【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属基复合材料加工，主要涉及一种耐高温高强度铝基复合材料及制备方法。
技术介绍
1、近年来，铝合金由于具有低密度、高导热系数、高比强度和优良的耐磨性等特点，作为结构材料被广泛应用于航空航天、国防工业和交通运输等领域中。特别是被需求在某些高温环境下(如：飞机发动机活塞、风扇出口导流叶片、航空航天发动机结构件等)保持稳定的力学性能。目前，基于al-zn-mg、al-cu-mg或al-li系列的铝合金尽管在室温下具有较高的强度，但在高温下由于晶粒粗化和合金元素的扩散，通常的析出相如mg2si、cual2、mgzn2等在温度高于200℃时会迅速粗化或溶解并失去强化效果，高温强度明显下降。因此，提高高温下铝合金及其相关材料的力学性能和热稳定性至关重要。
2、为制备高强耐热合金，研究者们通过在铝合金中引入低扩散系数的过渡金属元素(tms)，如cr、fe、ti、zr等，获得大量弥散且热稳定性极好的相，在高温时钉扎位错和晶界。但是，由于形成了硬脆金属间化合物相，降低了合金的塑性、可变形性和强度，过渡金属元素含量受到很大的限制，限制了该方法的广泛应用。与添加tms相比，添加陶瓷颗粒增强相制备铝基复合材料(amcs)具有更高的的热稳定性和更低的热膨胀系数。高温下铝基体发生动态回复再结晶而使强度较弱，添加高温性能较好的增强相，载荷通过界面实现基体到增强相的传递，从而提高复合材料的高温性能。尤其是amc制备工艺简单、成本低等优点，其作为高温应用的候选材料引起了大量关注。
3、早期由于技术以及工艺的限制，大多采用微米
4、因此，改善纳米颗粒增强体的团聚问题和其与基体的界面结合条件，解决长时间球磨中发生结块或过度冷焊现象以及热稳纳米析出强化相体积分数较小、分布不均匀等问题成为耐高温高强度铝基复合材料制备中亟需攻克的关键技术。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种耐高温高强度铝基复合材料及制备方法。在本专利技术中，首先对纳米增强体粉末进行预处理，超声作用下可以将纳米增强体粉末分散均匀，避免出现颗粒团等聚集现象，提高纳米增强体粉末的分散性；采用长时间球磨的方法制备了铝基复合粉体，由于长时间高能球磨作用，纳米颗粒增强体在复合粉体中分布均匀，同时复合粉体颗粒尺寸细小，可为后续烧结过程中形成细小晶粒提供有利条件；在长时间球磨过程中分批添加过程控制剂，能有效防止球磨过程中结块或过度冷焊现象，大大提高了出粉率；在热压烧结过程中采用瞬态液相烧结工艺以及在后续二次加工中进行热挤压致密处理，有助于增加基体和增强体之间的润湿性，保证基体和增强体之间的有效结合，提高复合材料相对密度，避免基体与增强体之间存在薄弱区，使高温情况下界面载荷传递均匀；最后，通过热处理在铝基复合材料中形成纳米析出强化相，可以有效地阻止晶格滑移和位错移动，在高温环境下，纳米析出强化相可以防止晶粒长大和晶粒边界的迁移，从而保持材料的强度和结构稳定性，提高材料的热稳定性和耐高温性能。
2、因此，本专利技术制备得到的铝基复合材料晶粒组织细小、纳米增强体颗粒分布均匀、与基体组织具有良好的结合界面，同时获得了密度较大、均匀分布的纳米级析出强化相，具有良好的硬度、抗拉强度、伸长率等力学性能。制备的铝基复合材料在室温条件下的抗拉强度可达到617mpa，伸长率为7.7％；在高温条件下，200℃、300℃、400℃的抗拉强度分别可达到446mpa、311mpa、201mpa，伸长率分别为9.9％、10.6％、6.1％。相较于传统铝基复合材料其高温力学性能得到了显著提升，能够较好的在200℃-400℃高温区服役。在航空航天、国防工业和交通运输等工业领域有着广阔的应用前景。
3、本专利技术的方案如下。一种耐高温高强度铝基复合材料及制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
4、(1)将纳米增强体粉末进行预处理，在频率为80khz的乙醇中进行超声振荡30分钟后干燥如放入100℃的干燥箱中干燥3h；
5、(2)将步骤(1)制得的纳米增强体粉末与铝合金粉末按比例进行配料，获得混合粉料；
6、(3)将步骤(2)制得的混合粉料进行40-55h长时间高能球磨，获得增强体分散均匀的铝基复合粉末；
7、(4)将步骤(3)制得的铝基复合粉末过筛，然后进行预压处理，利用压机进行预压成型，获得预压生坯料；
8、(5)将步骤(4)得到的预压生坯料进行瞬态液相烧结，获得烧结坯料；
9、(6)将步骤(5)制得的烧结坯料和挤压模具分别加热并保温，然后将烧结坯料置入挤压模具中，挤压制备获得铝基复合材料；
10、(7)将步骤(6)制得的铝基复合材料进行固溶处理，固溶温度为510℃-550℃，固溶时间为30min-90min，然后将复合材料快速淬入50-80℃的淬火油中，保温1-10min。最后进行人工时效处理，人工时效温度为160℃-200℃，人工时效时间为7h-9h，之后随炉冷却至室温，即得耐高温高强度铝基复合材料。
11、进一步地，步骤(1)、(2)中所述纳米增强体粉末为纳米al2o3粉末，粒径范围10-50nm；所述铝合金粉末为6061铝合金粉末，粒径范围20-50μm；
12、进一步地，步骤(2)中纳米al2o3粉末与铝合金粉末体积比为1:9-39；
13、进一步地，步骤(3)中所述长时间球磨过程中，球磨转速200-300r/min，每球磨15min，暂停冷却5min；在长时间球磨过程中，每球磨5h，添加0.2wt％-0.5wt％过程控制剂，过程控制剂总添加量应占混合粉料总质量的2％-5.5％；所述过程控制剂为硬脂酸；
14、进一步地，步骤(3)中所述长时间球磨过程中，球磨介质为不锈钢磨球，混合粉料与磨球质量比为1:5-20，不锈钢磨球直径分为5mm、8mm和10mm，质量比为5:3:2；
15、进一步地，步骤(4)中所述预压成型压力为20mpa，预压时间10min；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)中所述纳米增强体粉末为纳米Al2O3粉末，粒径范围10-50nm；所述铝合金粉末为6061铝合金粉末，粒径范围20-50μm；步骤(2)中纳米Al2O3粉末与铝合金粉末体积比为1:9-39。
3.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)长时间球磨过程中，球磨转速200-300r/min，每球磨15min，暂停冷却5min；长时间球磨过程中，每球磨5h，添加0.2％-0.5％过程控制剂，过程控制剂总添加量应占混合粉料总质量的2％-5.5％；所述过程控制剂为硬脂酸。
4.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述长时间球磨过程中，球磨介质为不锈钢磨球，混合粉料与磨球质量比为1:10-15，不锈钢磨球直径分为5mm、8mm和10mm，质量比为5:3:2。
5.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复
6.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述瞬态液相烧结工艺为：首先升温到380-450℃保温20min，升温速率为10℃/min，同时对样品施加20-50MPa恒压。随后继续以10℃/min的速率升温到680℃，保温3min后，迅速降温到580℃继续保温60-120min，保温时间结束后卸去恒压，随炉冷却降温到室温；烧结过程中炉内真空度≤10Pa。
7.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)、(3)中所述预处理、配料、球磨、过筛均在真空环境或惰性气体环境中进行。
8.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述烧结坯料和挤压模具保温温度为450℃-470℃，保温时间20min；烧结坯料置入挤压模具后进行热挤压，挤压机温度为400℃-450℃，挤压比为12:1，挤压速度为4.6mm/s；步骤(6)中所述挤压模具的入口为棒状、出口为棒状。
9.按照权利要求1-8任一项所述的方法制备得到耐高温高强度铝基复合材料。
10.按照权利要求1-8任一项所述的方法制备得到耐高温高强度铝基复合材料的应用，应用于200℃-400℃高温区；在高温条件下，200℃、300℃、400℃的抗拉强度分别可达到446MPa、311MPa、201MPa，伸长率分别为9.9％、10.6％、6.1％。
...【技术特征摘要】
1.一种耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)中所述纳米增强体粉末为纳米al2o3粉末，粒径范围10-50nm；所述铝合金粉末为6061铝合金粉末，粒径范围20-50μm；步骤(2)中纳米al2o3粉末与铝合金粉末体积比为1:9-39。
3.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)长时间球磨过程中，球磨转速200-300r/min，每球磨15min，暂停冷却5min；长时间球磨过程中，每球磨5h，添加0.2％-0.5％过程控制剂，过程控制剂总添加量应占混合粉料总质量的2％-5.5％；所述过程控制剂为硬脂酸。
4.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述长时间球磨过程中，球磨介质为不锈钢磨球，混合粉料与磨球质量比为1:10-15，不锈钢磨球直径分为5mm、8mm和10mm，质量比为5:3:2。
5.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述预压成型压力为20mpa，预压时间10min。
6.根据权利要求1所述的耐高温高强度铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄晖，荣智峥，魏午，马境蕊，荣莉，文胜平，吴晓蓝，高坤元，聂祚仁，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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