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Abstract

本发明属金属材料领域，涉及一种高耐热铝合金材料及其制备方法。该材料由纳米AlN粒子和微米级富铝金属间化合物组成，AlN粒子以孪晶方式联结成三维网状。其制备方法为：将工业纯铝粉、氮质体(ZrN、TiN、CrN中的至少一种)、催化剂(石墨烯、氮化硼纳米片中的至少一种)按比例混合均匀，然后压制成预制体，随后在真空炉中反应，控制温度为480～660℃，保温时间为10～180min，即可得到该耐热铝合金材料。本发明材料在700℃以上温度条件下仍能保持一定强度，可用于制造多种耐热铝合金零部件；所用工艺方法采用常规设备，无需特别装置，成本低，操作简便，适合于规模化工业生产。

Description

一种高耐热铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属金属材料领域，特别涉及一种高耐热铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金密度小、比强度高，是交通运输、航空航天和国防等领域轻量化发展的首选材料，但缺点是熔点低、不耐热，在300℃及以上温度环境下力学性能急剧降低，500℃以上开始熔化。轻量化发展和节能减排的急迫需要对铝材料性能提出了更高要求，目前铝合金材料的耐热温度相对较低，能在660℃以上温度服役使用的高强、耐热、抗疲劳铝合金材料尚属空白。比如，在低压铸造生产中，作为压送铝合金熔体通道的升液管是低压铸造机上的关键部件之一，要求其耐热温度达750℃以上，能抗铝合金熔体长时间的冲刷和侵蚀，具有良好的气密性和耐热疲劳性。目前常用的升液管材料有铸铁和陶瓷两种，铸铁升液管易变形和受腐蚀，且污染合金液，工作寿命短；陶瓷升液管抗冲击力学性能较差、难加工、成本高，且难以回收利用。开发一种耐铝液侵蚀、抗冲击、热稳定性好、加工成本低、可回收利用的耐热铝合金材料可解决上述生产难题，并具有重要的应用价值。此外，在交通运输、航空航天等领域，高耐热铝合金可替代传统钢铁耐热材料，大大减轻动力传动件或飞行器关键零部件的重量。因此，高耐热铝合金材料的开发具有重要意义。
目前，常用的耐热铝合金主要为Al–Cu系、Al–Si系和Al–Fe–TM–Si系。Al–Cu系应用较早，但该系合金在高温下基体中亚稳θ'相粗化，导致高温力学性能及抗蠕变性能下降，且其铸造性能和耐蚀性能均较差，线膨胀系数也较大。Al–Si系耐热铝合金主要为Al–Si–Cu–Ni–Mg合金，多用于制造活塞等发动机零部件，该系耐热铝合金铸造性能优良，缺点是高温强度较低。Al–Fe–TM–Si系耐热铝合金经粉末冶金合成，通过快速凝固获得高合金化的过饱和固溶体，并在随后的加热过程中使固溶体脱溶析出体积分数达15％～40％热稳定性良好的金属间化合物颗粒，充分发挥弥散强化和固溶强化效应。该系铝合金材料高温强度、耐热性能均优越于Al–Cu系和Al–Si系，但加工成本过高、密度较大、加工成型困难。此外，以上三类耐热铝合金，均未见在铝熔点以上(660℃)服役的报道。
利用SiC、Al2O3等陶瓷粒子制备复合材料为提升铝合金耐热性能提供了新的可能，如Poletti等人(Poletti C,et al.High–temperature strength of compacted sub–micrometer aluminium powder.Acta Materialia,2010,58(10):3781–3789.)利用冷等静压将铝粉压制成块并在烧结过程中氧化处理，得到了Al2O3增强的铝基复合材料，但该材料即使在520℃时也塑性较差，因而难加工成型。申请者[Ma X,et al.A novel Al matrixcomposite reinforced by nano–AlNp network.Scientific Reports,2016,6:34919.]前期通过液固反应法和挤压成型制备了一种纳米AlN粒子增强铝基复合材料，其350℃的拉伸强度达到193MPa。但该材料以纯铝为基体，不能在铝熔点以上温度服役。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高耐热铝合金材料及其制备方法，该材料在700℃以上温度仍能保持一定强度，可用于制造多种耐热铝合金零部件。
本发明是通过以下方式实现的：
一种高耐热铝合金材料，其特征是铝基体中含有纳米AlN粒子和微米尺度的高熔点富铝金属间化合物，AlN粒子以孪晶方式联结成三维网状结构，富铝金属间化合物填充在网内，对其发挥支撑作用；高熔点富铝金属间化合物为ZrAl3、TiAl3、CrAl7中的至少一种。
一种高耐热铝合金材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉83.0–98.0(尺寸不超过10μm)，氮质体1.0–15.0，催化剂0.1–3.0；其中：氮质体为氮化锆、氮化钛、氮化铬中的至少一种，尺寸不超过2μm；催化剂为石墨烯、氮化硼纳米片中的至少一种；
(2)将步骤(1)原料按比例混合均匀；采用冷/热等静压机将混合后的粉料压制成预制体；
(3)将预制体放于真空炉中，控制温度为480～680℃，保温时间为10～180min。
通过该方法可制备出一种高耐热铝合金材料，其特征是材料制备过程中，氮质体与铝反应生成纳米尺度AlN颗粒和微米尺度富铝金属间化合物(ZrAl3、TiAl3、CrAl7等)。由于AlN颗粒通过原位反应生成，而N和过渡族金属元素Zr、Ti、Cr在铝中固溶度低，上述反应温度条件下获得的AlN和富铝金属间化合物粒子尺寸细小，AlN颗粒尺寸在5～100nm之间，富铝金属间化合物尺寸在2～10μm之间。且由于石墨烯、氮化硼纳米片对AlN生成过程的催化作用，AlN粒子间以孪晶方式联结成三维网状结构，三维网的最小结构单元称之为“网胞”，网胞被纳米AlN粒子所包围，网胞内则填充着微米尺度高熔点的富铝金属间化合物，对其发挥支撑作用；各网胞之间通过三维连续的纳米AlN网联结在一起，从而使低熔点铝合金发挥出高温耐热和高强作用。
发明的高耐热铝合金网胞尺寸在5μm以下。即使在700℃以上温度，铝基体已成液态，只要网胞尺寸足够小，铝液在网胞中因表面张力也难以流动，材料整体也不会发生高温蠕变。此外，网胞间的富铝金属间化合物亦起到重要作用，其尺寸、分布将直接影响AlN网胞的形态和分布。富铝金属间化合物和网胞尺寸可通过调控氮质体和催化剂比例、制备工艺来实现，这同时也是该耐热铝合金材料制备的关键。
具体实施方式
下面给出本发明的五个最佳实施例。
实施例1
(1)按质量分数准备好原料：工业纯铝粉85.0％(尺寸不超过8μm)，氮化锆粉14.0％(尺寸不超过2μm)、石墨烯1.0％，均匀混合；
(2)采用冷等静压机将粉料压制成坯体，坯体成圆柱状，截面直径为50mm，高度100mm；
(3)将压好的坯体放于真空炉中，控制温度为640∽660℃，保温时间为60min。按照上述配比和工艺可得到一种(Al–23ZrAl3–6AlN–1C)高耐热合金材料。
实施例2
(1)按质量分数准备好原料：工业纯铝粉92.0％(尺寸不超过6μm)、氮化钛粉7.0％(尺寸不超过1.5μm)、氮化硼纳米片1.0％，并混合均匀；
(2)采用热等静压机将粉料压制成坯体，坯体成柱状，截面为边长20mm的正方形，高度50mm；
(3)将压好的坯体放于真空炉中，控制温度为580∽600℃，保温30min。
按照上述配比和工艺可得到一种(Al–15TiAl3–6AlN–0.4B)高耐热铝合金材料。
实施例3
(1)按质量分数准备好原料：工业铝粉94.0％(尺寸不超过5μm)、氮化铬粉2.8％(尺寸不超过0.5μm)、氮化钛粉2.8％(尺寸不超过0.5μm)、氮化硼纳米片0.4％，混合均匀；
(2)采用压力机将粉料压制成坯体，坯体成圆柱状，截面直径为40mm，高度20mm；
(3)将压好的坯体放于真空炉中，控制温度为540∽560℃，保温时间为90min。按照上述配比和工艺可得到一种(Al–10CrAl7–6TiAl3–4AlN–0.2B)高耐热铝合金材料。
实施例4
(1)按质量分数准备好原料：工业铝粉90.0％(尺寸不超过3μm)、氮化铬粉3.0％(尺寸不超过0.5μm)、氮化锆粉5.0％(尺寸不超过0.6μm)、氮化硼纳米片1.0％，石墨烯1.0％，混合均匀；
(2)采用压力机将粉料压制成坯体，坯体成圆柱状，截面直径为30mm，高度50mm；
(3)将压好的坯体放于真空炉中，控制温度为620∽640℃，保温时间为65min。按照上述配比和工艺可得到一种(Al–11CrAl7–8ZrAl3–6AlN–1C–0.4B)高耐热铝合金材料。
实施例5
(1)按质量分数准备好原料：工业铝粉89.0％(尺寸不超过4μm)、氮化铬粉4.0％(尺寸不超过0.3μm)、氮化钛粉3％(尺寸不超过0.5μm)、氮化锆粉3％(尺寸不超过0.7μm)、氮化硼纳米片0.5％，石墨烯0.5％，混合均匀；
(2)采用压力机将粉料压制成坯体，坯体成圆柱状，截面直径为60mm，高度25mm；
(3)将压好的坯体放于真空炉中，控制温度为600∽620℃，保温时间为40min。按照上述配比和工艺可得到一种(Al–15CrAl3–7AlN–6TiAl3–5ZrAl3–0.5C–0.2B)高耐热铝合金材料。

Claims (2)

1.一种高耐热铝合金材料，其特征是：铝基体中含有纳米AlN粒子和微米尺度的高熔点富铝金属间化合物，AlN粒子以孪晶方式联结成三维网状结构，富铝金属间化合物填充在网内，对其发挥支撑作用；高熔点富铝金属间化合物为ZrAl3、TiAl3、CrAl7中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种高耐热铝合金材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)首先按以下质量百分比准备好所需原料：工业纯铝粉83.0–98.0，氮质体1.0–15.0，催化剂0.1–3.0；工业纯铝粉尺寸不超过10μm；氮质体为氮化锆、氮化钛、氮化铬中的至少一种，尺寸不超过2μm；催化剂为石墨烯、氮化硼纳米片中的至少一种；
(2)将步骤(1)原料按比例混合均匀；采用冷/热等静压机将混合后的粉料压制成预制体；
(3)将预制体放于真空炉中，控制温度为480～680℃，保温时间为10～180min。
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