一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法技术

本发明专利技术公开了一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，属于铝基复合材料技术领域。具体方法为：(1)利用超细铝粉表面自然氧化引入非晶氧化铝；(2)通过控制热压工艺保持其非晶态；(3)利用其在快速低温挤压过程中的晶粒细化作用得到超细晶晶粒组织；(4)高温退火使非晶氧化铝转变为稳定晶态氧化铝；(5)塑性变形消除烧结与挤压过程中遗留和晶化过程中形成的孔洞并得到最终所需板材。此方案可同时利用非晶氧化铝的晶粒细化作用和晶态氧化铝的高热稳定性，所得材料依靠纳米颗粒与晶界的协同强化作用获得良好高温性能，并具有优异的热稳定性和焊接性。异的热稳定性和焊接性。异的热稳定性和焊接性。

【技术实现步骤摘要】
一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法


[0001]本专利技术涉及铝基复合材料
，具体涉及一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法。

技术介绍

[0002]铝基材料是重要的轻量化材料，在国防军工、航空航天和轨道交通等领域有着不可提到的作用。随着工业水平的迅速发展，尤其是某些尖端装备的更新换代给相关材料提出了更高要求，其中，材料的耐高温能力尤为重要。然而，现有的铝合金其高温性能无法满足相应要求，严重制约了先进装备实现轻量化。
[0003]铝基复合材料是以纯铝为基体，通过增强相的添加以实现力学性能的增强。其中，氧化铝与铝基体的相容性良好，无界面反应，在基体中具有十分优异的高温热稳定性，被视为理想的高温强化相。增强相的加入虽能提高材料强度，但也会使材料的塑性降低。如文献“Effect of nano
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size Al2O
3 reinforcement on the mechanical behavior of synthesis 7075aluminum alloy composites by mechanical alloying”(Materials Chemistry and Physics 138(2013)535
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541)中，加入5％的氧化铝后，材料的延伸率已不足5％。因此，提升增强相的增强效率以减少其加入量是使材料具有优异强塑性匹配的关键。相比于常规方法引入的外加氧化铝，通过原位方式引入的氧化铝可具有更加优异的增强效率。文献“Forged HITEMAL:Al
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based MMCs strengthened with nanometric thick Al2O
3 skeleton”(Materials Science&Engineering A 613(2014)82
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90)中报道，铝粉表面原位形成的氧化铝可具有极高的增强效率，少量加入可使材料的性能得到显著提升，从而使材料获得优异的强塑性匹配。
[0004]然而，上述材料中，氧化铝为非晶态，并非高温稳定相，其在高温作用下经历一定时间，或在搅拌摩擦焊接过程中的剧烈机械变形作用下，会转变为晶态氧化铝(文献“Microstructure and mechanical property evolution of friction stir welded(B4C+Al2O3)/Al composites designed for neutron absorbing materials”(Science China
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Technological Sciences，2020；63:1256)。氧化铝晶化后强化效率降低且因密度变高而产生孔洞，导致受热部分发生局部强度降低或焊接接头区强度低(焊接强度系数70％左右)，受力时变形局域化，出现严重风险。如在热压时非晶氧化铝晶化得到晶态氧化铝，虽然所得材料性能稳定，但颗粒状的晶态氧化铝晶粒细化能力弱，因此变形后的组织并非细晶组织(如图1)，且晶态氧化铝自身增强效率低，因此氧化铝与晶界难以有效协同强化，材料强度低。申请号为201811453938.3的专利“一种耐高温AlN和Al2O3共增强的铝基复合材料及其制备方法”中，可通过对超细铝粉进行表面预氧化来引入大量稳定的晶态氧化铝，但需要严格控制氧化工艺，工艺灵活性差。
[0005]实际上，在超细晶结构中引入纳米颗粒，颗粒和晶界的协同强化作用是提高高温强度的有力手段。因此，形成超细晶结构是得到高强度的有效手段，而利用非晶氧化铝的晶粒细化作用并采用特定范围内的工艺参数可获得超细晶组织。但目前上述方案都无法同时
利用非晶氧化铝的晶粒细化作用和晶态氧化铝的热稳定性，获得兼具力学性能、热稳定性、焊接性并兼顾工艺性和制备成本的耐高温铝基材料。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，充分利用非晶氧化铝的晶粒细化作用和晶态氧化铝的优异热稳定性，所制备的材料具有良好的高温力学性能、热稳定性和焊接性，解决了现有Al2O3/Al材料强塑性匹配差或高温稳定性差、难焊接的问题，能够进行大规模工业化生产。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其制备方法包括如下步骤：
[0009](1)对超细铝粉进行氧化处理，在其表面形成氧化铝膜；
[0010](2)将压制成型后所得压坯进行粉末冶金烧结，获得Al2O3/Al坯锭；
[0011](3)对步骤(2)所得坯锭进行挤压；
[0012](4)对步骤(3)中挤压所得材料进行高温退火处理；
[0013](5)对步骤(4)中所得材料进行轧制或者二次挤压，获得所述耐高温铝基复合材料。
[0014]步骤(1)中，所述超细铝粉的平均粒径为0.1
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2μm，确保可以引入足够的氧化铝，所述氧化铝膜厚度在3～12nm。
[0015]步骤(2)中，所述粉末冶金烧结采用气氛或真空条件下的真空热压烧结、热等静压或放电离子束烧结工艺，优选真空热压烧结和热等静压，所述粉末冶金烧结中的烧结温度为300
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540℃，时间为0.5
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6小时。
[0016]步骤(3)中，挤压比为4：1
‑
9：1，温度为180
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480℃，速度为50
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800mm/s，挤压至带板或圆棒状。
[0017]步骤(4)中，高温退火温度为580
‑
630℃，时间为2
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12小时。
[0018]步骤(5)中，挤压或轧制温度为350
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500℃，变形比为2：1
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12：1，最终变形至所需形状。
[0019]本专利技术的优点和有益效果如下：
[0020]本专利技术的Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法：利用超细铝粉表面的原位氧化引入非晶氧化铝，控制热压工艺保证其非晶态；通过快速、低温挤压并借助非晶氧化铝在挤压过程中的晶粒细化作用得到超细晶晶粒组织；通过高温退火使非晶氧化铝转变为高稳定性的晶态氧化铝，再利用塑性变形消除烧结与挤压过程中遗留和晶化过程中形成的孔洞，并得到所需板状材料。在退火和塑性变形的过程中，晶态氧化铝可钉扎晶界阻止晶粒发生粗化，利用颗粒和晶界的协同强化作用，最终获得高强度的细晶组织材料。
[0021]所制备的材料在高温下具有优异的力学性能，如在350℃下强度可达80MPa以上，比铝合金强度高50MPa以上，同时兼具有优异塑性，延伸率在10％以上。与非晶氧化铝作为最终强化相的复合材料相比，具有优异的热稳定性并能通过搅拌摩擦焊接实现等强焊接，制备得到的板材经600℃退火10h未发生强度降低。制备工艺简单，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其特征在于：其制备方法包括如下步骤：(1)对超细铝粉进行氧化处理，在其表面形成氧化铝膜；(2)将压制成型后所得压坯进行粉末冶金烧结，获得Al2O3/Al坯锭；(3)对步骤(2)所得坯锭进行挤压；(4)对步骤(3)中挤压所得材料进行高温退火处理；(5)对步骤(4)中所得材料进行轧制或者二次挤压，获得所述耐高温铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其特征在于：步骤(1)中，所述超细铝粉的平均粒径为0.1
‑
2μm。3.根据权利要求1所述的Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其特征在于：步骤(1)中，所述氧化铝膜厚度在3～12nm。4.根据权利要求1所述的Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粉末冶金烧结采用气氛或真空条件下的真空热压烧结、热等静压或放电离子束烧结工艺。5.根据权利要求1或4所述的Al2O3/Al耐高温铝基复合材料的制备和变形方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粉末冶金烧结中的烧结温度为300

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