一种异质异构铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种异质异构铝基复合材料及其制备方法。所述异质异构铝基复合材料是由铝合金点阵结构与纳米铝合金组成。本发明专利技术所述方法为：通过三维建模与选区激光熔化制备Al

【技术实现步骤摘要】
一种异质异构铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于铝基复合材料领域，特别涉及一种异质异构铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]铝合金由于密度较低、耐腐蚀性优良和比强度较高等优点，被广泛应用到工业领域当中，被认为是轻量化结构材料的代表，但传统方法如铸造、锻造、轧制等工艺制备的商用铝合金强度仍然偏低，随着航空航天、交通运输和国防建设等领域的快速发展，急需发展新型铝基高性能轻量化结构材料[参考文献：Lu K.The future of metals[J].Science.2010,328(5976):319
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320.]。为了提高铝合金的综合力学性能，研究人员以铝合金为基体合金开发了多种铝基复合材料，由于铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量和高耐磨性等优良特点，因此在航空航天、军事工业和国计民生中具有广泛的应用前景和重要的产业地位。
[0003]金属间化合物是铝合金中重要的第二相，具有与金属基体结合较好，湿润性好，具有高弹性模量和高强度等特点，通过非晶晶化形成的纳米铝合金含有高体积分数金属间化合物和纳米晶铝，强度达到1GPa以上，杨氏模量达到120GPa以上[参考文献：Wang Z,Qu R T,Scudino S,et al.Hybrid nanostructured aluminum alloy with super
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high strength[J].NPG Asia Materials.2015,7(12):229.]。金属间化合物是铝合金中最重要的强化相，对铝合金的强度和塑性具有关键性影响，由于金属间化合物属于脆性相，常以不规则的外形存在于铝合金之中，在试样加载过程中，容易在较低应力下萌生裂纹和断裂，导致在达到其本征强度之前就发生过早的脆性断裂导致材料失效，因此抑制金属间化合物过早发生脆性断裂对提升铝合金塑性具有关键性作用。近期，研究人员发现了异质异构可以综合多种材料的优点，从而获得综合力学性能优异的复合材料，包括兼具良好的塑性和较高的强度[参考文献：Shao C,Zhao S,Wang X,et al.Architecture of high
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strength aluminum
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matrix composites processed by a novel microcasting technique[J].NPG Asia Materials.2019,11(1):69.]。
[0004]随着材料制备技术的进步，增材制造技术(又称为3D打印)作为一种具有极高设计自由度和近净成形能力的新型材料制备技术登上了历史舞台，选区激光熔化技术作为增材制造金属材料的代表性技术之一被广泛用于快速制造具有复杂结构的金属材料产品，由于选区激光熔化技术在加工金属材料过程中较高的冷却速度能够细化金属材料的微观组织，使得成形的金属材料具有优异的力学性能，特别地，5XXX系Al
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Mg合金作为选区激光熔化成形高性能铝合金的代表，相较于铸造态Al
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Mg合金具有更高的强度和更为优异的塑性[参考文献：Wang Z,Lin X,Kang N,et al.Strength
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ductility synergy of selective laser melted Al
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Mg
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Sc
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Zr alloy with aheterogeneous grain structure[J].Additive Manufacturing.2020,34:101260.]；此外，由于增材制造技术具有调控材料性能和结构功能的潜力，能够实现材料的微结构与宏观拓扑结构的并行化制备，因此基于增材制造工艺
约束的材料拓扑优化结构得到了快速发展，这为设计异质异构复合材料提供了新方法[廉艳平，王潘丁，高杰，等.金属增材制造若干关键力学问题研究进展[J].力学进展.2021,51(03):648
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701.]。然而，目前基于增材制造工艺约束的拓扑优化结构，获得异质异构的一体化材料的材料设计、制备成形工艺和技术方面的研究暂未有报道，因此基于增材制造工艺制备出具有较优综合力学性能的异质异构铝合金具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种具有高强度和良好塑性的异质异构铝基复合材料及其制备方法，利用高强韧的铝合金点阵结构限制纳米铝合金发生脆性断裂进而阻止材料发生过早失效，采用增材制造技术成形高强韧的铝合金点阵结构，将Al
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Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末通过机械振动和冷压工艺填充至铝合金点阵结构中制备成生坯，对生坯和挤压模具进行充分预热后在一定温度下挤压成形得到具有较优综合力学性能的异质异构铝基复合材料。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种异质异构铝基复合材料，所述复合材料是由铝合金点阵结构和纳米铝合金组成。
[0008]进一步地，所述的铝基复合材料中铝合金点阵结构的体积分数为40～60％，所述纳米铝合金区域的体积分数为40～60％。
[0009]进一步地，所述铝合金点阵结构的合金成分体系优选Al
‑
Mg系合金，其具体成分为Al
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5.6Mg
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0.5Mn
‑
0.4Sc
‑
0.4Zr
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0.6Si(wt.％)，其三维结构为正六边形蜂窝结构，其边长为1～2mm，壁厚为0.5～1mm。
[0010]进一步地，所述纳米铝合金区域优选Al
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Ni7Gd6Co3合金。
[0011]上述异质异构铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)利用三维设计软件Solidworks设计铝合金点阵结构的三维模型，将模型导入到金属3D打印机中，通过3D打印将Al
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Mg系合金粉末制备成具有设计结构的铝合金点阵结构；
[0013](2)包套制坯：选用激光选区熔化制备的铝合金点阵结构和气雾化Al
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Ni7Gd6Co3非晶合金粉末放入圆柱形铝制包套中，密封包套，通过机械振动使包套中填充的合金粉末紧实，采用冷压机对紧实后的包套在室温下进行冷压，施加压力为200～300MPa，保压时间为10～15s，制备出用于热挤压的生坯；
[0014](3)热挤压成形：将生坯放置于热挤压模具中，预热生坯至300～500℃，预热模具至300～500℃，生坯保温预热15min，模具保温预热2～4h，然后在挤压压力为500～600MPa，挤压比为8～14的条件下热挤压成形，得到异质异构铝基复合材料。
[0015]本专利技术的原理是：本专利技术选用Al
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Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末，该合金成分属于铝基非晶合金材料体系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述复合材料由铝合金点阵结构与纳米铝合金组成。2.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：铝基复合材料中铝合金点阵结构的体积分数为40％～60％，纳米铝合金的体积分数为40％～60％。3.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述的铝合金点阵结构为Al
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Mg
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Mn
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Sc
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Zr合金，其三维结构为正六边形蜂窝结构，其边长为1～2mm，壁厚为0.5～1mm。4.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述的纳米铝合金为Al
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Ni7Gd6Co3纳米铝合金。5.权利要求1～4任一项所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选区激光熔化成形铝合金点阵：通过对铝合金点阵进行三维建模，采用选区激光熔化成形铝合金点阵；(2)包套制坯：将铝合金点阵放置于铝制包套中，将气雾化Al
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Ni7Gd6Co3合金粉末填充至铝制包套的铝合金点阵结构中，在室温下施加压力，把包套内的混合物压制成生坯；(3)热挤压成形：将生坯置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智，林育林，张卫文，杨超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：