CN101148721B - 一种铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铝基复合材料，该材料含有铝、镁、铜合金和硼化钛增强相，其中，该复合材料还含有钛化三铝增强相。本发明提供的铝基复合材料中的硼化钛和钛化三铝为铝基复合材料中的增强相，所述铝基复合材料中含有的增强相能够与铝基材料良好的结合，尤其是其中的钛化三铝，能够均匀的分布在铝基材料中并与铝基材料结合，因此，使采用该铝基复合材料压铸成型得到的制品的抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率以及弹性模量等参数均较高，制品的力学性能良好。

Description

一种铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明是关于一种复合材料及其制备方法，更具体地说，是关于一种铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料具有比强度、比模量高，耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定等优异的物理性能和力学性能，在航空航天、军事国防领域以及汽车、电子仪表等行业中有着广泛的应用。根据参与合成增强相的两反应组分存在的状态不同，所述铝基复合材料的制备方法主要包括气-液、固-液、固-固三种反应模式。

气-液反应法，也称VIS法。该工艺原理是将惰性气体作为载体，将含有C或N的气体通入高温合金液中，使气体分解中的C或N与合金液反应，在合金基体中形成细小的、弥散的、稳定的、高硬度、高弹性模量的碳化物或氮化物，冷却凝固后生成热力学稳定的含有陶瓷颗粒增强相的金属基复合材料。

固-液反应法，该方法是由金属直接氧化法(DIMOXTM)和金属无压浸渗法(PRIMEXTM)两者组成。DIMOXTM法为将金属及其合金在熔融条件下氧化来制备含有陶瓷颗粒增强相的金属基复合材料。

PRIMEXTM法使用的是非氧化性气体，在此工艺中，同时发生两个过程：一是液态金属在环境气氛的作用下向陶瓷预制件中的渗透；二是液态金属与周围气体的反应而生产新的增强粒子。研究发现，原位形成的AlN的数量和大小主要取决于Al液的浸透速度，而Al液的浸透速度又与环境气氛中N₂分压、熔体的温度和成分有关，因此，复合材料的组织和性能容易通过调整熔体的成分、N₂的分压和处理温度而得到有效的控制。

XDTM法，该方法是由美国Martin Marietta实验室发明。它是将两个固态的反应元素粉末和金属基体粉末混合均匀并压实除气后，将压坯快速加热到金属基体熔点以上的温度，反应剂元素在熔体中发生放热化学反应，生成增强相陶瓷粒子。用此工艺技术制备复合材料，增强相被液态金属润湿，界面结合牢固，正成为当前复合材料研究的一个热点。但过于细小的颗粒会大大增加熔体的粘度，因此，难以将该材料进一步铸造成型。

固-固反应法，也称机械合金化法(Mechanical Alloying)，该方法是将不同的粉末在高能球磨机中球磨，粉末经挤压发生变形，原子间扩散或进行固态反应而形成合金。

CN1740354A公开了一种原位颗粒增强耐高温铝基复合材料的制备方法，采用该方法得到的原位颗粒增强耐高温铝基复合材料的组分及重量百分比为：11-13％Si，0.5-1.5％Mg，0.8-1.3％Cu，0.8-1.5％Ni，1-20％TiB₂，余量为Al；该制备方法包括将ZL102合金、Al-Si中间合金和工业纯铝熔化升温，加入KBF₄和KTiF₆，搅拌反应，取出副产物后加入工业纯Mg、Al-Ni和Al-Cu中间合金，扒去浮渣，抽真空静置，低压成型。采用该方法得到的铝基复合材料在低压成型后制品的力学性能不理想，在将该材料通过高压压铸成型后，制品的抗拉强度和弹性模量的改善不明显。

发明内容

本发明的目的是克服将由现有制备方法得到的铝基复合材料压铸成型后得到制品的力学性能不理想的缺陷而提供一种使压铸成型得到的制品具有良好力学性能的铝基复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种铝基复合材料，该材料含有铝、镁、铜合金和硼化钛增强相，其中，该复合材料还含有钛化三铝增强相。

本发明还提供了该铝基复合材料的制备方法，其中，该方法包括在熔融状态下，将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合。

本发明提供的铝基复合材料中的硼化钛和钛化三铝为铝基复合材料中的增强相，所述铝基复合材料中含有的增强相能够与铝基材料良好的结合，尤其是其中的钛化三铝，能够均匀的分布在铝基材料中并与铝基材料结合，因此，使该铝基复合材料压铸成型得到的制品具有较高的抗拉强度和弹性模量，制品的力学性能良好，尤其在采用高压压铸成型后得到的制品的力学性能的改善更加明显。

具体实施方式

按照本发明提供的铝基复合材料，优选情况下，以该复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为35-90重量％，镁的含量为1-5重量％，铜的含量为1-5重量％，硼化钛的含量为1-20重量％，钛化三铝的含量为5-35重量％。更优选情况下，以该复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为45-70重量％，镁的含量为1-3重量％，铜的含量为2-4重量％，硼化钛的含量为5-20重量％，钛化三铝的含量为10-30重量％。

为了进一步提高复合材料的性能，所述铝、镁、铜合金中还优选含有，以该复合材料的总量为基准，含量为0-15重量％，优选为5-10重量％的锌和/或含量为0-5重量％，优选为0.1-2重量％的铬。

所述硼化钛和钛化三铝为增强相，所述硼化钛和钛化三铝增强相具有良好的高温性能，在熔融状态下与铝混合后形成稳定相，并与铝基材料良好的结合，尤其是钛化三铝的存在，能够很好的与铝基材料中的金属结合，与硼化钛共同存在于复合材料中，从而使该铝基复合材料在高压压铸成型后得到制品具有良好的力学性能。以铝基复合材料的总重量为基准，所述钛化三铝的含量优选为10-30重量％，所述硼化钛的含量优选为5-20重量％。

按照本发明，所述铝基复合材料的制备方法包括，在熔融状态下，将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合，所述熔融状态的温度为1200-1900℃，优选为1300-1700℃。

优选情况下，所述铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜的用量使得到的铝基复合材料中铝的含量为35-90重量％，更优选为45-70重量％，镁的含量为1-5重量％，更优选为1-3重量％，铜的含量为1-5重量％，更优选为2-4重量％，硼化钛的含量为1-20重量％，更优选为5-20重量％，钛化三铝的含量为5-35重量％，更优选为10-30重量％。

为了进一步提高铝基复合材料的力学性能，按照本发明的方法，优选情况下，在将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合时，还与锌和/或铬混合，所述锌和/或铬的用量使得到的铝基复合材料中锌的含量优选为5-10重量％和/或铬的含量优选为0.1-2重量％。

按照本发明的方法，为了防止在熔融状态下，铝被氧化，优选情况下，所述混合在惰性气体中进行。所述惰性气体指不与反应物和产物发生化学反应的任意一种气体或气体混合物，如氮气、元素周期表零族气体中的一种或几种，优选为氩气、氮气和氦气中的一种或几种。

在反应过程中，会生成Al₂O₃氧化夹杂物等副产物，除去这些副产物的方法为本领域技术人员所公知，一般来说，除去所述副产物的方法包括向将铝、硼化钛、钛化三铝、镁、铜混合后得到的熔融物中加入精练剂和/或通入惰性气体。

所述精练剂的种类和加入量为本领域技术人员所公知，如，所述精练剂可以选自KCl、NaCl、NaSiF₆、Na₃AlF₆中的一种或几种，以铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜的总量为基准，所述精练剂的加入量为1-5重量％，优选为2-4重量％。

加入惰性气体可以使熔融物产生气泡，借助这些气泡在上浮过程中能够吸附Al₂O₃氧化夹杂物，使之上浮到熔融物表面的熔渣中，将熔渣打捞出来的同时就去除了副产物。此外，惰性气体还能够在上浮的过程中吸附反应生成的氢，并逸入大气中，从而降低了混合物中氢的浓度。所述惰性气体可以通过导管通入混合物内，如石墨导管。

所述惰性气体的种类和加入量为本领域技术人员所公知，选自既不溶于熔融物，又不与熔融物和氢气反应的气体，如氮气、元素周期表零族气体中的一种或几种。

按照本发明，为了使增强相硼化钛和钛化三铝在铝基材料中分布的更均匀，优选情况下，将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合的方法包括，先将熔融态的铝与硼化钛和钛化三铝混合均匀，然后降温至500-600℃静置，得到含有硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态，将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。优选情况下，该方法包括在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合时，还与锌和/或铬混合，所述与锌和/或铬的混合可以在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合的同时、之前或之后进行，优选在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合的同时与锌和/或铬混合。所述锌和/或铬的用量使得到的铝基复合材料中锌的含量优选为5-10重量％和/或铬的含量优选为0.1-2重量％。

将铝与硼化钛和钛化三铝混合后的静置温度降为500-600℃的目的是使得到的铝基复合材料具有好的力学性能。由于基体铝的半固态温度为565℃，在500-600℃，接近基体铝的半固态温度下静置，能够使得到的增强相颗粒具有均匀的细晶粒组织及特殊的流变特性，得到的铝基复合材料具有更好的力学性能；还可以在由该材料压铸成型时，减少常规压铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，提高铸件质量，增加模具寿命，因此，优选使所述铝与硼化钛和钛化三铝的静置温度降为500-600℃反应。所述在500-600℃，优选550-570℃下静置的时间可以为大于1分钟，静置的时间超过60分钟后，得到的铝基复合材料的性能已经没有明显的变化，因此在500-600℃，优选550-570℃下静置的时间优选为5-60分钟。

根据硼化钛和钛化三铝含量的不同，所述铝基复合材料前体的熔融温度也不同，硼化钛和钛化三铝的含量越高，铝基复合材料前体的熔融温度越高，一般来说，铝基复合材料前体的熔融温度为1200-1900℃，优选为1300-1700℃。

为了将熔融态的铝与硼化钛和钛化三铝混合均匀，所述混合在搅拌下进行，所述搅拌优选在高速搅拌机中进行，搅拌的速度优选为500-800转/分钟。

所述将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜的混合，以及将熔融态的铝基复合材料前体与锌和/或铬的混合优选在搅拌下进行。

所述钛化三铝的制备方法包括在熔融状态下，将铝与二氧化钛混合，然后降温至500-600℃反应，得到钛化三铝颗粒，所述熔融状态指铝和二氧化钛均处于熔融状态。所述熔融状态的温度为1600-2000℃。所述铝与二氧化钛的重量比为0.8-1.2∶1。所述反应时间没有特别限制，优选为5-10分钟。

所述硼化钛可以商购得到，也可以按照本领域技术人员所公知的方法制备得到。

本发明还提供了一种制品，该制品是由所述铝基复合材料压制成型得到，所述压铸成型的方法为本领域技术人员所公知，如，所述成型方法可以采用低压成型或高压成型，本发明优选采用高压成型的方法对铝基复合材料进行压铸成型。所述高压成型的方法包括将压铸模预热至200-300℃，然后将熔融态的铝基复合材料浇入压铸模的腔室中，对铝基复合材料进行加压压铸充型，所述充型压力为60-110兆帕，维持最高压力5-15秒钟，使得到的制品完全凝固后完成该压铸操作，得到由所述铝基复合材料压制成型得到制品。

下面将通过具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

该实施例说明本发明提供的铝基复合材料、制品及它们的制备方法。

(1)钛化三铝的制备

在1850℃下，将工业纯铝熔融，并将熔融态的铝与二氧化钛混合均匀形成熔融物，然后降温至560℃反应10分钟，得到钛化三铝颗粒，所述铝与二氧化钛的重量比为1∶1。

(2)铝基复合材料的制备

在720℃下，向电阻炉中加入60重量份工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在600转/分钟的搅拌速度下，将4.3重量份硼化钛颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得)和19重量份步骤(1)得到的钛化三铝颗粒与熔融态的铝混合均匀，然后，降温至565℃静置10分钟，得到含有增强相硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态(1300℃)，将该熔融态的铝基复合材料前体与0.8重量份工业纯Mg、0.4重量份Cu搅拌混合8分钟，再加入1.87重量份精练剂NaSiF₆并搅拌除去副产物，得到铝基复合材料。以该铝基复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为70重量％，镁的含量为1重量％，铜的含量为2重量％，TiB₂的含量为5重量％，Al₃Ti的含量为22重量％。

将三角支架压铸模预热到220℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力5秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制品三角支架A1。压铸成型后，对该制品A1进行T6热处理。

实施例2

该实施例说明本发明提供的铝基复合材料、制品及它们的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入60重量份工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将12重量份硼化钛颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得)和20重量份实施例1步骤(1)得到的钛化三铝颗粒与熔融态的铝混合均匀，然后，降温至565℃静置10分钟，得到含有增强相硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态(1380℃)，将该熔融态的铝基复合材料前体与4重量份工业纯Mg、4重量份Cu、3重量份工业纯Zn和1重量份Cr搅拌混合6分钟，再加入2重量份NaSiF₆和2重量份KCl精练剂并搅拌除去副产物，得到铝基复合材料。以该铝基复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为45重量％，镁的含量为2重量％，铜的含量为2.5重量％，锌的含量为5重量％，铬的含量为0.5重量％，TiB₂的含量为15重量％，Al₃Ti的含量为30重量％。

将三角支架压铸模预热到240℃，设定好压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力10秒，待复合材料铸件完全凝固，得到由铝基复合材料得到的制品三角支架A2。压铸成型后，对制品A2进行T6热处理。

实施例3

该实施例说明本发明提供的铝基复合材料、制品及它们的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入60重量份工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将21重量份硼化钛颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得)和13重量份实施例1步骤(1)得到的钛化三铝颗粒与熔融态的铝混合均匀，然后，降温至565℃静置35分钟，得到含有增强相硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态(1450℃)，将该熔融态的铝基复合材料前体与3.5重量份工业纯Mg、7重量份Cu和12重量份工业纯Zn搅拌混合7分钟，再加入5重量份Na₃AlF₆精练剂并搅拌，同时向上述混合物内连续通入氮气进行精练，除去副产物，得到铝基复合材料。以该铝基复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为53重量％，镁的含量为3重量％，铜的含量为4重量％，锌的含量为10重量％，TiB₂的含量为20重量％，Al₃Ti的含量为10重量％。

将三角支架压铸模预热到260℃，设定好压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入铝合金熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力15秒，待复合材料铸件完全凝固，得到由铝基复合材料得到的制品三角支架A3。压铸成型后，对制品A3进行T6热处理。

实施例4

该实施例说明本发明提供的铝基复合材料、制品及它们的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入60重量份工业纯铝，使铝熔融，然后在氮气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将24.6重量份硼化钛颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得)和78重量份实施例1步骤(1)得到的钛化三铝与熔融态的铝混合均匀，然后降温至565℃静置15分钟，得到含有增强相硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态(1550℃)，将该熔融态的铝基复合材料前体与4重量份工业纯镁，5重量份铜搅拌混合5分钟，再加入5重量份KCl精练剂并搅拌除去副产物，得到铝基复合材料。以该铝基复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为62.1重量％，镁的含量为3.2重量％，铜的含量为3.7重量％，TiB₂的含量为17.6重量％，Al₃Ti的含量为13.4重量％。

将三角支架压铸模预热到250℃，设定好压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入铝合金熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力8秒，待复合材料铸件完全凝固，得到制品三角支架A4。压铸成型后，对制品A4进行T6热处理。

实施例5

该实施例说明本发明提供的铝基复合材料、制品及它们的制备方法。

在1600℃，氦气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，直接向电阻炉中加入95重量份工业纯铝、24.6重量份硼化钛颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得)、78重量份实施例1步骤(1)得到的钛化三铝、4重量份工业纯镁、5重量份铜以及22重量份的锌和1.4重量份的铬混合均匀，并加入8重量份KCl精练剂，并搅拌除去副产物，得到铝基复合材料。以该铝基复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为57.6重量％，镁的含量为3.13重量％，铜的含量为3.5重量％，锌的含量为5.17重量％，铬的含量为0.5重量％，TiB₂的含量为17.2重量％，Al₃Ti的含量为12.9重量％。并按照实施例4方法中的压铸参数压铸上述铝基复合材料，得到制品三角支架A5。压铸成型后，对制品A5进行T6热处理。

实施例6-10

下面的实例说明本发明提供的制品的性能。

对实施例1-5制备的制品A1-A5进行各项性能测试，测试方法如下：用国标GBT 228标准在万能材料实验机上测定制品的抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率、弹性模量，测试结果如下表1所示。

表1

从表1的数据可以看出，由本发明提供的铝基复合材料压铸成型得到的制品三角支架的抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率以及弹性模量等参数均较高，说明采用本发明的方法得到的铝基复合材料制得的制品的力学性能良好，尤其在采用高压压铸成型后得到的制品的力学性能更优异。

Claims (12)

1.一种铝基复合材料，该材料含有铝、镁、铜和增强相，其特征在于，所述增强相为硼化钛和钛化三铝；以该复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为35-70重量％，镁的含量为1-5重量％，铜的含量为1-5重量％，硼化钛的含量为5-20重量％，钛化三铝的含量为10-35重量％。

2.根据权利要求1所述的材料，其中，以该复合材料的总重量为基准，所述铝的含量为45-70重量％，镁的含量为1-3重量％，铜的含量为2-4重量％，硼化钛的含量为5-20重量％，钛化三铝的含量为10-30重量％。

3.根据权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料中还含有，以该复合材料的总重量为基准，含量为0-15重量％的锌和/或含量为0-5重量％的铬。

4.根据权利要求3所述的材料，其中，以该复合材料的总重量为基准，所述锌的含量为5-10重量％，所述铬的含量为0.1-2重量％。

5.权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括在熔融状态下，将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合，所述铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜的用量使得到的铝基复合材料中铝的含量为35-70重量％，镁的含量为1-5重量％，铜的含量为1-5重量％，硼化钛的含量为5-20重量％，钛化三铝的含量为10-35重量％。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合时，还与锌和/或铬混合，所述锌和/或铬的用量使得到的铝基复合材料中锌的含量为5-10重量％和/或铬的含量为0.1-2重量％。 

7.根据权利要求5所述的方法，其中，将铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜混合的方法包括，先将熔融态的铝与硼化钛和钛化三铝混合均匀，然后降温至500-600℃静置，得到含有硼化钛和钛化三铝的铝基复合材料前体；再升温使所述铝基复合材料前体至熔融状态，将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合时，还与锌和/或铬混合，所述锌和/或铬的用量使得到的铝基复合材料中锌的含量为5-10重量％和/或铬的含量为0.1-2重量％。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括向将铝、硼化钛、钛化三铝与镁、铜混合后得到的熔融物中加入精炼剂和/或通入惰性气体，以铝、硼化钛、钛化三铝、镁和铜的总量为基准，所述精练剂的加入量为1-5重量％。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述钛化三铝的制备方法包括在熔融状态下，将铝与二氧化钛混合，然后降温至500-600℃反应，所述铝与二氧化钛的重量比为0.8-1.2∶1。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述混合在惰性气体中进行。

12.一种制品，该制品是将一种复合材料压铸成型得到，其特征在于，所述复合材料为权利要求1-4中任意一项所述的铝基复合材料。