CN106957975B - 一种高稳定性铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高性能铝合金复合材料技术领域，具体涉及一种高稳定性铝合金复合材料及其制备方法。该复合材料由二碳代‑闭式‑十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括15wt.%～35wt.%二碳代‑闭式‑十二卡硼烷和65wt.%～85wt.%铝合金。发明所述的铝合金复合材料具有优异的化学稳定性、耐高温稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高性能铝合金复合材料技术领域，具体涉及一种高稳定性铝合金复合材料及其制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，随着现在科学技术的不断提高，铝合金的性能也必需随之提高，才能满足人们对产品越来越高的要求，而现有的铝合金具有化学稳定性、耐高温性差的缺陷，从而限制了其在航空、航天等恶劣条件下的使用。
碳硼烷，是由二十面体硼烷结构中的两个BH单元被两个等电荷的CH+单元所取代而形成的，碳硼烷有三种构型：笼状、巢状和网状，其中笼状属于封闭式，巢状和网状属于开放式，其中笼状的碳硼烷数量最多也最稳定。其中，在众多的碳硼烷分子中，二碳代-闭式-十二卡硼烷(C2B10Hl2)，尤其引人注目，常简称为碳硼烷，其由两个碳原子、十个硼原子构成，具有二十面体结构。碳硼烷的笼式结构使其具有很高的热稳定性和化学稳定性，即便是700℃高温或氧化剂、强酸和碱存在下，碳硼烷的性质还是相当稳定。它的笼式结构具有类似于立体苯环一样的超芳香性，碳硼烷体系的缺电子性使相邻键离子化程度增加，稳定性增加，独特的几何形状以及硼原子核的高中子俘获截面，由于其显著的稳定性能。
利用碳硼烷来增强铝合金材料，可以大大提高铝合金的化学稳定性、耐高温稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是研制出一种高稳定性铝合金复合材料，本发明所述的铝合金复合材料具有优异的化学稳定性、耐高温稳定性。
本发明的技术方案为：
一种高稳定性铝合金复合材料，该复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括15wt.％～35wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和65wt.％～85wt.％铝合金。
作为优选，所述高稳定性铝合金复合材料包括20wt.％～30wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和70wt.％～80wt.％铝合金。
作为优选，所述高稳定性铝合金复合材料包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
作为优选，所述铝合金的化学成分包括：
1.0～2wt％的Fe；
0.3～0.5wt％的Cu；
0.8～1.3wt％的Co；
1.0～1.5wt％的Be；
0.5～1.0wt％的Ni；
0.3～0.8wt％的Mo；
0.3～0.5wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述稀土元素RE为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或多种。
本发明的目的之二是提供一种高稳定性铝合金复合材料的制备方法，本发明采用如下技术方案：
一种高稳定性铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；
(2)将步骤1制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤1制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4～6小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间3～5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25～30MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；
(5)将烧结后的试样在400℃条件下下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到所述高稳定性铝合金复合材料。
作为优选，所述铝合金各原料粉体的粒度为30～35μm，所述二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末粒径为10～20μm。
本发明的有益效果
(1)本发明所述的高稳定性铝合金复合材料，是利用碳硼烷来增强铝合金，所得产物的稳定性能得到了较大提升。本发明所用铝合金中添加了各种元素，可以在合金中形成高温强化相，提高合金的耐热性，可防止合金元素的氧化、烧损和吸气，提高合金的冶炼质量；碳硼烷的笼式结构使其具有很高的热稳定性和化学稳定性，即便是700℃高温或氧化剂、强酸和碱存在下，碳硼烷的性质还是相当稳定，碳硼烷的加入可以大大增强铝合金材料的热稳定性和化学稳定性。
(2)本发明所述的高稳定性铝合金复合材料的制备工艺，将碳硼烷粉末和铝合金原料粉末混料，通过表面活化、等离子活化烧结，在烧结过程中，颗粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递得到促进，晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶粒扩散都得到加强，加快了致密化过程，并且升温速度快，保温时间短，实现铝基复合材料的快速烧结，不仅可以节约能量、节约时间、提高设备效率，而且抑制了晶粒的长大，所得烧结样品晶粒均匀，致密度高，力学性能好。在低温下实现铝基复合材料的致密化，防止了铝基体与碳硼烷颗粒之间发生反应，再进行热处理获得纳米尺寸分布的时效析出强化相，最终使得铝基体组织处于多相细小弥散分布，以及碳硼烷颗粒强化相均匀分布状态，制备出接近全致密的高性能烧结试样。
具体实施方式
实施例1
一种高稳定性铝合金复合材料，该复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合
金基体组成，包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
作为优选，所述稀土元素RE为Pm和Lu。
实施例2
一种高稳定性铝合金复合材料，该复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括20wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和80wt.％铝合金。
作为优选，所述铝合金的化学成分包括：
1.0wt％的Fe；
0.3wt％的Cu；
1.3wt％的Co；
1.0wt％的Be；
0.5wt％的Ni；
0.3wt％的Mo；
0.4wt％的RE；
余量为铝。
所述稀土元素RE为Lu。
实施例3
一种高稳定性铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；所述铝合金各原料粉体的粒度为30～35μm，所述二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末粒径为10～20μm；
(2)将步骤1制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤1制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；
(5)将烧结后的试样在400℃条件下下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到所述高稳定性铝合金复合材料。
实施例4
对本发明实施例1、2所得铝合金复合材料在常温、常压下进行性能测试，与现有技术相比结果如表1所示。
表1.机械性能测试结果
| 名称 | 实施例1 | 实施例2 | 现有技术 |
| 屈服强度/MPa | 644 | 648 | 280 |
| 拉伸强度/MPa | 700 | 705 | 322 |
| 弹性模量GPa | 243 | 252 | 208 |
| 硬度/HV | 195 | 194 | 120 |
| 抗弯强度/MPa | 653 | 650 | 302 |
通过表1可以看出，本发明所得铝合金复合材料与现有技术相比，在屈服强度、拉伸强度、硬度、弹性模量和抗弯强度方面都得到了明显提升，具有优异的机械性能。
对本发明实施例1、2所得铝合金复合材料通过浸泡法进行耐航空煤油，耐酸，耐碱，耐溶剂性能测试，于25℃在各种介质中浸泡120h的质量增加见表2。
表2.化学稳定性能测试结果
将本发明实施例1、2所得铝合金复合材料在600℃下5h，然后常温测试其力学性能，测试结果如表3所示。
表3.耐热稳定性能测试
| 名称 | 实施例1 | 实施例2 |
| 屈服强度/MPa | 645 | 643 |
| 拉伸强度/MPa | 702 | 701 |
| 弹性模量/GPa | 240 | 247 |
| 硬度/HV | 197 | 195 |
| 抗弯强度/MPa | 653 | 658 |
由表3可以看出，本发明所得铝合金复合材料在600℃下5h后其屈服强度、拉伸强度、硬度、弹性模量和抗弯强度相差不大，说明本发明所得铝合金复合材料具有优异的耐热稳定性能。
Claims (6)
1.一种高稳定性铝合金复合材料，其特征在于，该复合材料由二碳代-闭式-十二卡硼烷增强相和铝合金基体组成，包括15wt.％～35wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和65wt.％～85wt.％铝合金，所述铝合金的化学成分包括：
1.0～2wt％的Fe；
0.3～0.5wt％的Cu；
0.8～1.3wt％的Co；
1.0～1.5wt％的Be；
0.5～1.0wt％的Ni；
0.3～0.8wt％的Mo；
0.3～0.5wt％的RE；
余量为铝；
所述高稳定性铝合金复合材料由以下方法制备：
(1)将二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末和铝合金各原料粉体进行烘干处理，然后放入“V”型混粉机中，在转速35r/min的条件下混合36h；
(2)将步骤( 1) 制得的混合粉体放入VC高效混合机中，在转速120r/min的条件下混合60min；
(3)将步骤( 1) 制得的混合粉体置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为30∶1，球磨4～6小时；
(4)将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的石墨模具内，在等离子活化烧结炉内进行表面活化处理，加载时间3～5min、电压30kV、电流80A；然后在等离子活化烧结炉内进行等离子活化烧结，升温速率40℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为25～30MPa，烧结温度550℃，保温时间10min；将烧结后的试样在400℃条件下下保温5h，然后淬火，淬火后在100℃下保温40h，即得到所述高稳定性铝合金复合材料。
2.根据权利要求1所述高稳定性铝合金复合材料，其特征在于：包括20wt.％～30wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和70wt.％～80wt.％铝合金。
3.根据权利要求1所述高稳定性铝合金复合材料，其特征在于：包括25wt.％二碳代-闭式-十二卡硼烷和75wt.％铝合金。
4.根据权利要求1所述高稳定性铝合金复合材料，其特征在于：所述所述铝合金的化学成分包括：
1.8wt％的Fe；
0.8wt％的Cu；
1.0wt％的Co；
1.3wt％的Be；
0.6wt％的Ni；
0.5wt％的Mo；
0.3wt％的RE；
余量为铝。
5.根据权利要求1所述高稳定性铝合金复合材料，其特征在于：所述稀土元素RE为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或多种。
6.如权利要求1所述高稳定性铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝合金各原料粉体的粒度为30～35μm，所述二碳代-闭式-十二卡硼烷粉末粒径为10～20μm。
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