铝基复合材料筒体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属筒体件加工技术领域，具体涉及一种铝基复合材料筒体及其制备方法，筒壁包括：内层,所述内层包括壁体和由壁体向筒内突出的环形加强筋；所述内层的材料为碳化硼颗粒和石墨烯(B

【技术实现步骤摘要】
铝基复合材料筒体及其制备方法
本专利技术涉及金属筒体件加工
，具体涉及一种铝基复合材料筒体及其制备方法。
技术介绍
深海预置武器以及大深度兵器等水下航行器的耐压筒体为武器装备提供保护作用，同时满足装备各零部件的安装要求，为关键核心零部件。深海预置武器以及大深度兵器等装备典型的耐压筒体内部有多组周向环筋，属于复杂结构的筒形零件。采用传统的铝合金制造该类筒体时，存在铝合金强度和刚度低(弹性模量约70GPa)的问题，在大深度、高承压下，结构上需要进行加厚设计，导致零件重量增加、浮力储备不足等问题，同时还挤占了筒体内腔用于安装有效载荷的空间。因此，传统的铝合金已无法满足深海武器筒体类零件的研制要求，急需开发新型材料以满足应用需求。颗粒铝基复合材料具有轻质、高强、高模特性，兼顾了结构轻量化和高抗压能力；其高模量能在水下航行器相同潜深下，可降低筒体重量，具有显著的轻量化效果，满足深海预置武器耐压壳体大深度、长时间可靠工作的需求。碳化硅颗粒(SiCp)具有高强度、高模量、高硬度和较低密度等综合性能，被广泛用于各类铝合金基体的增强相，以提高铝基体的强度和模量，其中SiCp增强的AlCuMgZn材料由于具有超高强度(屈服强度达460－550MPa)与高弹性模量(95－105GPa)，被认为是最适合应用于航海深海领域的材料。然而，SiCp/AlCuMgZn材料在获得超高强度和模量的同时，材料的延伸率一般较低(3－6％)，当需要成型复杂形状(如带立筋结构)的零部件时，材料塑性变形困难，材料环轧时开裂风险很大。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本专利技术提出一种铝基复合材料筒体及其制备方法，提供了一种具有超高强度与弹性模量，并可以有效抵抗水压变形的筒体。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种铝基复合材料筒体，筒壁包括：内层,所述内层包括壁体和由壁体向筒内突出的环形加强筋；所述内层的材料为碳化硼颗粒和石墨烯(B4Cp+Gr)混合增强的铝基复合材料；外层，冶金结合在所述内层的外侧，所述外层的材料为碳化硅颗粒(SiCp)增强的铝基复合材料。本专利技术第二方面提供了一种铝基复合材料筒体的制备方法，包括以下步骤：将AlCuMgZn粉末、B4C与Gr粉末按比例配置，进行球磨混粉，冷等静压成型获得环形冷压粉坯；将AlCuMgZn粉末与SiCp粉末按比例配置，进行球磨混粉，获SiCp/AlCuMgZn复合粉体；将所述环形冷压粉坯与所述SiCp/AlCuMgZn复合粉末共同装入热等静压环形铝包套内；将铝包套进行封焊密封、真空除气、热等静压成型获得热等静压环形毛坯；将带铝包套的热等静压环形毛坯进行马架扩孔；将马架扩孔后的环形毛坯外部的铝包套去除，然后进行环轧加工；对环轧加工后的筒体进行固溶时效热处理。另外，根据本专利技术上述铝基复合材料筒体还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，铝基复合材料的基体均为AlCuMgZn铝合金。根据本专利技术的一个实施例，按体积百分比，SiCp含量为10－20％；在AlCuMgZn铝基体中，按重量百分比计，各金属成分的含量为Cu1.0％－3.0％、Mg1.0％－3.0％、Zn5.0－10.0％，余量为Al。根据本专利技术的一个实施例，按体积百分比，B4Cp含量5－10％，Gr含量0.5－2％；在AlCuMgZn铝基体中，按重量百分比计，各金属成分的含量为Cu1.0％－3.0％、Mg1.0％－3.0％、Zn5.0－10.0％，余量为Al。根据本专利技术的一个实施例，所述加强筋与所述内层通过环扎工艺一体成型而成。根据本专利技术的一个实施例，所述AlCuMgZn粉末的平均粒径30－50μm；所述B4C粉末的平均粒径5－20μm，所述Gr纯度≥99.5％；所述AlCuMgZn粉、B4C与Gr球磨混粉的时间为10－40h，球料比1：1－10：1；所述冷等静压成型的压力80－180MPa，保压时间10－30min。值得一提的是，添加B4C的目的在于，B4C弹性模量为450－480GPa，高于SiC的模量(400－420GPa)，更有利于提高筒体内层铝基体的刚度，但强度提高效果低于SiC；B4C添加量5－10％，在不过多牺牲铝基体塑性的情况下，可较大程度提高基体的模量和强度。添加Gr的目的在于，Gr强度高达130GPa，弹性模量1100GPa，断裂强度125GPa，可大幅提高铝基体的强度和模量。由于Gr尺寸细小，片层之间容易吸附在一起，较难分散，理想的添加量为0.5－2.0％，此时在提高铝基体强度与模量的同时，铝基体的延伸率基本不降低。将B4C与Gr进行混合增强铝基体，有望使铝基体同时获得高强度、高模量与高塑性。与SiCp/AlCuMgZn复合材料相比，B4C与Gr混合增强的AlCuMgZn复合材料强度与模量略低，但延伸率更高。根据本专利技术的一个实施例，所述环形冷压粉坯紧贴热等静压铝包套的内侧放置；所述SiCp/AlCuMgZn复合粉末装填在所述环形冷压粉坯与所述铝包套之间的空隙内。根据本专利技术的一个实施例，所述马架扩孔时环形毛坯的加热温度为420－500℃，保温时间为3－10h；所述马架扩孔的单次变形量10－25％，总变形量50－60％。根据本专利技术的一个实施例，所述环轧加工时坯锭加热温度420－500℃，保温时间3－10h，环轧芯辊和主辊预热到200－300℃，环轧速度1－3mm/s，单次轧制变形量15－35％，总变形量50－70％。根据本专利技术的一个实施例，所述环轧芯辊上开设有用于与铝基复合材料筒体内的加强筋形状适配的环状凹槽。根据本专利技术的一个实施例，所述固溶时效热处理的工艺参数包括：环轧筒体固溶温度460－500℃，保温时间2－4h，水冷，水温20－30℃；时效温度110－130℃，保温时间5－20h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、传统单一成分的铝基复合材料筒体无法同时兼顾高强度和高延伸率的综合性能，材料塑性变形困难，特别是当成型复杂加强筋结构时，筒体更容易开裂。本专利技术的双层铝基复合材料筒体与传统单一成分铝基复合材料筒体相比，其外层SiCp/AlCuMgZn具有高强度和高模量以抵抗深水水压变形；内层B4Cp+Gr/AlCuMgZn复合材料具有良好的塑性，有利于成型带加强筋的筒体，并且内层材料不直接与海水接触，仅需要适当强度和刚度以满足使用要求。此外，内层采用低密度的B4C(2.52g/cm3)与Gr(－2g/cm3)作为增强相，可进一步降低筒体的密度，利于水下航行器的轻量化。2、本专利技术铝基复合材料筒体采用热等静压直接成型双层铝基复合材料环坯，后续马架扩孔和环轧成型，不需要对复合材料坯锭进行预冲孔，缩短了研制时间，同时有效避免加工时大量材料被掏空，节约材料。同时，马架扩孔时，坯锭外部的铝包套对复合材料起到保护作用，降低了马架扩孔材料开裂风险，环轧前去除铝包套，可避免铝包套环轧时卷入环坯内部。3、本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基复合材料筒体，其特征在于，筒壁包括：/n内层,所述内层包括壁体和由壁体向筒内突出的环形加强筋；所述内层的材料为碳化硼颗粒和石墨烯(B

【技术特征摘要】
1.一种铝基复合材料筒体，其特征在于，筒壁包括：
内层,所述内层包括壁体和由壁体向筒内突出的环形加强筋；所述内层的材料为碳化硼颗粒和石墨烯(B4Cp+Gr)混合增强的铝基复合材料；
外层，冶金结合在所述内层的外侧，所述外层的材料为碳化硅颗粒(SiCp)增强的铝基复合材料。


2.根据权利要求1所述的铝基复合材料筒体，其特征在于，所述铝基复合材料的基体均为AlCuMgZn铝合金。


3.根据权利要求1或2所述的铝基复合材料筒体，其特征在于，所述加强筋与所述内层通过环扎工艺一体成型而成。


4.一种铝基复合材料筒体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将AlCuMgZn粉末、B4C与Gr粉末按比例配置，进行球磨混粉，冷等静压成型获得环形冷压粉坯；
将AlCuMgZn粉末与SiCp粉末按比例配置，进行球磨混粉，获SiCp/AlCuMgZn复合粉体；
将所述环形冷压粉坯与所述SiCp/AlCuMgZn复合粉末共同装入热等静压环形铝包套内；
将铝包套进行封焊密封、真空除气、热等静压成型获得热等静压环形毛坯；
将带铝包套的热等静压环形毛坯进行马架扩孔；
将马架扩孔后的环形毛坯外部的铝包套去除，然后进行环轧加工，得到环扎加工后的筒体；
对环轧加工后的筒体进行固溶时效热处理。


5.根据权利要求4所述的铝基复合材料筒体的制备方法，其特征在于，
所述AlCuMgZn粉末的平均粒径30－50μm；所述B...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂俊辉，樊建中，王亚宝，万震宇，魏少华，马自力，刘彦强，左涛，赵月红，郝心想，
申请(专利权)人：有研金属复材技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11