CN102212817A - 具有超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种具有超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法，属于材料超细晶化及复合材料制备技术领域。其是以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，通过在所述基体材料上开设槽或孔，并向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，然后对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到具有超细晶组织的铝基复合材料，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。本发明可使基体材料获得显著的超细晶化组织，使复合材料的性能得到显著提高；同时，由于是固态加工方法，加工过程简单，避免了环境污染。

Description

具有超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料超细晶化及复合材料制备技术领域，特别涉及具有大块体、大范围超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料由于具有密度小、熔化温度低、高导热性且成本低等特性，已经在世界范围内得到广泛研究并日趋工业化。同时由于铝基复合材料具有不吸潮、不老化、气密性好、耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点，其在航空航天、汽车、电子、光学等工业领域得到广泛应用，同时对铝基复合材料的组织和性能提出了更高的要求。晶粒细化是获得优良性能的关键所在。目前，对铝合金材料进行晶粒细化或超细晶化的过程较为复杂，例如大塑性变形技术中的等通道角挤压法(equal channel angular pressing，ECAP)和高压扭转法(high-pressure torsion，HPT)，尽管这些方法能够促使铝合金在较大程度上得到超细晶甚至少量非晶组织，但这些方法均需要对基体材料进行复杂的前期处理后才可进行加工，有的需要复杂的操作和控制，其加工时间较长、能源消耗均较大，甚至会带来一定的环境污染；此外这些方法制备获得的细晶铝基复合材料塑性较差，限制了其使用性能。上述问题都对实际生产造成了很多不便，且成本较高。
发明内容
本发明是为了弥补现有技术的不足，提供了一种具有显著的超细晶化组织、材料性能显著提高的新型铝基复合材料。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种具有超细晶组织的铝基复合材料，其特殊之处是：其是以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，通过在所述基体材料上开设槽或孔，并向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，然后对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。
本发明中采用的搅拌摩擦加工技术来源于现有的搅拌摩擦焊技术。其原理是通过搅拌摩擦加工设备的搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。本发明中，在搅拌摩擦加工过程中，受搅拌摩擦设备的作用，在高应变、应变速率的影响下，材料发生了动态再结晶过程，使材料晶粒得到初步细化，同时在细化因子非晶态合金材料相变过程中与基体材料发生相变或部分冶金反应，促使基体材料获得显著的超细晶化组织，实现在基体材料表面至搅拌头端面深度范围内，制备具有超细晶化的、大块体的新型铝基复合材料。超细晶化组织使得复合材料的性能得到了显著的提高。本发明中，细化因子的选择，是基于与基体材料具有较好相容性的非晶态合金材料的物理性能，例如其晶化温度范围可处于其加工过程所处于的摩擦加工温度范围，利于非晶合金充分地进行晶化，进而促使其基体材料的超细晶化。
为了便于细化因子在搅拌摩擦加工中更好地被分散到基体材料中并与基体材料充分反应，所述细化因子为粒度为100nm～50μm的粉状材料或厚度为35～100μm的带状材料。带状材料的长度和宽度以及细颗粒状细化因子的尺寸可依据基体材料进行设计。
所述细化因子为Al-Ni-La铝基非晶态合金或Al-Ni-Ce铝基非晶态合金或Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金。其中Al-Ni-La和Al-Ni-Ce系铝基非晶态合金具有与基体材料铝合金相近的物理化学特征，且上述非晶态合金的主要成分为Al，而基体材料也主要是铝合金，制备过程中其更加容易与基体材料进行组织结构转变或相变，利于超细晶组织的产生；此外其晶化温度相对较低，也利于其充分完成晶化。而Fe基或Ni基非晶态合金材料具有明显低于铝合金搅拌摩擦加工最高温度的晶化温度，在促使基体材料超细晶化的基础上，通过添加一定量的Fe或Ni元素为主的非晶合金可提高制备的超细晶材料的力学性能，如硬度、抗拉强度以及超塑性能等。
本发明的另一个目的是提供一种制备具有超细晶组织的铝基复合材料的固态加工方法。
其所采用的技术方案是：具有超细晶组织的铝基复合材料的制备方法，其特殊之处是：采用搅拌摩擦设备制备，其步骤如下：
(1)以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，在所述基体材料上开设槽或孔，向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％；
(2)利用搅拌摩擦设备对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到具有超细晶组织的铝基复合材料，其中，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。
所述细化因子为粒度为100nm～50μm的粉状材料或厚度为35～100μm的带状材料。
所述细化因子为Al-Ni-La铝基非晶态合金或Al-Ni-Ce铝基非晶态合金或Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金。
本发明所采用的搅拌摩擦加工设备为现有技术。其通过在基体材料内填加细化因子，通过搅拌摩擦加工使细化因子材料被分散分布于基体材料间，并与基体材料发生显著的相变过程或部分冶金反应，实现在基体材料表面至探针端面深度范围内，制备具有超细晶化、大块体的新型铝基复合材料。
本发明的有益效果是：本发明通过在基体材料内填加细化因子，并通过搅拌摩擦加工使材料晶粒得到初步细化，同时细化因子在相变过程中与基体材料发生相变或部分冶金反应，使得基体材料获得了显著的超细晶化组织，从而使复合材料的性能得到了显著的提高；同时本发明的方法是固态加工方法，避免了环境污染，加工过程简单，不需要复杂的操作和控制。特别对金属材料的表面改性、制备超细晶、大块体、宏观范围的铝基复合材料方面提供了一个新的方法，克服了因熔化过程带来的种种不利的因素。
附图说明
图1是本发明具体实施例中通过搅拌摩擦加工制备具有超细晶组织的铝基复合材料的示意图；
图中：1、搅拌摩擦工具，2、基体材料，3、轴肩，4、搅拌针，5、加工区域。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1
如附图所示是利用搅拌摩擦加工制备具有超细晶组织的铝基复合材料的示意图。
本实施例是以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金板作为基体材料2，在基体材料板上开设槽或孔，形成加工区域5，将与基体材料2具有相近物理化学特征的Al-Ni-Ce系铝基非晶态合金材料作为细化因子，以基体材料1～10wt％的细颗粒状或粉状或带状形式填充入基体材料2开槽处或孔中，然后利用搅拌摩擦设备进行搅拌摩擦加工。其中，细化因子采用颗粒状或粉状时，其粒度为100nm～50μm，采用带材时，带材的厚度为35～100μm。本实施例中，所采用的搅拌摩擦工具1为现有技术，其下部具有轴肩3，搅拌摩擦工具1的中央装配有搅拌针4。本实施例中所采用的变形铝合金可采用5A06变形铝合金，或采用其他的变形铝合金，Al-Mg系铸造铝合金可采用ZAlMg5Si1铸造铝合金或其他的Al-Mg系铸造铝合金。
具体加工时，搅拌摩擦工具1固定在被加工的基体材料2上方，被加工的基体材料2被固定后，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速500rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以10MPa的下压力压入基体材料2表面，停留3s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以50mm/min的速度从被开槽部位，即填加了非晶态细化因子的加工区域5上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。为了获得大块体的具有超细晶组织的铝基复合材料，可按照上述工艺，在第1道加工区域两侧设计多条细化因子填满区，来获得大块体的超细晶铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表1所示。
表1块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000041
Figure BSA00000492508000051
本发明的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速700rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以15MPa的下压力压入基体材料2表面，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以70mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表2所示。
表2块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000052
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速1000rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以20MPa的下压力压入基体材料2表面，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以90mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表3所示。
表3块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000061
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，填加到基体材料中的细化因子是与基体材料2具有相近物理化学特征的Al-Ni-La系铝基非晶态合金材料。搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速500rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以10MPa的下压力压入基体材料2表面，停留3s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以40mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表4所示。
表4块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000062
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速750rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以15MPa的下压力压入基体材料2表面，停留10s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以70mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表5所示。
表5块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000071
实施例6
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速900rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以20MPa的下压力压入基体材料2表面，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以150mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表6所示。
表6块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000072
Figure BSA00000492508000081
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，填加到基体材料中的细化因子是晶化温度明显低于铝合金搅拌摩擦加工最高温度的Fe基非晶态合金材料。搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速750rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以15MPa的下压力压入基体材料2表面，停留10s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以75mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表7所示。
表7超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000082
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，填加到基体材料中的细化因子是晶化温度明显低于铝合金搅拌摩擦加工最高温度的Ni基非晶态合金材料。搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速1000rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以10MPa的下压力压入基体材料2表面，停留10s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以120mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表8所示。
表8超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体为5A06变形铝合金)
Figure BSA00000492508000091
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速700rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以15MPa的下压力压入基体材料2表面，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以50mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表9所示。
表9块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体ZAlMg5Si1铸造铝合金)
Figure BSA00000492508000092
实施例10
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，搅拌摩擦工具1在被加工的基体材料2上面以转速900rpm高速旋转地接触被加工基体材料2表面，以15MPa的下压力压入基体材料2表面，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以90mm/min的速度从被开槽部位上压过，则在被加工的基体材料2上形成一定的具有超细晶化组织的新型铝基复合材料。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现新的铝基复合材料在性能上得到了显著的提高，其性能指标如表10所示。
表10块体超细晶铝基复合材料的力学性能及平均晶粒尺度(基体ZAlMg5Si1铸造铝合金)
Figure BSA00000492508000101
上述实施例仅用作对本发明的说明，并非对其的限制。

Claims (6)

1.一种具有超细晶组织的铝基复合材料，其特征是：其是以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，通过在所述基体材料上开设槽或孔，并向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，然后对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。
2.根据权利要求1所述的具有超细晶组织的铝基复合材料，其特征是：所述细化因子为粒度为100nm～50μm的粉状材料或厚度为35～100μm的带状材料。
3.根据权利要求1或2所述的具有超细晶组织的铝基复合材料，其特征是：所述细化因子为Al-Ni-La铝基非晶态合金或Al-Ni-Ce铝基非晶态合金或Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金。
4.一种具有超细晶组织的铝基复合材料的制备方法，其特征是：采用搅拌摩擦设备制备，其步骤如下：
(1)以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，在所述基体材料上开设槽或孔，向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％；
(2)利用搅拌摩擦设备对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到具有超细晶组织的铝基复合材料，其中，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。
5.根据权利要求4所述的具有超细晶组织的铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述细化因子为粒度为100nm～50μm的粉状材料或厚度为35～100μm的带状材料。
6.根据权利要求4或5所述的具有超细晶组织的铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述细化因子为Al-Ni-La铝基非晶态合金或Al-Ni-Ce铝基非晶态合金或Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金。
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