CN110484757A - 一种高导耐热原位自生铝基复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高导耐热原位自生铝基复合材料及制备方法，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为5.00％～15.00％，其余为铝。本发明的上述铝基复合材料中，以铝为基体，铈与铝元素形成Al11Ce3金属间化合物，该种金属间化合物热稳定性好，作为复合材料的增强体有效的提升了材料的强度和耐热性。铈元素在铝中固溶度低，同时具有净化铝基体的作用，降低固溶杂质元素对电导率影响，提高复合材料的电导率。

Description

一种高导耐热原位自生铝基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体地，涉及一种高导耐热原位自生复合材料的设计及制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、低密度、膨胀系数小、耐高温、导热耐疲劳性能好等优点，在航空航天工业、汽车以及电子行业具有广阔的应用前景。
复合材料中增强体的引入方式包括外加法和原位自生法，外加增强体的制备工艺中，存在增强体与基体的润湿性差，存在界面反应、增强体分散不均匀等问题，且在增强体外加过程中卷入的气体和氧化膜会在复合材料中形成夹杂和气孔，影响复合材料性能。与外加增强体复合材料相比，原位自生增强复合材料具有增强体热力学稳定性高、与基体界面结合强度高、表面洁净无污染、工艺简单成本低等优点。然而目前原位增强铝基复合材料面临增强相是否能均匀分散的问题，且复合材料的导电性不可避免的随着增强体的引入而显著降低。
经对现有技术文献的检索发现，申请号为201510956925.8的发明专利中，制备颗粒混合铝基复合材料采用液态搅拌混合铸造，但是该专利存在工艺复杂，在搅拌过程中容易卷入气体，所得颗粒尺寸较大，分布不均匀。
申请号为201710216302.6的发明专利中，采用氟锆酸钾和氟钛酸钾为原料，该专利在制备过程中放出含氟有害气体，污染环境，并对人体健康和设备造成严重损害，所以现有原位自生铝基复合材料在制备、增强体分散和导电耐热性能方面存在一定不足。
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高导耐热原位自生铝基原位复合材料及制备方法。
根据本发明第一个方面，提供一种高导耐热原位自生铝基复合材料，所述铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为5.00％～15.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
优选地，所述铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为8.00％～13.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
优选地，所述铝基复合材料的抗拉强度达到280-320MPa，电导率达到57-60％。
根据本发明第二个方面，提供一种高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，包括：
步骤一，将铝锭在熔炉中熔化成铝液，将所述铝液的温度升至720-750℃；步骤一中，将铝液的温度升至720-750℃。当铝液的温度低于720℃熔炼温度过低，不利于合金元素的溶解及气体、夹杂物的排出，增加形成偏析、冷隔、欠铸的倾向。当铝液的温度高于750℃时，吸氢过多，晶粒粗大，铝的氧化严重，导致合金元素的烧损也严重，导致合金的性能的下降。
步骤二，在所述铝液中加入配制所述铝基复合材料所需合金成分的原料，通过调整所述原料中合金添加量使合金成分达到预设成分；
步骤三，对加入各合金成分的原料之后的熔体进行充分搅拌、精炼除气、除渣静置，之后将合金熔体加工成型；
步骤四，对成型后的产品进行变形处理，得到铝基复合材料。
进一步，步骤四之后，还包括步骤五，对变形后的所述铝基复合材料进行热处理，热处理温度为100～500℃，时间为0.5～50小时。以使基体铝回复和动态再结晶，改善变形后铝基体的组织形貌，提高复合材料性能。步骤五为优选步骤，在步骤四变形后材料强度已经得到提高，但材料塑性较差，通过步骤五热处理之后，使材料塑性性能得到明显的改善。
进一步，在步骤三中，步骤三中，将合金熔体加工成型，包括：
在750℃～800℃时，将所述合金熔体进入连铸连轧生产线，得到铝基复合铸条；
再将所述铝基复合铸条在轧机上热轧，进轧温度为500～530℃，获得铝基复合棒材或铝基复合板材。
进一步，在步骤三中，步骤三中，将合金熔体加工成型，包括：将所述合金熔体浇铸成型或者快速凝固成型。
优选地，步骤四中，变形处理包括轧制、拉拔、挤压、锻造。
本发明的上述铝基复合材料中，以铝为基体，铈与铝元素形成铝铈金属间化合物，该种金属间化合物热稳定性好，作为复合材料的增强相有效的提升了材料的强度和耐热性。铈元素在铝中固溶度低，同时具有净化铝基体的作用，降低固溶杂质元素对电导率影响，提高复合材料的电导率。
本发明的上述制备方法中，铝基复合材料熔体凝固成型后，配合轧制或挤压等加工变形，改善增强相形态及分布，变形处理起到破碎层状或棒状铝铈金属间化合物增强相的作用，在变形过程中增强相形态发生变化，逐渐变小变细，且增强相在基体中分布变均匀；变形后热处理起调控基体铝组织形态作用，热处理后强度、耐热性能不降，电导率提高。
与传统铝基复合材料相比，本发明原位自生铝基复合材料，具有以下特征优势：1)增强相原位自生与铝基体存在位向关系，有益于复合材料强度提高；2)增强相颗粒可通过后续变形调控尺寸、在基体中分布，调控增强相颗粒包围铝基体的微观非均匀分布状态提高颗粒承载强化应力，尤其是调控增强相包围铝基体还能够进一步提高复合材料的延展性；3)铈与铝反应生成原位自生增强相，该增强相热稳定性好，保证复合材料的耐热性能，同时铈还起到净化铝基体的作用，提高复合材料导电性；4)铈在我国储量丰富，价格便宜，原位自生铝基复合材料制备工艺简单，对环境危害小。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：
1、本发明所使用原料价格便宜，对环境友好，铈元素在稀土元素中储量丰富，价格低廉。
2、本发明中增强相Al11Ce3原位自生，纯度高，表面洁净，无污染，与基体界面结合强度高；增强相Al11Ce3片层尺寸可在铸造凝固过程通过调节冷却速度等参数改变，后期变形进一步改善增强相尺寸形态及其在增强相中的分布，提高复合材料电导率，增强相尺寸调控简单易行，易于工业化实现。
3、本发明提供的铝基复合材料，具有高电导率和高耐热性，抗拉强度可达280～320MPa，电导率达到57～60％，短期耐热性280℃加热1小时后，强度残存率较高，400℃加热1小时，强度残存率不低于90％，塑性大大提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a是本发明一优选实施例中的铸态复合材料形貌；
图1b是本发明一优选实施例中的轧制后复合材料形貌。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种高导耐热原位自生铝基复合材料，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为11.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
本实施例铝基复合材料中，以铝为基体，铈与铝元素形成Al11Ce3金属间化合物，该金属间化合物的热稳定性好，作为复合材料的增强相有效的提升了材料的强度和耐热性。铈元素在铝中固溶度低，同时具有净化铝基体的作用，降低固溶杂质元素对电导率影响，提高复合材料的电导率。
本实施例上述高导耐热原位自生铝基复合材料，可以采用以下方法制备，具体步骤如下：
步骤一，选择Al 99.8％工业纯铝置于熔炼炉中升温至720℃熔化成铝液。
步骤二，按照Ce 11％成分称取铝铈中间合金配制原料，在步骤一制备的铝液中加入铝铈中间合金，使用石墨棒不断搅拌，使铈搅拌均匀，得到混合熔体。
步骤三，向混合熔体加入除渣除气剂，进行除渣除气处理，可以采用六氯乙烷。待除渣除气完毕后，静置10min，浇铸成铝锭。
步骤四，对铝锭进行轧制变形处理，变形量90％。
步骤五，变形后在390℃热处理1.5h。
参照图1a、图1b所示，轧制前后组织形貌，由图中可以看出轧制后铝基体内金属间化合物增强相破碎，变小变细，先析铝变形过程中变成铝带与破碎金属间化合物增强相形成不均匀分布结构。说明了铝基复合材料中增强相颗粒可通过后续变形调控尺寸、在基体中分布，调控增强相颗粒包围铝基体的微观非均匀分布状态提高颗粒承载强化应力，尤其是调控增强相包围铝基体还能够进一步提高复合材料的延展性。
经测试性能其抗拉强度达到308MPa。电导率为58.5％。短期280℃加热1小时强度残存率为93.1％。
实施例2
本实施例提供一种高导耐热原位自生铝基复合材料，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为5.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
本实施例上述高导耐热原位自生铝基复合材料，可以采用以下方法制备，具体步骤如下：
步骤一，选择Al 99.7％工业纯铝置于熔炼炉中升温至750℃熔化成铝液。
步骤二，按照Ce5％成分称取铝铈中间合金配制原料，在步骤一制备的铝液中加入铝铈中间合金，使用石墨棒不断搅拌，使铈搅拌均匀，得到混合熔体。
步骤三，向混合熔体中加入除渣除气剂，进行除渣除气处理。待除渣除气完毕后，静置10min，浇铸成铝锭。
步骤四，对铝锭进行轧制变形处理，变形量90％。
步骤五，变形后在380℃热处理2h。
经测试性能其抗拉强度达到280MPa。电导率为60.1％。短期280℃加热1小时强度残存率为94.3％。
实施例3
一种高导耐热原位自生铝基复合材料，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为9.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
本实施例上述高导耐热原位自生铝基复合材料，可以采用以下方法制备：
步骤一，选择Al 99.9％工业纯铝置于熔炼炉中升温至730℃熔化成铝液。
步骤二，按照Ce 9％成分称取铝铈中间合金配制原料，在步骤一制备的铝液中加入铝铈中间合金，使用石墨棒不断搅拌，使铈搅拌均匀，得到混合熔体。
步骤三，向混合熔体中加入除渣除气剂，进行除渣除气处理。待除渣除气完毕后，静置10min，将铝水倒入420mm×250mm×60mm水冷模具凝固冷却，形成铸锭。
步骤四，对铸锭沿60mm厚度方向轧制为12mm板材。
步骤五，轧制所得板材板材400℃热处理1h。
经测试性能其抗拉强度300MPa。电导率为59.3％。短期280℃加热1小时强度残存率为94.1％。
实施例4
一种高导耐热原位自生铝基复合材料，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为13.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
本实施例上述高导耐热原位自生铝基复合材料，可以采用以下方法制备，具体步骤如下：
步骤一，选择Al 99.7％工业纯铝置于熔炼炉中升温至740℃熔化成铝液；
步骤二，按照Ce13％成分称取铝铈中间合金配制原料，在步骤一制备的铝液中加入铝铈中间合金，使用石墨棒不断搅拌，使铈搅拌均匀，得到混合熔体。
步骤三，向混合熔体中加入除渣除气剂，进行除渣除气处理，待除渣除气完毕后，静置10min。
步骤四，在0.2MPa N2压力下进行合金喷射沉积，制得厚度27mm沉积坯。对沉积坯进行轧制变形处理以致密化沉积坯。
步骤五，变形后在400℃热处理40h。
经测试性能其抗拉强度310MPa。电导率为58.2％。短期280℃加热1小时强度残存率为95.1％。
实施例5
一种高导耐热原位自生铝基复合材料，铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为15.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
本实施例上述高导耐热原位自生铝基复合材料，可以采用以下方法制备，具体步骤如下：
步骤一，选择Al 99.9％工业纯铝置于熔炼炉中升温至750℃熔化成铝液；
步骤二，按照Ce 15％成分称取铝铈中间合金配制原料，在步骤一制备的铝液中加入铝铈中间合金，使用石墨棒不断搅拌，使铈搅拌均匀，得到混合熔体。
步骤三，向混合熔体中加入除渣除气剂，进行除渣除气处理。待除渣除气完毕后，静置10min。在760℃时，将混合熔体进入连铸连轧生产线，得到铝基复合铸条；再将铝基复合铸条在轧机上热轧，进轧温度为530℃，获得铝基复合棒材。
步骤四，对成型后的产品进行拉拔变形处理，得到铝基复合材料；
步骤五，对变形后的铝基复合材料进行热处理，变形后在200℃热处理45h。
经测试性能其抗拉强度315MPa。电导率为57.7％。短期280℃加热1小时强度残存率为94.1％。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种高导耐热原位自生铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为5.00％～15.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
2.根据权利要求1所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料由以下重量百分含量的元素组成：Ce为8.00％～13.00％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。
3.根据权利要求1所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料的抗拉强度达到280-320MPa。
4.根据权利要求1所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料的电导率达到57-60％。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，其特征在于：包括：
步骤一，将铝锭在熔炉中熔化成铝液，将所述铝液的温度升至720-750℃；
步骤二，在所述铝液中加入配制所述铝基复合材料所需合金成分的原料，通过调整所述原料中合金添加量使合金成分达到预设成分；
步骤三，对加入各合金成分的原料之后的熔体进行充分搅拌、精炼除气、除渣静置，之后将合金熔体加工成型；
步骤四，对成型后的产品进行变形处理，得到铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四之后，还包括步骤五，对变形后的所述铝基复合材料进行热处理，热处理温度为100～500℃，时间为0.5～50小时。
7.根据权利要求5所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，将合金熔体加工成型，包括：
在750℃～800℃时，将所述合金熔体进入连铸连轧生产线，得到铝基复合铸条；
再将所述铝基复合铸条在轧机上热轧，进轧温度为500～530℃，获得铝基复合棒材或铝基复合板材。
8.根据权利要求5所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，将合金熔体加工成型，包括：将所述合金熔体浇铸成型或者快速凝固成型。
9.根据权利要求5所述的一种高导耐热原位自生铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述变形处理包括轧制、拉拔、挤压、锻造中任一种或多种。
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