【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了一种轻质高强高韧高模量的铝基复合材料及制备方法和应用，具体涉及了一种多组元第二相粒子的强化型al-mg-yb-zr-tib2复合材料，属于增材制造新材料。
技术介绍
1、铝基复合材料比强度高、疲劳性能优异且具有极高弹性模量，常被用于工业机器、交通运输和电子封装等领域，是一种极其重要的工程应用材料。近年来增材制造技术迅猛发展，其工艺特点主要表现为快速冷却，有利于获得细小的晶粒，从而提高合金的性能，采用增材制造的方法能够制备出性能优异且结构复杂的铝基复合材料。
2、铝基复合材料中的非金属增强相主要有zro2、aln、tic和tib2等，其中在铝基体中添加tib2颗粒的强化效果最为显著，采用氟盐(k2tif6和kbf4)反应的方法能够在铝基体中形成大量纳米级tib2颗粒，但会存在颗粒团聚的现象，尤其是在添加了高体积分数的tib2颗粒后，极大恶化了材料性能。通过混合盐反应法制备的5tib2/al-4.5cu(质量分数)复合材料的屈服强度和极限抗拉强度分别为219mpa和354mpa。目前有研究表明采用电磁搅拌的方法能够起到改善tib2颗粒分散的作用，但会恶化tib2颗粒与铝基体之间的界面结合。
3、al-5ti-b合金是目前工业中应用最为广泛的细化剂，该中间合金中的大量tib2颗粒在熔炼过程中会存在活度梯度，tib2颗粒与铝熔体之间的界面会吸附多余的ti原子，从而形成al3ti外壳层，而al3ti与tib2颗粒晶格匹配性好，同时al3ti与铝基体晶格匹配性也好，这表明al3ti外壳层的存在改善了t
4、由于tib2陶瓷增强相熔点较高，传统加工成形方法(挤压铸造法、搅拌铸造法和熔体浸渗法等)无法提供足够的温度条件，造成陶瓷颗粒无法充分熔化，使得tib2增强相与基体之间润湿性较差、界面结合不良，不便于制备复杂形状制件。选区激光熔化成形技术由激光作为光源输入能量，通过调控激光功率可以使得成形温度高达2000～3000k，从而更加有利于基体与tib2颗粒间的界面结合。结合增材制造的优势，通过成分优化第二相粒子，改善tib2颗粒分布，有望制备出性能更为优异的铝基复合材料，开发出这一方法是非常必要的。
技术实现思路
1、本专利技术在专利2023109078320的基础上，以如何均匀引入适量tib2颗粒并同时具备轻质高强高韧且高模量特性为目标展开了研究；进而形成了本专利技术。
2、本专利技术的目的是解决铝基复合材料中tib2颗粒易于团聚且与铝基体结合较差的问题，提供一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料及其制备方法，以满足工业机器、交通运输和电子封装等关键领域对高性能材料的需求。
3、本专利技术一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，该材料按质量百分比计包括以下组分：
4、mg：3.0～10.0％、优选为3.5～8.0％、进一步优选为4.0～6.0％；
5、yb：0.2～3.0％、优选为0.2～1.0％、进一步优选为0.3～0.5％；
6、zr：0.2～1.5％、优选为0.3～1.0％、进一步优选为0.3～0.6％；
7、tib2：2.0～15.0％、优选为3.0～10.0％、进一步优选为3.0～6.0％、更进一步优选为4.0～5.0％；
8、余量为al和不可避免的杂质。
9、作为优选，所述al-mg-yb-zr-tib2复合材料的显微组织主要由α-al基体，弥散分布的球状al3(yb,zr)及六棱柱状多成分第二相颗粒构成，其中多成分第二相颗粒内壳层为纳米级tib2颗粒，外壳层为al3(yb,zr,ti)相。
10、作为进一步的优选，所述多成分六棱柱状第二相颗粒的尺寸为10～30nm，所述球状al3(yb,zr)颗粒的尺寸为20～200nm，所述基体晶粒尺寸为2～6μm的等轴晶。
11、所述al-mg-yb-zr-tib2复合材料的密度为2.6～2.76g·cm-3。
12、本专利技术一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料的制备方法，包括以下步骤：按设计组分配取原料，采用超声铸造的方法制备得到铸锭；将铸锭气雾化制粉后得到al-mg-yb-zr-tib2复合材料粉末；将al-mg-yb-zr-tib2复合材料粉末进行增材制造，即得，超声铸造时，控制超声功率大于等于600w。
13、在本专利技术中，硼化钛由k2tif6、kbf4在铝熔体中反应制得。
14、作为优选，所述超声铸造的具体过程为：将al锭在820～830℃加热至熔化状态，然后用钟罩将干燥后的氟盐混合粉末加入铝熔体中，待反应完全，用扒渣勺捞出表层副产物及浮渣，降温至750～760℃后，依次加入称量好的al-4yb和al-10zr合金块，搅拌至全部熔化，将钛合金超声探头插入熔体，功率大于等于600w、优选为600～900w，超声时间为5～10min，取出超声探头后静置2～3min，再将铝箔包着的mg锭用钟罩压进铝熔体保持2～3min，搅拌均匀后升温至730～750℃，用钟罩将精炼剂压入铝熔体，上下震动2～3min，插入除气枪，通入高纯氩气，持续20～30min，取出除气枪，升温至730～750℃保温20～30min，再降温至700～710℃，扒渣后进行浇注。
15、作为进一步优选，所述的氟盐混合粉末为k2tif6、kbf4和na3alf6，ti和b的质量分数控制在(2.15～2.25)：1，na3alf6的加入量为k2tif6和kbf4两种氟盐粉末总质量的5～8％，将配好的粉末用铝箔分开包着。
16、作为更进一步的优选，本专利技术一种兼具轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料的制备方法包括：准备工作、超声铸造、雾化制粉和增材制造，具体包括：
17、a、准备工作：
18、1)按质量百分比计包括以下组分：mg：3.0～10.0％；yb：0.2～3.0％；zr：0.2～1.5％；tib2：2.0～15.0％；余量为al和不可避免的杂质；
19、2)称量配备氟盐混合粉末，包括k2tif6、kbf4和na3alf6这3种粉末，ti和b的质量分数控制在(2.15～2.25)：1，na3alf6的加入量为k2tif6和kbf4两种氟盐粉末总质量的5～8％，将配好的粉末用铝箔分开包着；
20、3)将扒渣勺、石墨除气枪和坩埚在700～720℃预热3～4h；
21、4)称量好al块(纯度为99.995％)、mg块(纯度为99.95％)、al-4yb合金块(纯度为99.9％)和al-10zr合金块(纯度为99.9％)，将精炼剂用铝箔包裹(加入量为熔体质量的0.4～0.8％)，将以上所述一起置于200～2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种轻质高强高韧高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料，其特征在于：所述轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料按质量百分比计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料，其特征在于：所述Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的显微组织主要由α-Al基体、弥散分布的球状Al3(Yb,Zr)及六棱柱状多成分第二相颗粒构成，其中多成分第二相颗粒内壳层为纳米级TiB2颗粒，外壳层为Al3(Yb,Zr,Ti)相。
3.根据权利要求2所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料，其特征在于：所述多成分六棱柱状第二相颗粒的尺寸为10～30nm，所述球状Al3(Yb,Zr)颗粒的尺寸为20～200nm，所述基体晶粒尺寸为2～6μm的等轴晶。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料，其特征在于：所述轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料按质量百分比计包括以下组
5.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料，其特征在于：所述Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的密度为2.6～2.76g·cm-3。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：按设计组分配取原料，采用超声铸造的方法制备得到铸锭；将铸锭气雾化制粉后得到Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料粉末；将Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料粉末进行增材制造，即得，超声铸造时，控制超声功率大于等于600W。
7.根据权利要求6所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的制备方法，其特征在于：所述超声铸造的过程为：将Al锭在820～830℃加热至熔化状态，然后用钟罩将干燥后的氟盐混合粉末加入铝熔体中，待反应完全，用扒渣勺捞出表层副产物及浮渣，降温至750～760℃后，依次加入称量好的Al-4Yb和Al-10Zr合金块，搅拌至全部熔化，将钛合金超声探头插入熔体，功率大于等于600W，超声时间5～10min，取出超声探头后静置2～3min，再将铝箔包着的Mg锭用钟罩压进铝熔体保持2～3min，搅拌均匀后升温至730～750℃，用钟罩将精炼剂压入铝熔体，上下震动2～3min，插入除气枪，通入高纯氩气，持续20～30min，取出除气枪，升温至730～750℃保温20～30min，再降温至700～710℃，扒渣后进行浇注。
8.根据权利要求7所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的制备方法，其特征在于：所述的氟盐混合粉末为K2TiF6、KBF4和Na3AlF6，Ti和B的质量分数控制在(2.15～2.25)：1，Na3AlF6的加入量为K2TiF6和KBF4两种氟盐粉末总质量的5～8％，将配好的粉末用铝箔分开包着。
9.根据权利要求8所述的一种轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：准备工作、超声铸造、雾化制粉和增材制造，具体包括：
10.一种如权利要求1-5任意一项所述轻质高强高韧且高模量的Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料的应用，其特征在于：所得Al-Mg-Yb-Zr-TiB2复合材料用于工业机器、交通运输和电子封装等领域。
...【技术特征摘要】
1.一种轻质高强高韧高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，其特征在于：所述轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料按质量百分比计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，其特征在于：所述al-mg-yb-zr-tib2复合材料的显微组织主要由α-al基体、弥散分布的球状al3(yb,zr)及六棱柱状多成分第二相颗粒构成，其中多成分第二相颗粒内壳层为纳米级tib2颗粒，外壳层为al3(yb,zr,ti)相。
3.根据权利要求2所述的一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，其特征在于：所述多成分六棱柱状第二相颗粒的尺寸为10～30nm，所述球状al3(yb,zr)颗粒的尺寸为20～200nm，所述基体晶粒尺寸为2～6μm的等轴晶。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，其特征在于：所述轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料按质量百分比计包括以下组分：
5.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料，其特征在于：所述al-mg-yb-zr-tib2复合材料的密度为2.6～2.76g·cm-3。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述轻质高强高韧且高模量的al-mg-yb-zr-tib2复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：按设计组分配取原料，采用超声铸造的方法制备得到铸锭；将铸锭气雾化制粉后得到al-mg-yb-zr-tib2复合材料粉末；将al-mg-yb-zr-tib2复合材料粉末进行增材制造，即得，超声铸造时，控...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨海林，朱梦真，何中雪，杨飞鹏，文涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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