次正交挤压完成后得到的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料，最后进行T6热处理即可。步骤(1)中采用的覆盖剂是JZF-03型高温覆盖剂，升温至650～950℃。步骤(2)中KBF4、K2TiF6的质量比为1：0.5～1∶2。步骤(3)中加入的Al-50Cu、Al-12Zr中间合金以及工业纯Mg和工业纯Zn的质量比应保证配制合金成分质量分数在Al-Zn(4％～10％)-Mg(1％～4％)-Cu(0.1％～3％)-Zr(0.05％～0.35％)区间内，加入的精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂。步骤(4)中均匀化热处理的温度为460～475℃，热处理时间为18～30h。所述的正交叠片挤压设备包括上压头，模具筒和模具头，所述的模具筒的中部设有正方形结构的贯通孔，所述的上压头及模具头与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头及模具头分别置于复合材料的上下表面并压紧，模具头的挤出试样尺寸宽度为贯通孔边长的一半，厚度小于等于贯通孔边长的一半。所述的挤压的温度控制在300～480℃，挤压试样与正交叠片挤压设备表面之间用石墨润滑。步骤(6)取样时采用电火花切割，取出试样尺寸宽度为贯通孔边长的1/2，长度与为贯通孔边长相同，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行；采用机械抛光对试样的六个表面进行抛光，然后用80#砂纸研磨粗化。步骤(7)的垂直正交叠层的每一层由两片抛光粗化后的挤压态原位颗粒增强铝基复合材料组成的正方形平面，每层内两片挤压态原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互平行，每相邻两层之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将工业纯铝加热，用高温覆盖剂覆盖后升温；(2)将KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入步骤(1)得到的熔体中，机械搅拌；(3)反应结束后，取出反应副产物，依次加入Al‑50Cu、Al‑12Zr中间合金以及工业纯Mg和工业纯Zn，在熔体中加入无害铝合金精炼剂进行除气精炼，控制温度为650～800℃静置10～20min，然后在650～800℃浇入铸模形成铸坯；(4)将铸造得到的原位自生TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料进行合金元素的均匀化热处理；(5)将均匀化后的TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料运用正交叠片挤压设备进行一道次挤压；(6)将一道次挤压后的TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化；(7)将一道次挤压后抛光粗化的TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料两片为一层，垂直正交叠层后运用正交叠片挤压设备进行第二道次挤压；(8)重复步骤(6)、(7)进行多道次正交挤压完成后得到的TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金复合材料，最后进行T6热处理即可。...

【技术特征摘要】
1.一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将工业纯铝加热，用高温覆盖剂覆盖后升温；(2)将KBF4、K2TiF6均匀混合，烘干后加入步骤(1)得到的熔体中，机械搅拌；(3)反应结束后，取出反应副产物，依次加入Al-50Cu、Al-12Zr中间合金以及工业纯Mg和工业纯Zn，在熔体中加入无害铝合金精炼剂进行除气精炼，控制温度为650～800℃静置10～20min，然后在650～800℃浇入铸模形成铸坯；(4)将铸造得到的原位自生TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料进行合金元素的均匀化热处理；(5)将均匀化后的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料运用正交叠片挤压设备进行一道次挤压；(6)将一道次挤压后的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化；(7)将一道次挤压后抛光粗化的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料两片为一层，垂直正交叠层后运用正交叠片挤压设备进行第二道次挤压；(8)重复步骤(6)、(7)进行多道次正交挤压完成后得到的TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料，最后进行T6热处理即可。2.根据权利要求1所述的一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中采用的覆盖剂是JZF-03型高温覆盖剂，升温至650～950℃。3.根据权利要求1所述的一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中KBF4、K2TiF6的质量比为1：0.5～1∶2。4.根据权利要求1所述的一种制备高强高塑性铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(3)中加入的Al-50Cu、Al-12Zr中间合金以及工业纯Mg和工业纯Zn的质量比应保证配制合金成分质量分数在Al-Zn(4％～10％)-Mg(1％～4％)-Cu(0.1％～3％)-Zr(0.05％～0.35％)区间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钧，陈哲，汪明亮，吴一，陈东，钟圣怡，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31