CN110423959A - 一种铝基高韧性复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝基高韧性复合材料及其制备方法,该铝基高韧性复合材料包括有复合基材、镶嵌在复合基材表面的陶瓷纤维和碳硅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，将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基复合合金的内部，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在复合材料的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基合金的内部，显著地提升了铝基复合材料的强度和韧性，再在复合材料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，也将保护内部的陶瓷纤维和碳硅纤维的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉升强度和抗压强度低的缺陷。

Description

一种铝基高韧性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韧性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；而且非晶状态下的铝合金其韧性也存在较大问题。本发明采用高温急冷以及镶嵌纤维的方式强化铝合金的性质，采用包裹陶瓷纤维和碳硅纤维，显著提升其强度和韧性。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种采用镶嵌陶瓷和碳硅纤维的、抗氧化性和耐高温性强的高韧性的铝基高韧性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：一种铝基高韧性复合材料,该铝基高韧性复合材料包括有复合基材、镶嵌在复合基材表面的陶瓷纤维和碳硅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：铬元素0.5～0.9％、钴元素0.4～0.8％、纳米碳化钨-钴硬质合金3～6％、铜元素4～6％、钨钛合金5～8％、碳化钛3～5％、氧化锰0.8～1.3％、纳米氮化硅/碳化硅粉1～2％，其余为铝元素。

作为优选，所述抗氧化高熵合金层为铝铬钨镍钴钛锰钼，厚度为0.5～1.5mm。

作为优选，所述陶瓷纤维包括有以下组成成分：硼化锆15～25％、硼化铪10～15％、硼化钛20～25％、碳化锆5～15％、碳化钽15～20％、碳化铪5～15％。

作为优选，所述碳硅纤维包括有以下组成成分：纳米碳管纤维40～60％和纳米碳化硅纤维40～50％。

作为优选，所述纳米碳管纤维的直径为5～20nm，纳米碳化硅纤维的直径为10～50nm。

作为优选，所述复合基材在铝基高韧性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韧性复合材料所占的质量百分比为2～5％。

作为优选，所述铝基高韧性复合材料的制备方法包括有以下步骤：

1).熔炼：将组成复合基材的纳米碳化钨-钴硬质合金、钨钛合金、碳化钛和氧化锰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，再加入纳米氮化硅/碳化硅粉，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入铬元素、钴元素、铜元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；

将准备好的陶瓷纤维和碳硅纤维进行裁剪，再将陶瓷纤维和碳硅纤维缓慢加入到熔融的合金液体中，边加边搅拌，使得纤维与熔融合金混合均匀后降温至1000～1500℃；

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，使之达到设计尺寸，并在此基础上对复合材料块体进行打磨和抛光；

4).喷覆：将铝铬钨镍钴钛锰钼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、沉积在周向旋转的复合材料块体的外表面，复合材料块体的旋转速度3～5mm/s，喷覆时控制温度为300～500℃；

5).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；

6).固溶：将步骤5)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韧性复合材料。

本发明的有益效果为：本发明以铝基复合合金作为基底，将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基复合合金的内部，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在复合材料的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基合金的内部，显著地提升了铝基复合材料的强度和韧性，再在复合材料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，也将保护内部的陶瓷纤维和碳硅纤维的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉升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，韧性好，避免出现断裂。

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

一种铝基高韧性复合材料,该铝基高韧性复合材料包括有复合基材、镶嵌在复合基材表面的陶瓷纤维和碳硅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：铬元素0.9％、钴元素0.8％、纳米碳化钨-钴硬质合金6％、铜元素6％、钨钛合金8％、碳化钛5％、氧化锰1.3％、纳米氮化硅/碳化硅粉2％，其余为铝元素；所述抗氧化高熵合金层为铝铬钨镍钴钛锰钼，厚度为1.5mm；所述陶瓷纤维包括有以下组成成分：硼化锆25％、硼化铪15％、硼化钛20％、碳化锆15％、碳化钽15％、碳化铪10％；所述碳硅纤维包括有以下组成成分：纳米碳管纤维60％和纳米碳化硅纤维40％；所述纳米碳管纤维的直径为20nm，纳米碳化硅纤维的直径为50nm；所述复合基材在铝基高韧性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韧性复合材料所占的质量百分比为2％。

进一步地，所述铝基高韧性复合材料的制备方法包括有以下步骤：

1).熔炼：将组成复合基材的纳米碳化钨-钴硬质合金、钨钛合金、碳化钛和氧化锰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，再加入纳米氮化硅/碳化硅粉，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入铬元素、钴元素、铜元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；

将准备好的陶瓷纤维和碳硅纤维进行裁剪，再将陶瓷纤维和碳硅纤维缓慢加入到熔融的合金液体中，边加边搅拌，使得纤维与熔融合金混合均匀后降温至1500℃；

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，使之达到设计尺寸，并在此基础上对复合材料块体进行打磨和抛光；

4).喷覆：将铝铬钨镍钴钛锰钼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0.7MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的复合材料块体的外表面，复合材料块体的旋转速度5mm/s，喷覆时控制温度为500℃；

5).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；

6).固溶：将步骤5)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1h，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韧性复合材料。

所得铝基高韧性复合材料相对密度为94.8％，断裂韧性比纯氧化铝提高79％。

实施例2

一种铝基高韧性复合材料,该铝基高韧性复合材料包括有复合基材、镶嵌在复合基材表面的陶瓷纤维和碳硅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：铬元素0.5％、钴元素0.4％、纳米碳化钨-钴硬质合金3％、铜元素4％、钨钛合金5％、碳化钛3％、氧化锰0.8％、纳米氮化硅/碳化硅粉1％，其余为铝元素；所述抗氧化高熵合金层为铝铬钨镍钴钛锰钼，厚度为0.5mm；所述陶瓷纤维包括有以下组成成分：硼化锆15％、硼化铪15％、硼化钛25％、碳化锆10％、碳化钽20％、碳化铪15％；所述碳硅纤维包括有以下组成成分：纳米碳管纤维50％和纳米碳化硅纤维50％；所述纳米碳管纤维的直径为5nm，纳米碳化硅纤维的直径为10nm；所述复合基材在铝基高韧性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韧性复合材料所占的质量百分比为5％。

进一步地，所述铝基高韧性复合材料的制备方法包括有以下步骤：

1).熔炼：将组成复合基材的纳米碳化钨-钴硬质合金、钨钛合金、碳化钛和氧化锰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，再加入纳米氮化硅/碳化硅粉，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入铬元素、钴元素、铜元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；

将准备好的陶瓷纤维和碳硅纤维进行裁剪，再将陶瓷纤维和碳硅纤维缓慢加入到熔融的合金液体中，边加边搅拌，使得纤维与熔融合金混合均匀后降温至1000℃；

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，使之达到设计尺寸，并在此基础上对复合材料块体进行打磨和抛光；

4).喷覆：将铝铬钨镍钴钛锰钼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0.85MPa氮气将金属液进行雾化，再将雾化液喷覆、沉积在周向旋转的复合材料块体的外表面，复合材料块体的旋转速度3mm/s，喷覆时控制温度为300℃；

5).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；

6).固溶：将步骤5)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韧性复合材料。

所得铝基高韧性复合材料相对密度为93.9％，断裂韧性比纯氧化铝提高77％。

本发明以铝基复合合金作为基底，将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基复合合金的内部，再用耐高温、抗氧化的高熵合金层喷覆在复合材料的表面形成三层结构的铝基复合材料，通过将陶瓷纤维和碳硅纤维包裹在铝基合金的内部，显著地提升了铝基复合材料的强度和韧性，再在复合材料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，也将保护内部的陶瓷纤维和碳硅纤维的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉升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，韧性好，避免出现断裂。

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)

1.一种铝基高韧性复合材料,其特征在于：该铝基高韧性复合材料包括有复合基材、镶嵌在复合基材表面的陶瓷纤维和碳硅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：铬元素0.5～0.9％、钴元素0.4～0.8％、纳米碳化钨-钴硬质合金3～6％、铜元素4～6％、钨钛合金5～8％、碳化钛3～5％、氧化锰0.8～1.3％、纳米氮化硅/碳化硅粉1～2％，其余为铝元素。

2.根据权利要求1所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述抗氧化高熵合金层为铝铬钨镍钴钛锰钼，厚度为0.5～1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述陶瓷纤维包括有以下组成成分：硼化锆15～25％、硼化铪10～15％、硼化钛20～25％、碳化锆5～15％、碳化钽15～20％、碳化铪5～15％。

4.根据权利要求1所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述碳硅纤维包括有以下组成成分：纳米碳管纤维40～60％和纳米碳化硅纤维40～50％。

5.根据权利要求4所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述纳米碳管纤维的直径为5～20nm，纳米碳化硅纤维的直径为10～50nm。

6.根据权利要求1所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述复合基材在铝基高韧性复合材料所占的质量百分比为75～90％。

7.根据权利要求6所述的一种铝基高韧性复合材料，其特征在于：所述抗氧化高熵合金层在铝基高韧性复合材料所占的质量百分比为2～5％。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种铝基高韧性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：将组成复合基材的纳米碳化钨-钴硬质合金、钨钛合金、碳化钛和氧化锰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，再加入纳米氮化硅/碳化硅粉，搅拌至完全熔解并混合均匀，再升温，加入铬元素、钴元素、铜元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀；

将准备好的陶瓷纤维和碳硅纤维进行裁剪，再将陶瓷纤维和碳硅纤维缓慢加入到熔融的合金液体中，边加边搅拌，使得纤维与熔融合金混合均匀后降温至1000～1500℃；

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，使之达到设计尺寸，并在此基础上对复合材料块体进行打磨和抛光；

4).喷覆：将铝铬钨镍钴钛锰钼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、沉积在周向旋转的复合材料块体的外表面，复合材料块体的旋转速度3～5mm/s，喷覆时控制温度为300～500℃；

5).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；

6).固溶：将步骤5)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韧性复合材料。