本发明专利技术具体涉及一种超薄Al2O3/Al/Mg层状密度梯度材料及其制备方法和应用。所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料包括Al2O3层、Al层或铝合金层、Mg层或Mg合金层；所述Al2O3层采用微弧氧化在铝或铝合金表面原位制备而成，所述Al2O3层的厚度为20‑100微米；所述Al2O3层与Al层或铝合金层的厚度比为1‑5：10‑25；所述Al层或铝合金层与Mg层或Mg合金层之间的界面结合强度大于等于25MPa。其制备方法为：通过设计电解液，以微弧氧化技术为基础，在短时间内得到致密层较厚的Al2O3/Al/Mg层状密度梯度材料。本发明专利技术所设计和制备的Al2O3/Al/Mg密度梯度材料，具有高表面硬度，可实现高效吸收与耗散碎片的动能。其特别适用于航空航天领域。
【技术实现步骤摘要】
一种Al2O3/Al/Mg层状密度梯度材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种基于航空航天应用的梯度材料及其制备技术，具体涉及一种超薄Al2O3/Al/Mg层状密度梯度材料及其制备方法和应用。
技术介绍
镁合金和铝合金由于其高弹性模量，低密度和其他优异性能，广泛应用于航空航天、国防军工等领域。Mg/Al轻质梯度材料将镁合金和铝合金的优异性能结合起来，可以极大地满足轻量化和结构件所需性能的要求。特别是在太空的超高速撞击防护领域，Mg/Al轻质梯度材料是一种新型的航天器屏障材料，在受到空间碎片超高速撞击时具有良好的防护性能，这是由于Mg/Al轻质梯度材料的密度、成分组成和性能从一侧到另一侧梯度变化，在超高速撞击过程中能够改变冲击波的传播规律，将更多的空间碎片动能转化为内能，实现对在轨航天器的防护。但单纯的Mg/Al轻质梯度材料其对初入碎片的破碎能力还有待加强。同时，相关模拟实验表明，密度梯度材料表面硬度越高，对初入碎片的破碎能力越强，实现高效吸收与耗散碎片动能，达到减小和分散入射空间碎片动能的目的，可有效实现对航天器的防护。Al2O3属于陶瓷材料，具有金属材料难以比拟的硬度，其致密情况下，密度为3.8g/cm3，比铝合金和镁合金密度大。目前在铝及铝合金表面原位生成氧化铝陶瓷层有微弧氧化表面处理技术；但现有的微弧氧化表面处理技术所得氧化铝层中难免会有疏松层存在。而且疏松层厚度一般为10-20微米甚至更厚；表面疏松层由于结构疏松、致密度差，空隙大等特点，导致其硬度较低，在实用过程中一般需要去除。去除疏松层不仅增加了工艺的复杂性，同时也减小了微弧氧化陶瓷层的整体厚度，破坏致密层的微观结构，阻碍微弧氧化技术在实际工程中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对空间碎片防护领域对新型高表面硬度、轻质密度梯度材料的需求，提供一种基于航空航天应用的高表面硬度Al2O3/Al/Mg层状密度梯度材料及其制备方法。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其包括Al2O3层、Al层或铝合金层、Mg层或Mg合金层；所述Al2O3层采用微弧氧化在铝或铝合金表面原位制备而成，所述Al2O3层的厚度为20-100微米；所述Al2O3层与Al层或铝合金层的厚度比为1-5：10-25；所述Al层或铝合金层与Mg层或Mg合金层之间的界面结合强度大于等于50MPa。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；Al2O3层由致密层和表面疏松层组成；其中表面疏松层的厚度小于5μm。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；铝合金层的材质选自Al-Mg系合金、Al-Mn系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金中的一种。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；镁合金层的材质选自选自Mg-Al-Zn系合金、Mg-Al-Mn系合金、Mg-Al-Si系合金、Mg-Al-Re系合金中的一种。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料，沿梯度材料厚度方向，密度呈层状梯度变化。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料中，密度最大区域的最大密度值为3.8g/cm3。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料中，密度最小区域的最小密度值为1.78g/cm3。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一以纯铝或铝合金板和镁或镁合金合金板为原料，进行打磨至表面光洁度为0.1-3μm，优选为0.1-1μm；得到铝基体和镁基体；步骤二将步骤一所得表面预处理铝基体与镁基体叠层后，装入石墨模具中，采用真空热压炉进行烧结；在真空气氛下，首先采用5-15℃/min优选为5-10℃/min的升温速率升温至280-320℃、优选为290-310℃、进一步优选为300℃保温10-40min优选为30℃，后以5-15℃/min的升温速率升温至460-510℃，保温80-150min，保温过程中加载1-10MPa压力；保温结束后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃，保温0.5h，保温后随炉冷至室温，得到铝/镁层状梯度结构。步骤三将步骤二所得的铝/镁层状材料铝表面进行打磨至表面光洁度为1-10μm，优选为1-5μm。步骤四将铝/镁层状材料装入表面微弧氧化装置，进行单面微弧氧化；所述单面微弧氧化过程为：将安装好试样的装置置于电解槽中，使试样表面完全置于电解液内并与电解液面保持平行，阳极线路连接微弧氧化阳极，接通电源；进行微弧氧化，微弧氧化后清洗干燥得到成品；微弧氧化所用电解液其包括水溶性硅酸盐、水溶性四硼酸盐、稀土氧化物；所述微弧氧化电解液中，氢氧根离子的浓度大于等于0.0125mol/L、优选为0.0125-0.05mol/L、更进一步优选为0.025mol/L。所述微弧氧化电解液中，水溶性硅酸盐的浓度为5-15g/L、优选为8-12g/L、进一步优选为10g/L。所述微弧氧化电解液中，水溶性四硼酸盐的浓度为3-10g/L、优选为4-10g/L、进一步优选为4g/L、6g/L、10g/L。在本专利技术中，当其他组分定量以及浓度确定后，水溶性四硼酸盐的浓度不能太高或太低；太低也导致疏松层的厚度增大；太高也存在同样的问题。同时在研究过程中，还发现当其他组分优化后，水溶性四硼酸盐为四硼酸钠为4g/L时，在15min得到致密氧化层为52微米的产品，且疏松层小于5微米的产品；且所得产品致密氧化层的硬度大于1350HV。致密氧化层与基体的结合强度为56MPa。所述微弧氧化电解液中，稀土氧化物的浓度为0.1-1g/L、优选为0.4-0.6g/L、进一步优选为0.5g/L。所述稀土氧化物优选为氧化钇、氧化铈中的至少一种；进一步优选为氧化钇。所述微弧氧化电解液中水溶性硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾中的至少一种；优选为硅酸钠。所述微弧氧化电解液中水溶性四硼酸盐选自四硼酸钠、四硼酸钾中的至少一种；优选为四硼酸钠。所述微弧氧化电解液加入氢氧化钠和/或氢氧化钾和/或氨水将所述微弧氧化电解液中，氢氧根离子的浓度控制在0.0125-0.05mol/L。所述微弧氧化电解液中稀土氧化物的粒度为20-40nm。上述硅酸钠、四硼酸钠、氢氧化钠均为分析化学纯。氧化钇为20-40nm粉末。其中适量的硅酸钠为主要成膜剂；四硼酸钠作为添加剂，提供氧化陶瓷层的稳定元素，保证氧化陶瓷层的致密度；氢氧化钠作为导电剂，提高电解液的导电率；氧化钇作为弥散颗粒增强相，在成膜过程中进入陶瓷层，改善陶瓷层的结构和性能，所以必须严格控制稀土氧化物的粒度。微弧氧化的工艺参数为：恒电流模式；电流密度10-20A/dm2，频率300-1000Hz，占空比10-30％，时间5-120min，所述清洗为超声清洗，清洗的时间为5-15min。所述干燥的温度为30-60℃。作为微弧氧化的优选工艺，其工艺参数为：恒电流模式；电流密度15-17A/dm2，频率450-550Hz，占空比13-16％，时间5-20min。本专利技术一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料的制备方法，；在5-20min内，得到致本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料包括Al2O3层、Al层或铝合金层、Mg层或Mg合金层；所述Al2O3层采用微弧氧化在铝或铝合金表面原位制备而成，所述Al2O3层的厚度为20‑100微米；所述Al2O3层与Al层或铝合金层的厚度比为1‑5：10‑25；所述Al层或铝合金层与Mg层或Mg合金层之间的界面结合强度大于等于25MPa。
【技术特征摘要】
1.一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料包括Al2O3层、Al层或铝合金层、Mg层或Mg合金层；所述Al2O3层采用微弧氧化在铝或铝合金表面原位制备而成，所述Al2O3层的厚度为20-100微米；所述Al2O3层与Al层或铝合金层的厚度比为1-5：10-25；所述Al层或铝合金层与Mg层或Mg合金层之间的界面结合强度大于等于25MPa。2.根据权利要求1所述的一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：Al2O3层由致密层和表面疏松层组成；其中表面疏松层的厚度小于10μm。3.根据权利要求1所述的一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：铝合金层的材质选自Al-Mg系合金、Al-Mn系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金中的一种；镁合金层的材质选自选自Mg-Al-Zn系合金、Mg-Al-Mn系合金、Mg-Al-Si系合金、Mg-Al-Re系合金中的一种。4.根据权利要求1所述的一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料，沿梯度材料厚度方向，密度呈层状梯度变化。5.根据权利要求1所述的一种Al2O3/Al/Mg密度梯度材料；其特征在于：所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料中，密度最大区域的最大密度值为3.8g/cm3，密度最小区域的最小密度值为1.78g/cm3。6.一种制备如权利要求1-5任意一项所述Al2O3/Al/Mg密度梯度材料的方法，其特征在于；包括以下步骤：步骤一以纯铝或铝合金板和镁或镁合金合金板为原料，进行打磨至表面光洁度为0.1-3μm，优选为0.1-1μm。得到铝基体和镁基体；步骤二将步骤一所得表面预处理铝基体与镁基体叠层后，装入石墨模具中，采用真空热压炉进行烧结。在真空气氛下，首先采用5-15℃/min优选为5-10℃/min的升温速率升温至280-320℃、优选为290-310℃、进一步优选为300℃保温10-40min优选为30℃，后以5-15℃/min的升温速率升温至460-510℃，保温80-150min，保温过程中加载1-10MPa压力；保温结束后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃，保温0.5h，保温后随炉冷至室温，得到铝/镁层状梯度结构；步骤三将步骤二所得的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘文胜，刘阳，马运柱，龙路平，刘超，颜焕元，伍镭，王涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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