航空发动机叶片用铝基复合材料制造技术

本发明专利技术涉及航空发动机叶片用铝基复合材料。具体而言，本发明专利技术提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～7.0％，Mg：0.8～2.5％，Cu：1.2～2.6％，Zr：0.05～0.50％，Sc：0.10～0.40％，TiB2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，余量为Al。本发明专利技术的铝基复合材料基体和陶瓷颗粒的界面干净，结合良好，陶瓷颗粒分布均匀，具有优异的力学性能，尤其是塑性延伸率和弹性模量相对现有的原位自生铝基复合材料有很大提高。

Aluminum matrix composites for aero engine blades

The present invention relates to aluminum matrix composites for aero engine blades. Specifically, the invention provides a ceramic particle reinforced aluminum matrix composites, the ceramic particle reinforced aluminum matrix composite components and mass percentage points for the group: Zn:4.0 ~ 7%, Mg:0.8 ~ 2.5%, Cu:1.2 ~ 2.6%, Zr:0.05 ~ 0.50%, Sc:0.10 ~ 0.40%, TiB2 ceramic particles: 0.1 ~ 50%. The rest is Al. The invention of the aluminum matrix composites and ceramic particles and the interface is clean, with good ceramic particles distributed uniformly, with excellent mechanical properties, especially plastic elongation and elastic modulus relative to the existing in-situ aluminum matrix composites have greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
航空发动机叶片用铝基复合材料
本专利技术属于航空发动机叶片领域，具体涉及航空发动机叶片用铝基复合材料。
技术介绍
航空发动机，尤其是大涵道比商用航空发动机，除了高性能、高可靠性和长寿命的要求，对低排放、低噪音和低成本的要求越来越高，而降低排放和成本以及减少噪音的一个重要途径就是减轻发动机的重量。发动机中风扇叶片的工作温度为环境温度，目前主要采用钛合金的空心设计或是树脂基复合材料制备。但是无论是空心钛合金风扇叶片还是树脂基复合材料的风扇叶片都存在制备难度大、周期长和成本高的问题。发动机中增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片的工作温度都在150℃以下，目前主要是采用不锈钢和钛合金制造。对于以上三种发动机叶片，如果采用铝基复合材料制备，要么可以降低制备周期和成本(比如风扇叶片)，要么可以降低零部件的重量(比如增压级第一级静子叶片和转子叶片)。但是要实现铝基复合材料代替发动机中风扇叶片、增压级第一级静子叶片和转子叶片目前在用的材料，必须首先满足使用的性能要求。传统的陶瓷颗粒增强铝基复合材料普遍采用在铝基体中外加陶瓷颗粒制备而成，这种铝基复合材料存在着陶瓷颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，陶瓷颗粒分布不均匀等缺陷，严重弱化了陶瓷颗粒的强化效果，影响了铝基复合材料的性能。同时采用外加陶瓷颗粒制备铝基复合材料存在着工艺过程复杂，成本较高等问题，不利于推广应用。另外，现有的原位自生的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的综合力学性能还不能完全满足发动机相关叶片的使用要求。例如，CN103725911A涉及一种氧化铝颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该复合材料是采用外加氧化铝陶瓷颗粒到铝粉末中混合均匀，然后进行热压和热加工制备而成。该方法制备的复合材料中存在着陶瓷颗粒与基体界面结合差、力学性能不突出等问题，同时制备工艺步骤较多，不利于推广应用。本领域仍然需要满足所需性能要求的铝基复合材料，以能用于制备航空发动机叶片。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种添加稀有元素Sc的原位自生陶瓷颗粒增强铝基复合材料，使其基体和陶瓷颗粒的界面干净，结合良好，陶瓷颗粒分布均匀，复合材料具有高强度和高刚度,能够应用到航空发动机的叶片，例如增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片，以及风扇叶片等。具体而言，本专利技术第一方面提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～7.0％，Mg：0.8～2.5％，Cu：1.2～2.6％，Zr：0.05～0.50％，Sc：0.10～0.40％，TiB2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，Zn的质量百分比为4.0～6.0％、4.5～6.0％、5.0～7.0％或5.0～6.5％。在一个或多个实施方案中，Mg的质量百分比为0.8～2.0％、1.0～2.0％、1.3～1.8％、1.5～2.5％或1.3～2.0％。在一个或多个实施方案中，Cu的质量百分比为1.2～2.0％、1.5～2.3％、1.5～2.0％、1.7～2.6％或1.7～2.2％。在一个或多个实施方案中，Zr的质量百分比为0.05～0.40％、0.10～0.40％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.50％、0.25～0.50％、0.30～0.50％、0.35～0.50％、0.30～0.40％、0.20～0.30％、或0.25～0.35％等。在一个或多个实施方案中，Sc的质量百分比为0.10～0.35％、0.15～0.35％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.35％、0.25～0.40％、0.30～0.40％、0.15～0.30％、0.15～0.25％、0.10～0.30％、0.10～0.25％、或0.20～0.30％等。在一个或多个实施方案中，TiB2陶瓷颗粒的质量百分比为0.1～45.0％、0.1～40.0％、0.1～35.0％、0.1～30.0％、0.1～25.0％、0.1～20.0％、0.1～15.0％、0.1～10.0％、0.1～5.0％、0.5～5.0％、0.5～10.0％、0.5～20.0％、0.5～30.0％、0.5～40.0％、1.0～40.0％、1.0～30.0％、5.0～40.0％、5.0～30.0％、10.0～40.0％、10.0～30.0％、15.0～40.0％、15.0～35.0％、15.0～30.0％、20.0～50.0％、20.0～40.0％、25.0～50.0％、25.0～40.0％、或30.0～50.0％等。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～6.0％，Mg：0.8～2.0％，Cu：1.2～2.0％，Zr：0.1～0.40％，Sc：0.10～0.30％，TiB2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.5～6.0％，Mg：1.0～2.0％，Cu：1.5～2.3％，Zr：0.2～0.40％，Sc：0.10～0.30％，TiB2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：5.0～6.0％，Mg：1.0～2.0％，Cu：1.5～2.3％，Zr：0.20～0.35％，Sc：0.15～0.30％，TiB2陶瓷颗粒：10.0～30.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：5.5～6.5％，Mg：1.5～2.5％，Cu：1.9～2.3％，Zr：0.25～0.35％，Sc：0.25～0.35％，TiB2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～5.5％，Mg：0.8～1.5％，Cu：1.2～2.0％，Zr：0.10～0.30％，Sc：0.10～0.25％，TiB2陶瓷颗粒：1.0～25.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：5.5～6.5％，Mg：1.5～2.5％，Cu：1.9～2.3％，Zr：0.25～0.35％，Sc：0.25～0.35％，TiB2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，余量为Al。在一个或多个实施方案中，所述TiB2陶瓷颗粒的尺寸在300nm～1000nm，颗粒形状为近球型。在一个或多个实施方案中，所述铝基复合材料为铸件形式。本专利技术第二方面提供一种制备本文所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法，所述方法包括：(1)使KBF4和K2TiF6的混合物与Mg和Al的混合熔体发生如下化学反应：3K2TiF6+6KBF4+10Al→3TiB2+K3AlF6+9KAlF4；(2)反应结束后，除去漂浮在熔体表面的反应副产物K3AlF6和KAlF4，获得反应产物；和(3)将Zn、Al-Cu合金、Al-Zr合金、Al-Sc合金加到步骤(2)获得的反应产物中，充分熔炼之后，通高纯氩气和六氯乙烷粉末进行除气精炼，并浇注成铸坯，再进行固溶和时效热处理，从而获得所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～7.0％，Mg：0.8～2.5％，Cu：1.2～2.6％，Zr：0.05～0.50％，Sc：0.10～0.40％，TiB2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～7.0％，Mg：0.8～2.5％，Cu：1.2～2.6％，Zr：0.05～0.50％，Sc：0.10～0.40％，TiB2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，余量为Al。2.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，Zn的质量百分比为4.0～6.0％、4.5～6.0％、5.0～7.0％或5.0～6.5％；Mg的质量百分比为0.8～2.0％、1.0～2.0％、1.3～1.8％、1.5～2.5％或1.3～2.0％；Cu的质量百分比为1.2～2.0％、1.5～2.3％、1.5～2.0％、1.7～2.6％或1.7～2.2％；Zr的质量百分比为0.05～0.40％、0.10～0.40％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.50％、0.25～0.50％、0.30～0.50％、0.35～0.50％、0.30～0.40％、0.20～0.30％、或0.25～0.35％；Sc的质量百分比为0.10～0.35％、0.15～0.35％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.35％、0.25～0.40％、0.30～0.40％、0.15～0.30％、0.15～0.25％、0.10～0.30％、0.10～0.25％、或0.20～0.30％；和TiB2陶瓷颗粒的质量百分比为0.1～45.0％、0.1～40.0％、0.1～35.0％、0.1～30.0％、0.1～25.0％、0.1～20.0％、0.1～15.0％、0.1～10.0％、0.1～5.0％、0.5～5.0％、0.5～10.0％、0.5～20.0％、0.5～30.0％、0.5～40.0％、1.0～40.0％、1.0～30.0％、5.0～40.0％、5.0～30.0％、10.0～40.0％、10.0～30.0％、15.0～40.0％、15.0～35.0％、15.0～30.0％、20.0～50.0％、20.0～40.0％、25.0～50.0％、25.0～40.0％、或30.0～50.0％。3.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.0～6.0％，Mg：0.8～2.0％，Cu：1.2～2.0％，Zr：0.1～0.40％，Sc：0.10～0.30％，TiB2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，余量为Al。4.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：4.5～6.0％，Mg：1.0～2.0％，Cu：1.5～2.3％，Zr：0.2～0.40％，Sc：0.10～0.30％，TiB2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，余量为Al。5.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：Zn：5.0～6.0％，Mg：1.0～2....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，王浩伟，陈东，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31