CN115026306A - 一种异质异构铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种异质异构铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质异构铝基复合材料及其制备方法。所述异质异构铝基复合材料是由铝合金点阵结构与纳米铝合金组成。本发明所述方法为：通过三维建模与选区激光熔化制备Al‑Mg‑Mn‑Sc‑Zr合金点阵结构，采用雾化法制备Al84Ni7Gd6Co3合金粉末，将Al‑Mg‑Mn‑Sc‑Zr合金点阵结构放置于铝制包套中，随后往铝制包套中填充Al84Ni7Gd6Co3合金粉末，压制成生坯；将生坯置于热处理炉中预热，热挤压模具预热后，将生坯置于热挤压模具中，挤压成形异质异构铝基复合材料。本发明制备的复合材料具有高室温强度、高比强度、优良变形能力的优点，可用于汽车工业、航空航天等高性能轻量化结构材料领域。

Description

一种异质异构铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料领域，特别涉及一种异质异构铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝合金由于密度较低、耐腐蚀性优良和比强度较高等优点，被广泛应用到工业领域当中，被认为是轻量化结构材料的代表，但传统方法如铸造、锻造、轧制等工艺制备的商用铝合金强度仍然偏低，随着航空航天、交通运输和国防建设等领域的快速发展，急需发展新型铝基高性能轻量化结构材料[参考文献：Lu K.The future of metals[J].Science.2010,328(5976):319-320.]。为了提高铝合金的综合力学性能，研究人员以铝合金为基体合金开发了多种铝基复合材料，由于铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量和高耐磨性等优良特点，因此在航空航天、军事工业和国计民生中具有广泛的应用前景和重要的产业地位。
金属间化合物是铝合金中重要的第二相，具有与金属基体结合较好，湿润性好，具有高弹性模量和高强度等特点，通过非晶晶化形成的纳米铝合金含有高体积分数金属间化合物和纳米晶铝，强度达到1GPa以上，杨氏模量达到120GPa以上[参考文献：Wang Z,Qu RT,Scudino S,et al.Hybrid nanostructured aluminum alloy with super-highstrength[J].NPG Asia Materials.2015,7(12):229.]。金属间化合物是铝合金中最重要的强化相，对铝合金的强度和塑性具有关键性影响，由于金属间化合物属于脆性相，常以不规则的外形存在于铝合金之中，在试样加载过程中，容易在较低应力下萌生裂纹和断裂，导致在达到其本征强度之前就发生过早的脆性断裂导致材料失效，因此抑制金属间化合物过早发生脆性断裂对提升铝合金塑性具有关键性作用。近期，研究人员发现了异质异构可以综合多种材料的优点，从而获得综合力学性能优异的复合材料，包括兼具良好的塑性和较高的强度[参考文献：Shao C,Zhao S,Wang X,et al.Architecture of high-strengthaluminum–matrix composites processed by a novel microcasting technique[J].NPGAsia Materials.2019,11(1):69.]。
随着材料制备技术的进步，增材制造技术(又称为3D打印)作为一种具有极高设计自由度和近净成形能力的新型材料制备技术登上了历史舞台，选区激光熔化技术作为增材制造金属材料的代表性技术之一被广泛用于快速制造具有复杂结构的金属材料产品，由于选区激光熔化技术在加工金属材料过程中较高的冷却速度能够细化金属材料的微观组织，使得成形的金属材料具有优异的力学性能，特别地，5XXX系Al-Mg合金作为选区激光熔化成形高性能铝合金的代表，相较于铸造态Al-Mg合金具有更高的强度和更为优异的塑性[参考文献：Wang Z,Lin X,Kang N,et al.Strength-ductility synergy of selective lasermelted Al-Mg-Sc-Zr alloy with aheterogeneous grain structure[J].AdditiveManufacturing.2020,34:101260.]；此外，由于增材制造技术具有调控材料性能和结构功能的潜力，能够实现材料的微结构与宏观拓扑结构的并行化制备，因此基于增材制造工艺约束的材料拓扑优化结构得到了快速发展，这为设计异质异构复合材料提供了新方法[廉艳平，王潘丁，高杰，等.金属增材制造若干关键力学问题研究进展[J].力学进展.2021,51(03):648-701.]。然而，目前基于增材制造工艺约束的拓扑优化结构，获得异质异构的一体化材料的材料设计、制备成形工艺和技术方面的研究暂未有报道，因此基于增材制造工艺制备出具有较优综合力学性能的异质异构铝合金具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有高强度和良好塑性的异质异构铝基复合材料及其制备方法，利用高强韧的铝合金点阵结构限制纳米铝合金发生脆性断裂进而阻止材料发生过早失效，采用增材制造技术成形高强韧的铝合金点阵结构，将Al84Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末通过机械振动和冷压工艺填充至铝合金点阵结构中制备成生坯，对生坯和挤压模具进行充分预热后在一定温度下挤压成形得到具有较优综合力学性能的异质异构铝基复合材料。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种异质异构铝基复合材料，所述复合材料是由铝合金点阵结构和纳米铝合金组成。
进一步地，所述的铝基复合材料中铝合金点阵结构的体积分数为40～60％，所述纳米铝合金区域的体积分数为40～60％。
进一步地，所述铝合金点阵结构的合金成分体系优选Al-Mg系合金，其具体成分为Al-5.6Mg-0.5Mn-0.4Sc-0.4Zr-0.6Si(wt.％)，其三维结构为正六边形蜂窝结构，其边长为1～2mm，壁厚为0.5～1mm。
进一步地，所述纳米铝合金区域优选Al84Ni7Gd6Co3合金。
上述异质异构铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用三维设计软件Solidworks设计铝合金点阵结构的三维模型，将模型导入到金属3D打印机中，通过3D打印将Al-Mg系合金粉末制备成具有设计结构的铝合金点阵结构；
(2)包套制坯：选用激光选区熔化制备的铝合金点阵结构和气雾化Al84Ni7Gd6Co3非晶合金粉末放入圆柱形铝制包套中，密封包套，通过机械振动使包套中填充的合金粉末紧实，采用冷压机对紧实后的包套在室温下进行冷压，施加压力为200～300MPa，保压时间为10～15s，制备出用于热挤压的生坯；
(3)热挤压成形：将生坯放置于热挤压模具中，预热生坯至300～500℃，预热模具至300～500℃，生坯保温预热15min，模具保温预热2～4h，然后在挤压压力为500～600MPa，挤压比为8～14的条件下热挤压成形，得到异质异构铝基复合材料。
本发明的原理是：本发明选用Al84Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末，该合金成分属于铝基非晶合金材料体系，因此能够在热加工过程中原位发生晶化生成高体积分数的纳米金属间化合物，由于原位生成的纳米金属间化合物与铝基体结合良好，能够有效承载，进而提高复合材料强度；选用铝合金点阵结构材料为Al-Mg系合金，该系铝合金是选区激光熔化成形铝合金中典型的高强铝合金，兼具较高的强度和塑性；结合选区激光熔化工艺和热挤压工艺，制备出具有高强韧点阵结构的异质异构复合材料，在承载过程中利用点阵结构限制Al84Ni7Gd6Co3合金的脆性断裂进而阻止材料发生过早失效，从而制备具有高室温强度、高比强度、优良变形能力的复合材料。
本发明制备的复合材料及其制备方法具有以下优点：
(1)异质异构铝基复合材料中的两相均为铝合金体系，因此复合材料的密度较低，比强度高，具有较优的综合力学性能，可用作高性能轻量化结构材料；
(2)本发明充分利用了增材制造技术的优势，使得复合材料中的铝合金点阵结构可以通过拓扑优化灵活设计和调控，从而根据实际需求调控复合材料的结构和力学性能；
(3)本发明充分利用了热挤压工艺的优势，热挤压加工使复合材料中的两相发生大量的塑性变形，使得复合材料中的两相实现良好的冶金结合，实现高度的致密化；
(4)本发明的复合材料制备方法具有工艺简单、流程较短、可操作性强等特点，可以推广至其他材料体系。
附图说明
图1为实施例1中异质异构复合材料挤压横截面经过凯勒试剂腐蚀25s后的光学显微镜金相照片；
图2为实施例2中异质异构复合材料挤压横截面经过凯勒试剂腐蚀25s后的光学显微镜金相照片；
图3为实施例3中异质异构复合材料挤压横截面经过凯勒试剂腐蚀25s后的光学显微镜金相照片；
图4为各实施例制备的异质异构铝基复合材料和各对比例制备的实体铝合金压缩力学性能曲线图。
具体实施方式
为了更为直观理解本发明内容，下文将结合实施例和相关附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于以下实施例，通过改变点阵结构的尺寸、合金成分和气雾化铝合金粉末的化学成分，可以在更大范围内实现复合材料的性能调控。需要指出的是，在以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域相关技术人员可以参照现有的技术实现或理解的。所用的试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买所得到的常规产品。
本发明中实施例的制备，包括以下步骤：
(1)选区激光熔化成形铝合金点阵：通过对铝合金点阵进行三维建模，采用选区激光熔化成形铝合金点阵；
(2)包套制坯：将铝合金点阵放置于铝制包套中，将气雾化Al84Ni7Gd6Co3合金粉末填充至铝制包套的铝合金点阵结构中，在室温下施加压力，把包套内的混合物压制成生坯；
(3)热挤压成形：将生坯置于热处理炉中预热，热挤压模具预热，预热完成后，将生坯置于热挤压模具中，挤压成形异质异构铝基复合材料。
在步骤(1)中，所述Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金点阵结构的选用打印参数为激光功率275～325W，激光速度670～730mm/s，铺粉厚度30μm，扫描间隙110μm，层间转角67°。
在步骤(2)中，所述室温下施加压力，所述压力为200～300MPa保压10～15s。
在步骤(3)中，所述生坯置于热处理炉中预热至300～500℃保温15～30min，所述热挤压模具预热至300℃～500℃保温2～4h。
在步骤(3)中，所述挤压的温度为300～500℃，挤压压力为500MPa～600MPa，挤压比为8～14。
实施例1
本实施例原材料分为别：粒径分布为15～53μm的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金粉末和粒径小于48μm雾化法制备的Al84Ni7Gd6Co3合金粉末。本实施所述异质异构铝基复合材料的制备方法，具体包括下述步骤：
(1)利用三维设计软件Solidworks设计铝合金点阵结构，建立点阵结构的三维模型；将模型导入到金属3D打印机中，成形铝合金点阵结构。激光功率为300W，激光速度为700mm/s，铺粉厚度为30μm，扫描间隙为110μm，层间转角为67°，在惰性气体保护下进行打印成形和冷却，得到铝合金点阵，该点阵结构的整体尺寸为φ14×20mm。
(2)将步骤(1)得到的铝合金点阵进行磨粒流工艺处理以提升点阵结构内壁的表面质量，磨粒流工艺中采用的磨料为SiC颗粒，磨粒流压力为60bar，磨粒流时间为8min，磨粒流加工结束后，将铝合金点阵结构放置于酒精溶液中，采用超声波振荡清洗铝合金点阵结构，以除掉铝合金点阵结构中残余的SiC磨料；
(3)包套制坯：将步骤(2)后的铝合金点阵放置于铝制包套中，将Al84Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末填充至铝制包套中，通过机械振动紧实，采用冷压工艺，将铝合金点阵/气雾化合金粉末压制成生坯，冷压压力为200MPa，保压时间为10s；
(4)热挤压成形：将步骤(3)后的冷压生坯放入热处理炉中预热至300℃，热挤压模具预热至300℃，挤压压力约为500MPa，挤压速度为2mm/s，挤压比为10，润滑剂为石墨粉与机油的混合物，热挤压完成后得到异质异构铝基复合材料。图1是经热挤压得到的复合材料经过凯勒试剂腐蚀25s后挤压横截面的光学显微镜金相照片，其中黑色区域为Al84Ni7Gd6Co3合金区域，亮白色区域为Al-Mg-Mn-Sc-Zr点阵结构区域，由图可以看出挤压得到的复合材料点阵结构并未发生明显的扭转，仍呈蜂窝状构型；图4中展示了经热挤压得到的复合材料压缩力学性能，从图中可以看出，复合材料的压缩屈服强度高达745MPa，压缩延伸率约为30％，展示了优异的综合力学性能。
实施例2
本实施例制备的原材料与实施例1相同。本实施所述异质异构铝基复合材料的制备方法，具体包括下述步骤：
(1)该步骤与实施例1中的步骤(1)相同；
(2)该步骤与实施例1中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例1中的步骤(3)相同；
(4)该步骤与实施例1中的步骤(4)稍有不同，其中冷压后生坯放入热处理炉中加热温度为400℃，热挤压模具预热温度为400℃。图2是经热挤压得到的复合材料经过凯勒试剂腐蚀25s后挤压横截面的光学显微镜金相照片，其中黑色区域为Al84Ni7Gd6Co3合金区域，亮白色区域为Al-Mg-Mn-Sc-Zr点阵结构区域，由图可以看出挤压得到的复合材料点阵结构并未发生明显的扭转，仍呈蜂窝状构型；图4中展示了经热挤压得到的复合材料压缩力学性能，从图中可以看出，复合材料的压缩屈服强度高达629MPa，此外兼具极高的压缩塑性，展示了优异的综合力学性能。
实施例3
本实施例制备的原材料与实施例1相同。本实施所述异质异构铝基复合材料的制备方法，具体包括下述步骤：
(1)该步骤与实施例1中的步骤(1)相同；
(2)该步骤与实施例1中的步骤(2)相同；
(3)该步骤与实施例1中的步骤(3)相同；
(4)该步骤与实施例1中的步骤(4)稍有不同，其中冷压后生坯放入热处理炉中加热温度为500℃，热挤压模具预热温度为500℃。图3是经热挤压得到的复合材料经过凯勒试剂腐蚀25s后挤压横截面的光学显微镜金相照片，其中黑色区域为Al84Ni7Gd6Co3合金区域，亮白色区域为Al-Mg-Mn-Sc-Zr点阵结构区域，由图可以看出挤压得到的复合材料点阵结构并未发生明显的扭转，仍呈蜂窝状构型；图4中展示了经热挤压得到的复合材料压缩力学性能，从图中可以看出，复合材料的压缩屈服强度高达542MPa，此外兼具极高的压缩塑性，展示了优异的综合力学性能。
对比例1
作为与本发明实施例的比较，采用粒径小于48μm雾化法制备的Al84Ni7Gd6Co3合金粉末作为原材料，对合金粉末单独进行包套制坯和热挤压变形，具体包括以下步骤：
(1)包套制坯：将Al84Ni7Gd6Co3气雾化合金粉末填充至铝制包套中，通过机械振动紧实，采用冷压工艺，将气雾化合金粉末压制成生坯，冷压压力为200MPa，保压时间为10s；
(2)热挤压成形：将步骤(1)得到的冷压生坯入热处理炉中预热至300℃，热挤压模具预热至300℃，挤压压力约为500MPa，挤压速度为2mm/s，挤压比为10，润滑剂为石墨粉与机油的混合物，热挤压完成后得到块体Al84Ni7Gd6Co3合金。图4中展示了经热挤压得到的Al84Ni7Gd6Co3块体合金压缩力学性能，从图中可以看出，复合材料的压缩屈服强度高达1030MPa，但几乎没有压缩塑性，发生了明显的脆性断裂。
对比例2
作为与本发明实施例的比较，设计圆柱实体结构，采用激光选区熔化成形Al-Mg-Mn-Sc-Zr实体合金作为原材料，对实体合金单独进行热挤压变形，具体包括以下步骤：
(1)利用三维设计软件Solidworks设计尺寸为φ16×20mm的圆柱实体结构，建立合金实体结构的三维模型；将模型导入到金属3D打印机中，成形铝合金实体结构。激光功率为300W，激光速度700mm/s，铺粉厚度为30μm，扫描间隙110μm，层间转角为67°，在惰性气体保护下进行打印成形和冷却，得到铝合金实体。
(2)热挤压成形：将步骤(1)得到的冷压生坯入热处理炉中预热至300℃，热挤压模具预热至300℃，挤压压力约为500MPa，挤压速度为2mm/s，挤压比为10，润滑剂为石墨粉与机油的混合物，热挤压完成后得到Al-Mg-Mn-Sc-Zr实体合金。图4中展示了经热挤压得到的Al-Mg-Mn-Sc-Zr实体合金压缩力学性能，从图中可以看出，合金的压缩屈服强度为506MPa，展示出了极高的压缩塑性。
上述实施例和对比例的压缩力学性能测试结果表明了该异质异构铝基复合材料兼具较高的强度和较好的塑性，揭示了高强韧Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金点阵结构能够有效地阻止纳米铝合金发生脆性断裂，使复合材料展示出了优异的综合力学性能，因此本发明中制备的复合材料作为新型高性能轻量化结构材料具有可观的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替换、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述复合材料由铝合金点阵结构与纳米铝合金组成。
2.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：铝基复合材料中铝合金点阵结构的体积分数为40％～60％，纳米铝合金的体积分数为40％～60％。
3.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述的铝合金点阵结构为Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，其三维结构为正六边形蜂窝结构，其边长为1～2mm，壁厚为0.5～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种异质异构铝基复合材料，其特征在于：所述的纳米铝合金为Al84Ni7Gd6Co3纳米铝合金。
5.权利要求1～4任一项所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选区激光熔化成形铝合金点阵：通过对铝合金点阵进行三维建模，采用选区激光熔化成形铝合金点阵；
(2)包套制坯：将铝合金点阵放置于铝制包套中，将气雾化Al84Ni7Gd6Co3合金粉末填充至铝制包套的铝合金点阵结构中，在室温下施加压力，把包套内的混合物压制成生坯；
(3)热挤压成形：将生坯置于热处理炉中预热，热挤压模具预热，预热完成后，将生坯置于热挤压模具中，挤压成形异质异构铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金点阵结构的选用打印参数为激光功率275～325W，激光速度670～730mm/s，铺粉厚度30μm，扫描间隙110μm，层间转角67°。
7.根据权利要求5所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述室温下施加压力，所述压力为200～300MPa保压10～15s。
8.根据权利要求5所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述生坯置于热处理炉中预热至300～500℃保温15～30min。
9.根据权利要求5所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述热挤压模具预热至300℃～500℃保温2～4h。
10.根据权利要求5所述异质异构铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述挤压的温度为300～500℃，挤压压力为500MPa～600MPa，挤压比为8～14。
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