CN104911409A

CN104911409A - 含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104911409A
Application number: CN201510339908.XA
Authority: CN
Inventors: 谢雅典; 刘卫; 赖静; 陈廷益; 黎阳
Original assignee: Guizhou Education University
Current assignee: Guizhou Education University
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，其成分按体积百分比：碳化硼B₄C颗粒占15%，铝合金基体占85%；在85%的铝合金基体中，其成分按重量百分比：钪Sc为0.4%，锆Zr为0.29%，钛Ti为1.5%，其余为铝；制备过程包括融化工业纯铝、加入母合金材料、加入预制Al-B₄C铸锭、在模具中进行浇筑、冷却并进行均质化处理和时效处理。本发明的这种含微量合金元素钪和锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料在高温下能够保持性能长时间稳定，克服了现有的铝基复合材料在高温下难以保持性能长时间温度的缺陷。

Description

含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料，尤其涉及一种高温下保持性能长时间稳定的含微量合金元素钪和锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

Al-B₄C复合材料（MMCs）由于其独特的捕获中子的能力，同时兼具质轻且优越的热传导特性，已在核工业中用以生产高品质的中子吸收器组件。制造用于运输和存储废核燃料的存储罐是其中的一个应用。在存储罐中，Al-B₄C材料制成的挡板用于分隔燃烧后的核废料，起到高能热中子吸收器的作用。由于燃烧后的核废料在某些情况下依然能够持续发热，挡板材料可能会面临长期暴露于高温条件的情况。传统的2xxx 和 6xxx系铝基复合材料的使用温度区间一般不超过150 - 170 oC。高于这个温度区间，随着温度的升高和时间延长，强化相会粗化，亦即发生过时效，材料的机械性能会因此而迅速降低。为了增加存储罐对核燃料的负载能力，从而提高运输和存储效率，开发一种能够在高温下保持长时间性能稳定的Al-B₄C复合材料成为当务之急。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高温下保持性能长时间稳定的含微量合金元素钪和锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料，以克服现有的铝基复合材料在高温下难以保持性能长时间温度的缺陷。

本发明的技术方案如下：

其成分按体积百分比：碳化硼B₄C颗粒占15%, 铝合金基体占85%；在85%的铝合金基体中，其成分按重量百分比：钪Sc为0.4%，锆Zr为0.29%，钛Ti为1.5%, 其余为铝；

其制备方法包括以下步骤：

步骤1：首先融化工业纯铝得到液态铝，其纯度至少达到99.7%；

步骤2：将三种母合金材料：Al-2 wt.% Sc、Al-15 wt.% Zr、Al-10 wt.% Ti的材料，加入步骤1得到的液态铝中，并在800 oC的温度下保温至少40分钟，使合金元素充分溶解；

步骤3：加入预制的Al-B₄C铸锭，在730 oC的温度下保温至少30分钟，保温过程中进行机械搅拌，使B₄C颗粒在液体中均匀分布；使得产品的成分达到按体积计：碳化硼B₄C颗粒占15%, 铝合金基体占85%；在85%的铝合金基体中，其成分按重量百分比：钪Sc为0.4%，锆Zr为0.29%，钛Ti为1.5%, 其余为铝；

步骤4：在模具温度为200-250 oC的条件下进行浇铸，并冷至室温；

步骤5：在640 oC温度条件下进行均质化处理96 小时；

步骤6：在350 oC温度条件下进行时效处理10小时。

预制的Al-B₄C铸锭的成分按体积分数为：碳化硼（B₄C）颗粒25%, 铝基体75%，该铸锭铝基体中含有质量分数为2.5%的钛。在制备过程中，由于工业纯铝及不同母合金材料的加入，成品含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料中碳化硼（B₄C）颗粒体积分数下降至15%，铝合金基体体积分数上升至85%。成品铝基体中的钛的最终质量分数为1.5%。

成品含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料中，钪和锆均来源于加入的母合金。钛则是原本存在于铸锭铝合金中的钛和添加的母合金中的钛之和。

本发明提供的含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料，在峰时效时（350 oC保温10h），室温性能可以达到：抗压强度大于242MPa（变形30%，应变速率恒定为10^-3s^-1），屈服强度大于164MPa, 维氏硬度值大于62 HV。随后，在300 oC保温2000 h后，其室温性能仍可以达到：抗压强度大于240MPa（变形30%，应变速率恒定为10^-3s^-1），屈服强度大于160MPa, 维氏硬度值大于60 HV。与峰时效时的数值相比，材料性能在300 oC保温2000 h后基本没有下降，非常稳定。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

1、含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料，其成品的成分按体积百分比：碳化硼B₄C颗粒占15%, 铝基体占85%；在所述铝基体中，其成分按重量百分比：钪Sc为0.4%，锆Zr为0.29%，钛Ti为1.5%, 其余为铝。

2、其制造方法包括以下步骤：

步骤1：首先融化工业纯铝511.8 Kg，得到液态铝，其纯度至少达到99.7%；

步骤2：将三种母合金材料：Al-2 wt.% Sc、Al-15 wt.% Zr、Al-10 wt.% Ti的材料，重量分别为439.3kg，34kg，和25Kg，加入步骤1得到的液态铝中，并在800 oC的温度下保温至少40分钟，使合金元素充分溶解；

步骤3：加入预制的Al-B₄C铸锭1511 Kg（铸锭复合材料中碳化硼B₄C颗粒体积分数为25%，铝基体为75%，且铸锭铝基体中含有重量百分比为2.5%的钛Ti）。在730 oC的温度下保温至少30分钟，保温过程中进行机械搅拌，使B₄C颗粒在液体中均匀分布；

步骤4：在模具温度为200-250 oC的条件下进行浇铸，并冷至室温；所得到成品中碳化硼B₄C颗粒体积分数为15%，铝基体为85%。成品铝基体中含有重量百分比为0.4%的钪Sc，0.29%的锆Zr，1.5%的钛Ti；

步骤5：在640 oC温度条件下进行均质化处理96 小时；

步骤6：在350 oC温度条件下进行时效处理10 小时。

其中各元素的含量变化是这样的，以钪为例，钪含量：439.3*0.2%=0.88kg，母合金总量：439.3+34+25=498.3kg，纯铝的量为511.8kg，预制铸锭复合材料中的铝重量（铝的密度和B₄C的密度差不多，所以体积分数约等于质量分数）：1511*0.75=1133kg，

因此钪在最终复合材料铝基体中的含量为：0.88/(498.3+511.8+1133)*100=0.4%。

其余元素占比变化同理即可得出。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims

1.一种含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：其成分按体积百分比：碳化硼B₄C颗粒占15%, 铝合金基体占85%；在85%的铝合金基体中，其成分按重量百分比：钪Sc为0.4%，锆Zr为0.29%，钛Ti为1.5%, 其余为铝。

2.一种含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤3：加入预制的Al-B₄C铸锭，在730 oC的温度下保温至少30分钟，保温过程中进行机械搅拌，使B₄C颗粒在液体中均匀分布；

步骤5：在640 oC温度条件下进行均质化处理96 小时；

步骤6：在350 oC温度条件下进行时效处理10小时。

3.根据权利要求2所述的含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：预制的Al-B₄C铸锭的成分按体积分数为：碳化硼（B₄C）颗粒25%, 铝基体75%，该铸锭铝基体中含有质量分数为2.5%的钛。