CN110343913A - 一种铝基高强度复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝基高强度复合材料及其制备方法,该铝基高强度复合材料包括有复合基材、包裹在复合基材表面的编织碳纤维以及喷涂在编织碳纤维表面的抗氧化高熵合金层；本发明以铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在铝基复合合金的外表面，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在编织碳纤维的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将编织碳纤维包裹在铝基合金的外表面，显著地提升了铝基复合材料的强度，再在碳纤维的外表面喷覆抗氧化高熵合金层，进一步提升整个铝基复合材料的抗氧化性、耐高温性，也将保护内部的编织碳纤维的结构完整性，克服了一般铝基合金抗拉强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基合金的残余应力，在高温下力学性能优良。

Description

一种铝基高强度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，具体涉及一种铝基高强度复合材料及其制备方法。
背景技术
汽车工业的迅速发展和不可再生的石油资源逐渐减少的矛盾日趋突出，降低汽车自身的重量越发重要。另一个途径是进一步提高发动机的燃油效率，众所周知，提高发动机耐热温度可提高燃油效率，所以汽车发动机多有铸铁等黑色金属作为发动机用合金材料，但黑色金属密度较高，不利于降低车身重量，因此近年来越来越多的汽车制造商采用铝合金替代铸铁作为发动机用材料。铝合金背身的熔点低，高温容易发生蠕变，导致材料性能失效。因此，只能采用降低发动机工作温度的方法牺牲一部分燃油效率。
1988年美国的Poon研究组和日本的Inoue研究组分别独立发现铝基非晶合金以来，2009年中国学者用直接喷铸法成功制备了尺寸为1mm的铝基非晶合金。铝基非晶合金的拉伸强度可达1500MPa。
铝基非晶合金的热稳定性较差，一般铝合金晶化温度在100℃-300℃之间。因此，铝基非晶合金的一般高温力学性能不稳定，且强度比较低。本发明采用高温急冷的方式强化铝合金的性质，采用编织碳纤维进行包裹，显著提升其强度。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种采用编织碳纤维包裹的、抗氧化性和耐高温性强的高强度的铝基高强度复合材料及其制备方法。
为实现本发明目的，采用的技术方案是：一种铝基高强度复合材料,该铝基高强度复合材料包括有复合基材、包裹在复合基材表面的编织碳纤维以及喷涂在编织碳纤维表面的抗氧化高熵合金层。
作为优选，所述复合基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2～5％、纳米氮化硅3～6％、纳米碳化硅3～8％、中间合金15～20％、镁元素0.8～1.5％、铜元素3.0～4.5％、铬元素0.4～0.8％，其余为铝元素。
作为优选，所述抗氧化高熵合金层为AlCrNiTiWlr，厚度为0.5～1.5mm。
作为优选，所述中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金20～30％、钨-铁-钴-硅合金10～15％、铜-镁-铝-硼合金20～35％、钛-钒-铌-硼合金10～20％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10～15％。
作为优选，所述复合基材在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为75～90％。
作为优选，所述抗氧化高熵合金层在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为2～5％。
作为优选，所述硅铝酸盐包括有以下组成成分：氧化铝20～30％、氧化镁10～15％、二氧化硅30～40％、氧化铍5～10％、氧化锌10～15％、氧化钇5～10％和氧化镧5～10％。
作为优选，所述单根编织碳纤维包含有50000～150000根碳管纤维，单根碳管纤维的直径为10～100nm。
作为优选，所述铝基高强度复合材料的制备方法包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成复合基材的中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入硅铝酸盐、纳米氮化硅和纳米碳化硅，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入镁元素、铜元素、铬元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；
2).浇铸：降温至500～800℃静置10～20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500～800℃浇入预先设定好的铜铸模形成铸坯，将铸坯急速冷却至10～30℃，制备复合材料块体；
3).打磨：将得到的块体使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对块体进行切割，切割出用于缠绕的凹槽，使之达到设计尺寸，并在此进行打磨和抛光；
4).编织：将碳管纤维的头部缠绕在一起，将碳管纤维按照5～10mm/s的转速将碳管纤维拧成碳纤维，再将碳纤维的头部在块体上的凹槽内，对碳纤维进行编织，编织速度为3～8mm/s,将编织碳纤维覆盖在复合材料块体的表面；
5).喷覆：将AlCrNiTiWlr添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液，金属液冷却至500～1000℃后转入到雾化器中，通入气压为0.7～0.85MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的表面包裹有编织碳纤维块体的编织碳纤维的外表面，复合材料块体的旋转速度3～5mm/s，喷覆时控制温度为300～500℃；
6).成型：将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100～200℃，降温速率控制为0.1～0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10～30℃，使之成型；
7).固溶：将步骤6)获得的成型的复合材料块体进行第一级固溶处理，固溶温度为400～450℃，保温时间1～1.5h，在10～30℃的水中冷却，得第一级固溶处理后的复合材料块体；
将第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度为450～480℃，保温时间0.5～1h，在10～30℃的水中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的复合材料块体；
将第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度为150～200℃℃，保温时间3～5h，得到抗氧化的铝基高强度复合材料。
本发明的有益效果为：本发明以铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在铝基复合合金的外表面，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在编织碳纤维的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将编织碳纤维包裹在铝基合金的外表面，显著地提升了铝基复合材料的强度，再在碳纤维的外表面喷覆抗氧化高熵合金层，进一步提升整个铝基复合材料的抗氧化性、耐高温性，也将保护外表面的编织碳纤维的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基合金的残余应力，在高温下力学性能优良，强度好。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明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做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。
实施例1
一种铝基高强度复合材料,该铝基高强度复合材料包括有复合基材、包裹在复合基材表面的编织碳纤维以及喷涂在编织碳纤维表面的抗氧化高熵合金层；所述复合基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐5％、纳米氮化硅6％、纳米碳化硅8％、中间合金20％、镁元素1.5％、铜元素4.5％、铬元素0.8％，其余为铝元素；所述抗氧化高熵合金层为AlCrNiTiWlr，厚度为1.5mm；所述中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金30％、钨-铁-钴-硅合金15％、铜-镁-铝-硼合金35％、钛-钒-铌-硼合金10％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10％；所述复合基材在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为90％；所述抗氧化高熵合金层在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为2％；所述硅铝酸盐包括有以下组成成分：氧化铝30％、氧化镁15％、二氧化硅30％、氧化铍5％、氧化锌10％、氧化钇5％和氧化镧5％；所述单根编织碳纤维包含有150000根碳管纤维，单根碳管纤维的直径为10nm。
进一步地，所述铝基高强度复合材料制备方法包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成复合基材的中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入硅铝酸盐、纳米氮化硅和纳米碳化硅，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入镁元素、铜元素、铬元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；
2).浇铸：降温至800℃静置10min，控制熔体不凝固不结皮，然后在800℃浇入预先设定好的铜铸模形成铸坯，将铸坯急速冷却至30℃，制备复合材料块体；
3).打磨：将得到的块体使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对块体进行切割，切割出用于缠绕的凹槽，使之达到设计尺寸，并在此进行打磨和抛光；
4).编织：将碳管纤维的头部缠绕在一起，将碳管纤维按照10mm/s的转速将碳管纤维拧成碳纤维，再将碳纤维的头部在块体上的凹槽内，对碳纤维进行编织，编织速度为8mm/s,将编织碳纤维覆盖在复合材料块体的表面；
5).喷覆：将AlCrNiTiWlr添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液，金属液冷却至1000℃后转入到雾化器中，通入气压为0.85MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的表面包裹有编织碳纤维块体的编织碳纤维的外表面，复合材料块体的旋转速度5mm/s，喷覆时控制温度为500℃；
6).成型：将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至200℃，降温速率控制为0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至30℃，使之成型；
7).固溶：将步骤6)获得的成型的复合材料块体进行第一级固溶处理，固溶温度为450℃，保温时间15h，在30℃的水中冷却，得第一级固溶处理后的复合材料块体；
将第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度为480℃，保温时间0.5h，在30℃的水中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的复合材料块体；
将第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度为200℃，保温时间3h，得到抗氧化的铝基高强度复合材料。
所得铝基高强度复合材料相对密度为95.8％，抗弯强度为480.6KN/mm2，抗拉强度为481.1KN/mm2，断裂韧性比纯氧化铝提高84％。
实施例2
一种铝基高强度复合材料,该铝基高强度复合材料包括有复合基材、包裹在复合基材表面的编织碳纤维以及喷涂在编织碳纤维表面的抗氧化高熵合金层；所述复合基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2％、纳米氮化硅3％、纳米碳化硅3％、中间合金15％、镁元素0.8％、铜元素3.0％、铬元素0.4％，其余为铝元素；所述抗氧化高熵合金层为AlCrNiTiWlr，厚度为0.5mm；所述中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金20％、钨-铁-钴-硅合金15％、铜-镁-铝-硼合金35％、钛-钒-铌-硼合金15％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉15％；所述复合基材在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为75％；所述抗氧化高熵合金层在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为5％；所述硅铝酸盐包括有以下组成成分：氧化铝20％、氧化镁10％、二氧化硅30％、氧化铍10％、氧化锌10％、氧化钇10％和氧化镧10％；所述单根编织碳纤维包含有50000根碳管纤维，单根碳管纤维的直径为100nm。
进一步地，所述铝基高强度复合材料制备方法包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成复合基材的中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入硅铝酸盐、纳米氮化硅和纳米碳化硅，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入镁元素、铜元素、铬元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；
2).浇铸：降温至500℃静置20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500℃浇入预先设定好的铜铸模形成铸坯，将铸坯急速冷却至10℃，制备复合材料块体；
3).打磨：将得到的块体使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对块体进行切割，切割出用于缠绕的凹槽，使之达到设计尺寸，并在此进行打磨和抛光；
4).编织：将碳管纤维的头部缠绕在一起，将碳管纤维按照5mm/s的转速将碳管纤维拧成碳纤维，再将碳纤维的头部在块体上的凹槽内，对碳纤维进行编织，编织速度为3mm/s,将编织碳纤维覆盖在复合材料块体的表面；
5).喷覆：将AlCrNiTiWlr添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液，金属液冷却至500℃后转入到雾化器中，通入气压为0.7MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的表面包裹有编织碳纤维块体的编织碳纤维的外表面，复合材料块体的旋转速度3mm/s，喷覆时控制温度为300℃；
6).成型：将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100℃，降温速率控制为0.1℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10℃，使之成型；
7).固溶：将步骤6)获得的成型的复合材料块体进行第一级固溶处理，固溶温度为400℃，保温时间1.5h，在10℃的水中冷却，得第一级固溶处理后的复合材料块体；
将第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度为450℃，保温时间1h，在10℃的水中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的复合材料块体；
将第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度为150℃，保温时间5h，得到抗氧化的铝基高强度复合材料。
所得铝基高强度复合材料相对密度为95.1％，抗弯强度为475.3KN/mm2，抗拉强度为477.2KN/mm2，断裂韧性比纯氧化铝提高80％。
本发明以铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在铝基复合合金的外表面，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在编织碳纤维的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将编织碳纤维包裹在铝基合金的外表面，显著地提升了铝基复合材料的强度，再在碳纤维的外表面喷覆抗氧化高熵合金层，进一步提升整个铝基复合材料的抗氧化性、耐高温性，也将保护外表面的编织碳纤维的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基合金的残余应力，在高温下力学性能优良，强度好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种铝基高强度复合材料,其特征在于：该铝基高强度复合材料包括有复合基材、包裹在复合基材表面的编织碳纤维以及喷涂在编织碳纤维表面的抗氧化高熵合金层；
所述复合基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2～5％、纳米氮化硅3～6％、纳米碳化硅3～8％、中间合金15～20％、镁元素0.8～1.5％、铜元素3.0～4.5％、铬元素0.4～0.8％，其余为铝元素。
2.根据权利要求1所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述抗氧化高熵合金层为AlCrNiTiWlr，厚度为0.5～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金20～30％、钨-铁-钴-硅合金10～15％、铜-镁-铝-硼合金20～35％、钛-钒-铌-硼合金10～20％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10～15％。
4.根据权利要求1所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述复合基材在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为75～90％。
5.根据权利要求4所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述抗氧化高熵合金层在铝基高强度复合材料所占的质量百分比为2～5％。
6.根据权利要求1所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述硅铝酸盐包括有以下组成成分：氧化铝20～30％、氧化镁10～15％、二氧化硅30～40％、氧化铍5～10％、氧化锌10～15％、氧化钇5～10％和氧化镧5～10％。
7.根据权利要求1所述的一种铝基高强度复合材料，其特征在于：所述单根编织碳纤维包含有50000～150000根碳管纤维，单根碳管纤维的直径为10～100nm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种铝基高强度复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成复合基材的中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入硅铝酸盐、纳米氮化硅和纳米碳化硅，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入镁元素、铜元素、铬元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；
2).浇铸：降温至500～800℃静置10～20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500～800℃浇入预先设定好的铜铸模形成铸坯，将铸坯急速冷却至10～30℃，制备复合材料块体；
3).打磨：将得到的块体使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对块体进行切割，切割出用于缠绕的凹槽，使之达到设计尺寸，并在此进行打磨和抛光；
4).编织：将碳管纤维的头部缠绕在一起，将碳管纤维按照5～10mm/s的转速将碳管纤维拧成碳纤维，再将碳纤维的头部在块体上的凹槽内，对碳纤维进行编织，编织速度为3～8mm/s,将编织碳纤维覆盖在复合材料块体的表面；
5).喷覆：将AlCrNiTiWlr添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液，金属液冷却至500～1000℃后转入到雾化器中，通入气压为0.7～0.85MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的表面包裹有编织碳纤维块体的编织碳纤维的外表面，复合材料块体的旋转速度3～5mm/s，喷覆时控制温度为300～500℃；
6).成型：将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100～200℃，降温速率控制为0.1～0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10～30℃，使之成型；
7).固溶：将步骤6)获得的成型的复合材料块体进行第一级固溶处理，固溶温度为400～450℃，保温时间1～1.5h，在10～30℃的水中冷却，得第一级固溶处理后的复合材料块体；
将第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度为450～480℃，保温时间0.5～1h，在10～30℃的水中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的复合材料块体；
将第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度为150～200℃，保温时间3～5h，得到抗氧化的铝基高强度复合材料。
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