CN106079739A - 一种层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层状复合材料，包括依次相接触的第一变形铝合金层、非连续体增强铝基复合材料层和第二变形铝合金层，所述非连续体增强铝基复合材料层为被包覆的中间层。其制备方法是，通过挤压复合结合轧制制备而成含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料，所述挤压复合是通过对置于中间的非连续体增强铝基复合材料板利用位于两侧的变形铝合金棒料进行双向侧挤压。本发明层状复合材料具有非连续体增强铝基复合材料的高比强度、高比刚度和高模量，同时具有变形铝合金良好的抗疲劳性能、断裂韧性和耐腐蚀性能。

Description

一种层状复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，更具体地说，涉及一种层状复合材料及其制备方法。
背景技术
非连续体增强铝基复合材料相对于传统铝合金具有高的比强度、比刚度和优良的高温力学性能、低的热膨胀系数、优良的耐磨性，在航空、航天、汽车和交通运输工业具有十分广阔的应用前景。通过粉末冶金、铸造或挤压可获得非连续体增强铝基复合材料的棒材和窄幅板材，并有部分品种和规格被应用，但其宽幅板材的应用鲜有报道，由于非连续体增强铝基复合材料难变形，变形过程中易从边缘开裂，因此如何提高其变形能力和抗裂纹扩展失效能力是急需解决的难题。现有技术中，较少有对含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料及其板材制备的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种层状复合材料及制备方法，该层状复合材料为宽幅板材，相对于传统非连续体增强铝基复合材料具有较大的宽幅。
本发明提供一种层状复合材料，包括依次相接触的第一变形铝合金层、非连续体增强铝基复合材料层和第二变形铝合金层，所述非连续体增强铝基复合材料层为被包覆的中间层。
优选的，所述第一变形铝合金层和第二变形铝合金层为1xxx系、2xxx系、3xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系变形铝合金。
优选的，所述非连续体增强铝基复合材料层的增强体为Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC颗粒，或者是Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC短棒；增强体占非连续体增强铝基复合材料层总量的体积分数为5-20％，所述非连续体增强铝基复合材料层的基体为6xxx系或7xxx系铝合金。
优选的，所述增强体的平均粒度为0.3-15μm。
本发明还提供一种上述层状复合材料的制备方法，所述方法制备的层状复合材料通过挤压复合结合轧制制备而成，所述挤压复合是通过对置于中间的非连续体增强铝基复合材料板利用位于两侧的变形铝合金棒料进行双向侧挤压，所述层状复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
(1)对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行挤压复合的前处理：挤压复合的前处理包括对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行均匀化处理和去除均匀化处理后的非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料的表层缺陷和氧化层；
(2)安装挤压工模具；
(3)对工模具、变形铝合金棒料和非连续体增强铝基复合材料板进行预热；
(4)将预热好的变形铝合金棒料和非连续体增强铝基复合材料板分别置于挤压筒和工模具的腔模中，且使非连续体增强铝基复合材料板的前端通过挤压模模孔；
(5)对两个挤压筒中的变形铝合金坯料进行双向侧挤压，与非连续体增强铝基复合材料板进行复合，得到复合后的挤压板料；
(6)对获得的挤压板料进行多道次热轧，得到热轧板；
(7)对获得的热轧板进行热处理，得到含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料。
优选的，在步骤(2)中，挤压工模具由刀模、挤压模及腔模构成，挤压工模具的安装是将刀模置于腔模内，将挤压模置于腔模的另一端，与刀模同轴，然后将腔模装入模座。
优选的，在步骤(3)中，工模具的预热采用模座加热，工模具的预热温度应控制在300-380℃；所述变形铝合金坯料的预热温度控制在400-450℃，变形铝合金采用感应加热结合惰性气体保护的方法进行预热；所述非连续体增强铝基复合材料板的预热方式为：在腔模外侧采用感应加热装置进行快速加热，加热温度控制在430-450℃，同时感应加热区通入氩气进行保护。
优选的，在步骤(4)中，所述非连续体增强铝基复合材料板置于腔模中，该过程为将预热好的非连续体增强铝基复合材料板从模座的侧部通过刀模轴向中间孔置入至挤压模内。
优选的，在步骤(5)中，对变形铝合金坯料进行双向侧挤压时，控制制品出口速度为1～8m/min，挤压比为5～15。
优选的，在步骤(6)中，所述对挤压板料进行多道次热轧，其工艺为：加热温度450℃，开轧温度为430℃，终轧温度控制在410℃以上，第1道次和第2道次的压下量为6％，第2道次后每道次压下量为15％，最后一道次的压下量根据最终产品尺寸确定。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用双向侧挤压复合，在被包覆板两侧形成对称的受力，避免了单侧挤压过程中，因金属流动不对称造成被包覆板弯曲的问题。在挤压过程中，挤压模中的合金受三向压应力，非连续体增强铝基复合材料板在挤压过程中不易开裂。
(2)本发明采用双向侧挤压复合结合轧制制备层状复合材料，可以制备宽度较大的层状复合材料。
(3)本发明制得的层状复合材料中间层为非连续体增强铝基复合材料层，其两侧可为不同种类的变形铝合金。
(4)为了防止被包覆的非连续体增强铝基复合材料板在挤压过程中温度过低开裂，在挤压过程中，采用腔模外感应加热，同时采用惰性气体保护防止其表面氧化。
(5)非连续体增强铝基复合材料在变形过程中容易开裂，裂纹特别容易在边缘萌发，通过挤压复合后，非连续体增强铝基复合材料板周围被变形铝合金包覆，轧制过程中降低了裂纹萌生的几率。
(6)与其他方法相比，本发明工艺简单，操作方便，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的层状复合材料的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的层状复合材料的制备方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的层状复合材料的挤压过程示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种层状复合材料，包括依次相接触的第一变形铝合金层101、非连续体增强铝基复合材料层102和第二变形铝合金层103，非连续体增强铝基复合材料层102为被包覆的中间层。
在本发明实施例中，第一变形铝合金层101和第二变形铝合金层103为1xxx系、2xxx系、3xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系变形铝合金，第一变形铝合金层和第二变形铝合金层可以采用相同成分的变形铝合金，亦可以不同。
在本发明实施例中，非连续体增强铝基复合材料层102的增强体为Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC颗粒，或者是Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC短棒；增强体占非连续体增强铝基复合材料层总量的体积分数为5-20％，非连续体增强铝基复合材料层102的基体为6xxx系或7xxx系铝合金。
在本发明实施例中，所述增强体的平均粒度为0.3-15μm。
本发明实施例还提供一种上述层状复合材料的制备方法，该方法制备的层状复合材料通过挤压复合结合轧制制备而成，其中，挤压复合是通过对置于中间的非连续体增强铝基复合材料板利用位于两侧的变形铝合金棒料进行双向侧挤压。图2示例性的示出了本发明实施例提供的一种层状复合材料的制备方法流程示意图。如图2所示，本发明实施例提供的层状复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤101，对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行挤压复合的前处理：
挤压复合的前处理包括对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行均匀化处理和去除均匀化处理后的非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料的表层缺陷和氧化层。
在本发明实施例中，可对非连续体增强铝基复合材料板通过铣削处理去除表层缺陷和氧化层，对变形铝合金棒料进行车削去除表层缺陷和氧化皮。在本发明实施例中，选用的非连续体增强铝基复合材料板可为采用粉末冶金、铸造或挤压方式制备的非连续体增强铝基复合材料板。
步骤102，安装挤压工模具；在本发明实施例中，挤压工模具由刀模4、挤压模5及腔模3构成，挤压工模具的安装是将刀模4置于腔模3内，将挤压模5置于腔模3的另一端，与刀模4同轴，然后将腔模3装入模座1。
步骤103，对工模具、变形铝合金棒料和非连续体增强铝基复合材料板进行预热。
步骤104，将预热好的变形铝合金棒料6和非连续体增强铝基复合材料板7分别置于挤压筒8和工模具的腔模3中，且使非连续体增强铝基复合材料板的前端通过挤压模模孔。
步骤105，对两个挤压筒8中的变形铝合金坯料进行双向侧挤压，与非连续体增强铝基复合材料板进行复合，得到复合后的挤压板料；进行双向侧挤压时，按照图3所示进行。
步骤106，对获得的挤压板料进行多道次热轧，得到热轧板。
步骤107，对获得的热轧板进行热处理，得到含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料。
在本发明实施例中，在步骤103中，工模具的预热采用模座1加热，工模具的预热温度应控制在300-380℃；变形铝合金坯料的预热温度控制在400-450℃，变形铝合金采用感应加热结合惰性气体保护的方法进行预热；非连续体增强铝基复合材料板的预热方式为：在腔模3外侧采用感应加热装置2进行快速加热，加热温度控制在430-450℃，同时感应加热区通入氩气进行保护。
在本发明实施例中，在步骤104中，非连续体增强铝基复合材料板置于腔模3中，该过程为将预热好的非连续体增强铝基复合材料板从模座1的侧部通过刀模4轴向中间孔置入至挤压模5内。
在本发明实施例中，在步骤105中，对变形铝合金坯料进行双向侧挤压时，控制制品出口速度为1～8m/min，挤压比为5～15。
在本发明实施例中，在步骤106中，对挤压板料进行多道次热轧，其工艺为：加热温度450℃，开轧温度为430℃，终轧温度控制在410℃以上，第1道次和第2道次的压下量为6％，第2道次后每道次压下量为15％，最后一道次的压下量根据最终产品尺寸确定。
在本发明实施例中，在步骤107中，热处理包括固溶处理和时效热处理，固溶处理温度为470～510℃，保温时间为50min～90min；时效热处理温度为120～160℃，保温时间为10h～15h。
需要说明的是，本发明制备方法对工模具、变形铝合金进行预热，其中的工模具和变形铝合金的预热温度会影响复合质量，在本发明实施例中，优选的，工模具的预热温度应控制在300-380℃，变形铝合金坯料的温度要控制在400-450℃，变形铝合金采用感应加热结合惰性气体保护的方法预热，这样的方式能够防止表面过度氧化。另外，非连续体增强铝基复合材料的预热温度对变形和复合至关重要，在挤压过程中，从模座的侧部通过刀模轴向中间孔置入非连续体增强铝基复合材料至挤压模内，在腔模外侧采用感应加热装置进行快速加热，加热温度控制在430-450℃，同时感应加热区通入氩气进行保护，能够防止表面氧化，从而进一步防止影响复合界面质量。
在本发明实施例中，被包覆的材料为非连续体增强铝基复合材料，其自身在变形过程中容易开裂，本发明的制备方法通过双向侧挤压进行复合，能够让非连续体增强铝基复合材料处于三向压应力状态，降低开裂倾向，因此能够很好的克服非连续体增强铝基复合材料本身变形易开裂的缺点。另外，本发明实施例采用双向侧挤压，使复合过程中非连续体增强铝基复合材料板两侧产生对称的受力状况，优选的，挤压过程中挤压比控制在5～15。若挤压比过大，一方面会增加变形抗力；另外，过大的挤压比也会造成非连续体增强铝基复合材料的变形过大，导致开裂。而挤压比过小又不能使材料界面很好的复合。
本发明通过制备含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料板，来解决非连续体增强铝基复合材料宽板难于制备的难题。本发明不但可以克服非连续体增强铝基复合板开裂的问题，而且外层变形金属可以提高非连续体增强铝基复合材料塑性、耐蚀性能、损伤容限等性能。这样可以为航空、航天、兵器、汽车等领域提供综合性能更佳的轻质材料，具有更加广阔的应用空间。
下面结合具体实施例来进一步说明如何利用上述本发明实施例方法进行含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料的制备。
实施例1
一种三层金属层状复合材料(6061Al+非连续体增强复合材料(6061Al+10％SiC)+6061Al)，其制备方法包括以下步骤：
(1)坯料前处理：准备6061铝合金棒材和6061Al+10％SiC复合材料板(厚度约10-15mm)，首先对这些材料进行均匀化处理，然后将均匀化处理后的6061Al+10％SiC复合材料板进行铣削处理，去除表层缺陷和氧化层，将均匀化处理后的6061Al棒料车削去除表层缺陷和氧化皮。
(2)将工模具预热到380℃，6061铝合金棒材预热到450℃，将6061Al+10％SiC复合材料板通过感应加热装置预热到450℃。
(3)将预热好的6061Al+10％SiC复合材料板向前送，并使其前端穿过挤压模孔，以便挤压时6061Al+10％SiC复合材料板能顺利通过模孔。
(4)然后，进行双向侧挤压，挤压比控制在10，出口速度为8m/min。
(5)对挤压后的层状复合材料进行加热，加热温度为450℃，保温1h，然后进行多道次热轧，终轧温度控制在410℃以上。
(6)对轧制后的层状复合材料进行固溶和时效处理。
实施例2
一种三层金属层状复合材料(7075Al+非连续体增强复合材料(7075Al+10％SiC)+1050Al)，其制备方法包括以下步骤：
(1)坯料前处理：准备7075铝合金棒材，1050铝合金棒材和7075Al+10％SiC复合材料板(厚度约10-15mm)，首先对这些材料进行均匀化处理，然后将均匀化处理后的7075Al+10％SiC复合材料板进行铣削处理，去除表层缺陷和氧化层，将均匀化处理后的7075铝合金棒材和1050铝合金棒材车削去除表层缺陷和氧化皮；
(2)将工模具预热到380℃，7075铝棒预热到430℃，1050铝棒预热到400℃，7075Al+10％SiC复合材料板通过感应加热装置预热到430℃。
(3)将预热好的7075Al+10％SiC复合材料板向前送，并使其前端穿过挤压模孔，以便挤压时7075Al+10％SiC复合材料板能顺利通过模孔。
(4)然后，进行双向侧挤压，挤压比控制在8，出口速度为6m/min。
(5)对挤压后的层状复合材料进行加热，加热温度为450°，保温1h，然后进行多道次热轧，终轧温度控制在410℃以上。
(6)对轧制后的层状复合材料进行固溶和时效处理。
实施例3
一种三层金属层状复合材料(5182Al+非连续体增强复合材料(7075Al+8％SiC)+5182Al)，其制备方法包括以下步骤：
(1)坯料前处理：准备5182铝合金棒料，7075Al+8％SiC复合材料板(厚度约10-15mm)，首先对这些材料进行均匀化处理，然后将均匀化处理后的7075Al+8％SiC复合材料板进行铣削处理，去除表层缺陷和氧化层，将均匀化处理后的5182铝合金棒料车削去除表层缺陷和氧化皮。
(2)将工模具预热到360℃，5182铝合金棒料预热到430℃，将7075Al+8％SiC复合材料板通过感应加热装置预热到430℃。
(3)将预热好的7075Al+8％SiC复合材料板向前送，并使其前端穿过挤压模孔，以便挤压时7075Al+8％SiC复合材料板能顺利通过模孔。
(4)然后，进行双向侧挤压，挤压比控制在8，出口速度为6m/min。
(5)对挤压后的层状复合材料进行加热，加热温度为450℃，保温1h，然后进行多道次热轧，终轧温度控制在410℃以上。
(6)对轧制后的层状复合材料进行固溶和时效处理。
实施例4
一种三层金属层状复合材料(1050Al+非连续体增强复合材料(6061Al+10％SiC)+1050Al)，其制备方法包括以下步骤：
(1)坯料前处理：准备1050铝合金棒材，6061Al+10％SiC复合材料板(厚度约10-15mm)，对这些材料首先进行均匀化处理。将均匀化处理后的6061Al+10％SiC复合材料板进行铣削处理，去除表层缺陷和氧化层，将均匀化处理后的1050铝合金棒料车削去除表层缺陷和氧化皮。
(2)将工模具预热到360℃，1050铝合金棒材预热到400℃，将6061Al+10％SiC复合材料板通过感应加热装置预热到450℃。
(3)将预热好的6061Al+10％SiC复合材料板向前送，并使其前端穿过挤压模孔，以便挤压时6061Al+10％SiC复合材料板能顺利通过模孔。
(4)然后，进行双向侧挤压，挤压比控制在10，出口速度为6m/min。
(5)对挤压后的层状复合材料进行加热，加热温度为450°，保温1h，然后进行多道次热轧，终轧温度控制在410℃以上。
(6)对轧制后的层状复合材料进行固溶和时效处理。
上述实施例获得的复合材料，界面结合为冶金结合，结合良好，降低了界面处应力集中，提高了材料的综合性能。本发明的核心是采用双向侧挤压结合轧制制备三层金属层状复合材料，复合材料中间层为非连续体增强复合材料，其中的挤压和轧制工艺参数可以在一定范围内调整，如挤压温度、挤压速度、挤压比和模具的部分尺寸参数、轧制温度、轧制压下量等。本发明提供的层状复合材料的中间层采用非连续体增强铝基复合材料具有轻质、高比强度、高比刚度和高模量等优点，而外层的变形铝合金可提高抗疲劳性能、断裂韧性和耐腐蚀性能等。从而使该层状复合材料具有非连续体增强铝基复合材料的高比强度、高比刚度和高模量，同时具有变形铝合金良好的抗疲劳性能、断裂韧性和耐腐蚀性能。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种层状复合材料，其特征在于，包括依次相接触的第一变形铝合金层、非连续体增强铝基复合材料层和第二变形铝合金层，所述非连续体增强铝基复合材料层为被包覆的中间层。
2.如权利要求1所述的层状复合材料，其特征在于，所述第一变形铝合金层和第二变形铝合金层为1xxx系、2xxx系、3xxx系、5xxx系、6xxx系或7xxx系变形铝合金。
3.如权利要求1或2所述的层状复合材料，其特征在于，所述非连续体增强铝基复合材料层的增强体为Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC颗粒，或者是Al2O3、SiC、B4C、TiB2或TiC短棒；增强体占非连续体增强铝基复合材料层总量的体积分数为5-20％，所述非连续体增强铝基复合材料层的基体为6xxx系或7xxx系铝合金。
4.如权利要求3所述的层状复合材料，其特征在于，所述增强体的平均粒度为0.3-15μm。
5.如权利要求1-4任一所述的层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述层状复合材料通过挤压复合结合轧制制备而成，所述挤压复合是通过对置于中间的非连续体增强铝基复合材料板利用位于两侧的变形铝合金棒料进行双向侧挤压，所述层状复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
(1)对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行挤压复合的前处理：挤压复合的前处理包括对非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料进行均匀化处理和去除均匀化处理后的非连续体增强铝基复合材料板和变形铝合金棒料的表层缺陷和氧化层；
(2)安装挤压工模具；
(3)对工模具、变形铝合金棒料和非连续体增强铝基复合材料板进行预热；
(4)将预热好的变形铝合金棒料和非连续体增强铝基复合材料板分别置于挤压筒和工模具的腔模中，且使非连续体增强铝基复合材料板的前端通过挤压模模孔；
(5)对两个挤压筒中的变形铝合金坯料进行双向侧挤压，与非连续体增强铝基复合材料板进行复合，得到复合后的挤压板料；
(6)对获得的挤压板料进行多道次热轧，得到热轧板；
(7)对获得的热轧板进行热处理，得到含非连续体增强铝基复合材料层的三层层状复合材料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，挤压工模具由刀模、挤压模及腔模构成，挤压工模具的安装是将刀模置于腔模内，将挤压模置于腔模的另一端，与刀模同轴，然后将腔模装入模座。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，工模具的预热采用模座加热，工模具的预热温度应控制在300-380℃；所述变形铝合金坯料的预热温度控制在400-450℃，变形铝合金采用感应加热结合惰性气体保护的方法进行预热；所述非连续体增强铝基复合材料板的预热方式为：在腔模外侧采用感应加热装置进行快速加热，加热温度控制在430-450℃，同时感应加热区通入氩气进行保护。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述非连续体增强铝基复合材料板置于腔模中，该过程为将预热好的非连续体增强铝基复合材料板从模座的侧部通过刀模轴向中间孔置入至挤压模内。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，对变形铝合金坯料进行双向侧挤压时，控制制品出口速度为1～8m/min，挤压比为5～15。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述对挤压板料进行多道次热轧，其工艺为：加热温度450℃，开轧温度为430℃，终轧温度控制在410℃以上，第1道次和第2道次的压下量为6％，第2道次后每道次压下量为15％，最后一道次的压下量根据最终产品尺寸确定。
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