CN108998699A

CN108998699A - 一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用

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Publication number: CN108998699A
Application number: CN201810854451.XA
Authority: CN
Inventors: 李险峰; 吴量; �吴; 吴一; 赵博文; 马乃恒; 王浩伟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: CN108998699B

Abstract

本发明提供了一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用，所述铝锂基复合材料粉末包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；所述基体合金包括：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2％、Zr 0.1％～0.2％、Mg 0.4％～0.5％、Sc 0.15％～0.2％、Cd 0.1％～0.2％和余量为Al；所述增强相为TiB₂颗粒。所述制备方法包括以纯铝、纯Li或Al‑Li中间合金、Al‑Cu中间合金、Al‑Zr中间合金、Al‑Sc中间合金、Al‑Mg中间合金、Al‑Cd中间合金、以及TiB₂/Al母材为原料，制得中间熔体，将中间熔体通过气雾化制备复合材料粉体，最后经均匀化热处理，即得。本发明制备的铝锂合金粉末具备更高的激光吸收率，更加适用于激光增材制造技术。

Description

一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料粉末制备技术领域，涉及一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用，尤其涉及一种轻质高强高模纳米颗粒增强铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用。

背景技术

航空航天、国防军工等高尖端领域对材料力学性能的要求越来越苛刻，不仅要求具备高强度高塑性的同时，还需具有高的比刚度和比模量，导致对大型、复杂、精密的轻质高强高模材料构件的需求越来越迫切。

铝锂合金由于其具有密度低、模量高、比特性高等特点，得到了广泛的关注和应用。航空航天、国防军工等领域的飞速发展，对材料力学性能以及结构复杂程度提出了新的要求。然而，传统浇铸工艺制备得到的铝基复合材料外形受到模具的制约，其组织往往表现为粗大的枝状晶，增强体容易在晶界上偏聚，合金元素也出现一定的偏析情况，给材料的性能带来不利的影响。而激光增材制造的出现可以很好地解决了上述难题。激光增材制造技术可以解决兼顾复杂形状和高性能金属构件快速制造的技术难题，由于冷却速度极快，可以极大地细化晶粒，改善颗粒及合金元素分布，使得微观组织更加均匀，从而提高材料的塑性、强度及耐腐蚀性能。目前，激光增材制造在不锈钢、钛合金和高温合金等方面的研究和应用已经日益成熟，然而铝及其合金由于其具有流动性差、激光反射率高、热导率大、易氧化等特点，给成形过程带来极大的困难，可供使用的合金粉末种类有限，极大的限制了铝基复合材料在增材制造领域的发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法和应用。

原位自生陶瓷颗粒增强铝锂基复合材料通过在基体合金中添加纳米陶瓷颗粒，进一步提高了材料的比强度、比模量、耐磨性等力学性能，表现出广阔的应用前景。由于TiB₂颗粒的激光反射率较低(约20％)，铝基复合材料由于TiB₂颗粒的存在，大大提高了粉末材料对于激光的吸收率，同时均衡了试样内部的热量分布，有望改善上述问题。将轻质高强高模的原位自生铝锂基复合材料和先进的激光增材制造技术相结合，对于推动航空航天事业的发展具有重大意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供一种铝锂基复合材料粉末，所述铝锂基复合材料粉末包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；

以占所述铝锂基复合材料粉末的总重量计，所述基体合金包括：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2％、Zr 0.1％～0.2％、Mg 0.4％～0.5％、Sc 0.15％～0.2％、Cd 0.1％～0.2％和余量为Al；所述增强相为TiB₂颗粒。上述基体合金的组分与含量也可相应表述为Al-Li(2.5～3.5)-Cu(1～2)-Zr(0.1～0.2)-Mg(0.4～0.5)-Sc(0.15～0.2)-Cd(0.1～0.2)。

优选地，所述TiB₂颗粒的尺寸为30～600nm。若低于30nm，颗粒极易发生团聚；高于600nm，颗粒强化效果降低。纳米级TiB₂颗粒均匀弥散分布于铝锂合金基体中，复合材料晶粒组织为均匀细小的等轴纳米晶。

优选地，所述TiB₂颗粒在铝锂基复合材料粉末中的含量为1～15wt％。如果含量过低(低于1wt％)，则很难起到有效的强韧化效果；若含量过高(高于15wt％)，则会严重损害合金塑性，且给制备过程增加难度。

优选地，所述铝锂基复合材料粉末的中值粒径在3～180μm。

第二方面，本发明提供一种铝锂基复合材料粉末的制备方法，包括如下步骤：

S1、将纯铝放入坩埚中加热熔融，撒入覆盖剂覆盖后升温进行熔炼；

S2、将KBF₄、K₂TiF₆粉末均匀混合，烘干后加入步骤S1所得的熔体中，搅拌均匀；

S3、待步骤S2中反应结束后，扒去反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在保护气条件下，加入纯Li或Al-Li中间合金，向熔体中添加精炼剂进行除气精炼，控制温度为650～800℃静置10～20min；

S4、将步骤S3所得的熔体在650～1200℃进行真空气雾化得到粉末，经筛选，得到合适尺寸的铝锂基复合材料粉末；

S5、将经步骤S4筛选得到铝锂基复合材料粉末进行均匀化热处理，即得。

优选地，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至650～950℃。

优选地，步骤S2中，所述KBF₄、K₂TiF₆的质量比为1:0.5～1:2。

优选地，步骤S3中，所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂。所述保护气为氩气。

优选地，步骤S3中，加入Al-Cu中间合金、、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金以及纯Li或Al-Li中间合金的质量比应保证配制合金成分质量分数为Al-Li(2.5％～3.5％)-Cu(1％～2％)-Zr(0.1％～0.2％)-Mg(0.4％～0.5％)-Sc(0.15％～0.2％)-Cd(0.1％～0.2％)。

优选地，步骤S3中，控制温度为740～750℃下静置15min。

优选地，步骤S4中，所述真空气雾化的条件为熔液温度700～1200℃，使用Ar、He或者混合气保护并气雾化，气压0.5～10MPa，喷嘴直径0.5～5mm。

优选地，步骤S5中，所述均匀化热处理的温度为500～540℃，热处理的时间为24～32h。均匀化温度较低，难以达到理想的均匀化效果；温度过高，容易引起局部熔化，导致过烧。

第三方面，本发明提供一种铝锂基复合材料粉末在激光增材制造中的应用。

本发明提供一种轻质高强高模纳米颗粒增强铝锂基复合材料粉体及其制备方法和应用，该粉末能同时具备高激光吸收率，高球形率，工艺操作简单易行，低成本高效率，适合进行批量生产。制备的纳米复合材料粉末适合用于激光增材制造和粉末冶金。主要通过原位自生混合盐法，制备出的纳米颗粒增强铝锂合金复合熔体，再利用真空气雾化法，得到轻质高强高模铝锂基复合材料的粉体，随后结合热处理工艺，制备出了高激光吸收率的铝锂基复合材料粉末。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供一种轻质高强高模纳米颗粒增强铝锂基复合材料粉体及其制备方法和应用，结合了原位自生纳米陶瓷颗粒和铝锂合金两者的优势，微观组织得到极大的细化，大幅度提高材料力学性能的同时，极大地提高了材料粉体的激光吸收率，在航空航天领域具有巨大的应用前景。

2、本发明的铝锂基复合材料粉末的球形率＞90％，粉体收得率≥80％，激光吸收率>30％。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法包括：

以纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、纯Li或Al-Li中间合金、KBF₄以及K₂TiF₆为原料配制了原位自生5wt.％TiB₂增强Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr-0.5Mg-0.2Sc-0.1Cd复合材料。先将高纯铝锭放入坩埚中熔化后撒入JZF-03型高温覆盖剂覆盖；将K₂TiF₆、KBF₄按质量比2:1均匀混合，烘干后加入铝液中；待反应完全后，扒除反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-12Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在氩气保护条件下加入纯Li或Al-Li中间合金，随后向熔体中加入JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在740～750℃下静置15min，然后通过真空气雾化制粉。其气雾化工艺为：熔液温度900℃，使用Ar保护并气雾化，气压2.35MPa，喷嘴直径2.04mm。均匀化热处理的温度为500℃，热处理的时间为24h。

所制得的粉末平均直径43μm，球形率＞90％，收得率≥80％，TiB₂颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸360nm，激光吸收率66％。

实施例2

以纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金、纯Li或Al-Li中间合金、KBF₄以及K₂TiF₆为原料配制了原位自生5wt.％TiB₂增强Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr-0.5Mg-0.2Sc-0.2Cd复合材料。先将高纯铝锭放入坩埚中熔化后撒入JZF-03型高温覆盖剂覆盖；将K₂TiF₆、KBF₄按质量比2:1均匀混合，烘干后加入铝液中；待反应完全后，扒除反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-12Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在氩气保护条件下加入纯Li或Al-Li中间合金，随后向熔体中加入JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在740～750℃下静置15min，然后用真空气雾化制粉。其气雾化工艺为：熔液温度700℃，使用Ar保护并气雾化，气压3.12MPa，喷嘴直径1.72mm。均匀化热处理的温度为520℃，热处理的时间为28h。

所制得的粉末平均直径26μm，球形率＞90％，收得率≥75％，TiB2颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸220nm，激光吸收率67％。

实施例3

以纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金、纯Li或Al-Li中间合金、KBF₄以及K₂TiF₆为原料配制了原位自生10wt.％TiB₂增强Al-3Li-1.5Cu-0.2Zr-0.4Mg-0.15Sc-0.2Cd复合材料。先将高纯铝锭放入坩埚中熔化后撒入JZF-03型高温覆盖剂覆盖；将K₂TiF₆、KBF₄按质量比2:1均匀混合，烘干后加入铝液中；待反应完全后，扒除反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-12Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在氩气保护条件下加入纯Li或Al-Li中间合金，随后向熔体中加入JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在740～750℃下静置15min，然后用真空气雾化制粉。其气雾化工艺为：熔液温度820℃，使用He保护并气雾化，气压1.82MPa，喷嘴直径2.16mm。均匀化热处理的温度为540℃，热处理的时间为32h。

所制得的粉末平均直径33μm，球形率＞85％，收得率≥70％，TiB₂颗粒含量10wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸270nm，激光吸收率62％。

实施例4

以纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金、纯Li或Al-Li中间合金、KBF₄以及K₂TiF₆为原料配制了原位自生8wt.％TiB₂增强Al-2.5Li-2Cu-0.2Zr-0.5Mg-0.15Sc-0.2Cd复合材料。先将高纯铝锭放入坩埚中熔化后撒入JZF-03型高温覆盖剂覆盖；将K₂TiF₆、KBF₄按质量比2:1均匀混合，烘干后加入铝液中；待反应完全后，扒除反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-12Zr中间合金、、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在氩气保护条件下加入纯Li或Al-Li中间合金，随后向熔体中加入JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在740～750℃下静置15min，然后用真空气雾化制粉。其气雾化工艺为：熔液温度900℃，使用He保护并气雾化，气压4.32MPa，喷嘴直径2.16mm。均匀化热处理的温度为520℃，热处理的时间为32h。

所制得的粉末平均直径26μm，球形率＞90％，收得率≥75％，TiB2颗粒含量8wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸280nm，激光吸收率65％。

实施例5

以纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金、纯Li或Al-Li中间合金、KBF₄以及K₂TiF₆为原料配制了原位自生8wt.％TiB₂增强Al-3Li-2Cu-0.2Zr-0.5Mg-0.2Sc-0.2Cd复合材料。先将高纯铝锭放入坩埚中熔化后撒入JZF-03型高温覆盖剂覆盖；将K₂TiF₆、KBF₄按质量比2:1均匀混合，烘干后加入铝液中；待反应完全后，扒除反应副产物，依次加入Al-Cu中间合金、Al-12Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cd中间合金，在氩气保护条件下加入纯Li或Al-Li中间合金，随后向熔体中加入JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在740～750℃下静置15min，然后用真空气雾化制粉。其气雾化工艺为：熔液温度1200℃，使用50％Ar和50％He混合气保护并气雾化，气压3.17MPa，喷嘴直径2.06mm。均匀化热处理的温度为500℃，热处理的时间为32h。

所制得的粉末平均直径19μm，球形率＞90％，收得率≥65％，TiB₂颗粒含量8wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸170nm，激光吸收率70％。

实施例6

本实施例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：基体合金为Al-2.5Li-1Cu-0.15Zr-0.45Mg-0.2Sc-0.1Cd。

所制得的粉末平均直径35μm，球形率＞90％，收得率≥75％，TiB2颗粒含量8wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸320nm，激光吸收率68％。

实施例7

本实施例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：基体合金为Al-3.5Li-1.5Cu-0.1Zr-0.45Mg-0.18Sc-0.15Cd。

所制得的粉末平均直径30μm，球形率＞90％，收得率≥80％，TiB2颗粒含量8wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸285mnm，激光吸收率71％。

对比例1

本对比例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，复合材料粉末中Li的含量为2％。

对比例2

本对比例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，复合材料粉末中Li的含量为4％。

对比例3

本对比例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，复合材料粉末中Sc的含量为0.13％。

对比例4

本对比例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，复合材料粉末中Zr的含量为0.21％。

对比例5

本对比例提供一种铝锂基复合材料粉末及其制备方法。具体制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，复合材料粉末中Cd的含量为0.22％。

性能测试结果

表1对比例1-5的的性能测试结果

根据上表1中结果，比较对比例和实施例5可知，当铝锂基复合材料粉末Li的含量过低或过高，微量元素Sc的含量过低以及微量元素Zr和Cd含量过高时，均会导致粉末平均直径增加，球形率降低，复合材料粉末晶粒的平均尺寸增大，从而严重影响复合材料粉体在激光增材制造中应用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种铝锂基复合材料粉末，其特征在于，所述铝锂基复合材料粉末包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；

以占所述铝锂基复合材料粉末的总重量计，所述基体合金包括：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2％、Zr 0.1％～0.2％、Mg 0.4％～0.5％、Sc 0.15％～0.2％、Cd 0.1％～0.2％和余量为Al；所述增强相为TiB₂颗粒。

2.根据权利要求1所述的铝锂基复合材料粉末，其特征在于，所述TiB₂颗粒的尺寸为30～600nm。

3.根据权利要求1所述的铝锂基复合材料粉末，其特征在于，所述TiB₂颗粒在铝锂基复合材料粉末中的含量为1～15wt％。

4.根据权利要求1所述的铝锂基复合材料粉末，其特征在于，所述铝锂基复合材料粉末的中值粒径在3～180μm。

5.一种根据权利要求1所述的铝锂基复合材料粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的铝锂基复合材料粉末的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至650～950℃。

7.根据权利要求5所述的铝锂基复合材料粉末的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂。

8.根据权利要求5所述的铝锂基复合材料粉末的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述真空气雾化的工艺为熔液温度700～1200℃，使用Ar、He或者混合气保护并气雾化，气压0.5～10MPa，喷嘴直径0.5～5mm。

9.根据权利要求5所述的铝锂基复合材料粉末的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述均匀化热处理的温度为500～540℃，热处理的时间为24～32h。

10.一种根据权利要求1所述的铝锂基复合材料粉末在激光增材制造中的应用。