CN115029590A

CN115029590A - 一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料及制备方法

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Publication number: CN115029590A
Application number: CN202210794708.3A
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 赵建融; 聂金凤; 陈玉瑶; 赵永好; 范勇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: CN115029590B

Abstract

本发明为一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料及制备方法。以工业纯铝粉、0.3wt％～0.5wt％的高纯钪粉、高纯铜粉和铝‑氮化铝合金粉为原料，采用真空烧结然后挤压的方式制备复合材料，铝‑氮化铝合金粉富含薄片状的纳米AlN颗粒，且AlN含量为30％，Sc元素调控AlN颗粒的界面结构以及分布状态，使其由网络状分布转变为多段式分布，抑制了颗粒在高温下的粗化现象，将颗粒的尺寸控制在纳米尺度。本发明利用钪元素对其表面进行改性，以此限制颗粒在高温时的进一步粗化，并改善其在基体合金中的分布状态，使原有的网络状分布被打散形成多段式的分布，并且在一定程度上对改性后的AlN粒子实现了尺寸控制，因此可以获得纳米尺度的陶瓷颗粒。

Description

一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料及制备方法。

背景技术

在种类众多的有色金属中，铝合金质轻且柔软，其密度约为钢的三分之一，但经过热处理强化及合金化强化后，却能够达到与低碳钢接近的强度值，并且铝合金导热性仅次于铜，机械加工性能远高于传统钢铁，表面的氧化膜还使其具有良好的耐蚀性，综合来看性能优异，使铝合金在我国工业轻量化战略中具有不可估量的地位，现已广泛的应用于车辆工程、城市轨道交通、化学工业、航空航天以及电子封装行业。但是由于铝合金本身的刚度较低，其弹性模量通常在70GPa左右，难以通过合金化来提升。近年来，颗粒增强铝合金材料领域发展迅猛，颗粒增强铝合金是将质轻且柔软的铝合金与坚硬、不易变形的陶瓷颗粒均匀混合，细化铝合金的晶粒组织并在一定程度上提高材料的刚度，展现出与铝合金基体大不相同的物理与力学性能。其中，围绕着陶瓷颗粒的种类和尺寸以及颗粒增强铝合金的制备方法，相关研究已进行了深层次多角度的探索，在工业制备高性能结构材料和功能材料方面应用前景广阔。据相关研究表明，通过添加高模量的增强相有助于提高铝合金的刚度。相比常见的陶瓷颗粒增强相，比如TiB₂、TiC、Al₂O₃等，AlN具有更低的密度(3.26g/cm³)。同时其弹性模量达310GPa，对铝基体的刚度有显著的改善作用。

目前一些研究通过在铝基复合材料中原位生成AlN颗粒来制备轻质且具有优异力学性能的材料，专利(专利号:CN201910994607.9)“纳米AlN颗粒增强混晶耐热铝基复合材料及制备方法，聂金凤，陆峰华，刘相法”报道了一种高强高韧耐热AlN颗粒增强铝基混晶复合材料及其制备方法，该方法通过对原材料粉末进行热等静压烧结以及固溶处理，来制备出材料组织整体呈粗晶和细晶交替分布的条带状组织，粗晶部分为工业纯铝，细晶部分为固溶有镁元素的铝-镁合金和AlN纳米颗粒，尽管该材料通过背应力强化效应的确实现了良好的强度性能，但细晶部分的颗粒团聚现象仍然不可避免地会对材料的刚度产生很大的负面影响。另外由于该材料内部AlN颗粒分布不均，致使材料导热性能变差，难以适应高温条件下的应用。

除上述制备手段外，仍有很多利用其他方法制备生成的AlN颗粒增强金属基复合材料，其中仍然存在着一定的问题，包括：

(1)在AlN颗粒的长大过程中，复合材料内部不具备限制颗粒长大的其他合金元素，这导致了合金中AlN颗粒的尺寸不易控制，生成的许多大尺寸颗粒甚至会对材料的力学性能产生抑制作用；

(2)AlN颗粒的界面与铝基体之间的润湿性差，颗粒易发生团聚，进而在复合材料中呈网络状分布，严重影响合金的各项力学性能；

(3)为提高AlN/Al复合材料的导热性，通常会向其中加入Cu等元素，但却没有对复合材料中可能生成的尺寸较大的硬脆相进行处理，如Al₂Cu等，导致材料过早失效。

另外，大部分的AlN颗粒增强铝基复合材料只在强度、刚度和塑性中的某一方面进行优化，并未考虑到综合力学性能的提高，其应用受到很大的局限，不能充分发挥粒子的最大性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料的制备方法，以工业纯铝粉、0.3wt％～0.5wt％的高纯钪粉、高纯铜粉和铝-氮化铝合金粉为原料，采用真空烧结然后挤压的方式制备复合材料，其中的铝-氮化铝合金粉富含薄片状的纳米AlN颗粒，且AlN含量为30％，Sc元素调控AlN颗粒的界面结构以及分布状态，使其由网络状分布转变为多段式分布，并且抑制了颗粒在高温下的粗化现象，将颗粒的尺寸控制在纳米尺度，从而得到高刚度高强度耐高温铝基复合材料。

进一步的，方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：原始粉末准备；

步骤(2)：球磨：将步骤(1)准备的原始粉末装入不锈钢混料罐中，使用球磨混料机对粉料进行球磨并使各类粉料完全均匀分散，随后用液压机将粉末压制成型，得到冷压块；

步骤(3)：真空烧结：将步骤(2)得到的冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，获得改性AlN/铝-铜-钪复合材料，复合材料中AlN粒子形貌呈六边形薄片状，其上覆盖有一层钪元素层，用于改善AlN颗粒的分布状态，颗粒尺寸为100nm～200nm，在基体颗粒的晶界处呈多段状分布；

步骤(4)：挤压变形：将步骤(3)获得的AlN/铝-铜-钪复合材料进行挤压，得到高刚度高强度耐高温铝基复合材料。

进一步的，步骤(1)中的原始粉末准备具体为：以工业纯铝粉，高纯钪粉，高纯铜粉，富含薄片状的纳米AlN颗粒、AlN含量为30％的铝-氮化铝合金粉为原材料；按以下质量百分比准备所需材料：高纯钪粉0.3wt％～0.5wt％，高纯铜粉2.3wt％～2.7wt％，铝-氮化铝合金粉33.3wt％～66.7wt％，工业纯铝粉30.1wt％～64.1wt％。

进一步的，工业纯铝粉的粒度≤50μm、纯度＞99.7％，高纯钪粉的粒度≤38μm、纯度＞99.95％，高纯铜粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，铝-氮化铝合金粉的粒度≤500nm、纯度＞99.9％。

进一步的，步骤(2)中球磨时间为20～30小时，球磨转速为50r/min～80r/min，球料质量比为8:1～15:1。

进一步的，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数具体为：真空烧结温度为700℃～800℃，保温时间为1～10小时，压力为20MPa～50MPa。

进一步的，步骤(4)中的挤压变形的工艺参数具体为：挤压温度为400℃～500℃，挤压比为20:1～30:1。

一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料，采用上述的方法制备。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

利用本发明所述的制备方法获得的高刚度高强度耐高温铝基复合材料，在烧结过程中，块体中的Sc原子将会在AlN颗粒表面发生偏聚，形成一层Sc原子薄层附着在AlN颗粒的表面，使原本与基体润湿性并不优异的AlN颗粒的表面能降低，加强颗粒与基体之间的结合能力，增强了高模量相的负载转移作用，并改善了AlN颗粒原本呈网络状分布的特征，进而使得复合材料的刚度显著提高；另外，包裹颗粒的Sc元素薄层还起到了一定抑制AlN颗粒长大的作用，进一步实现了对颗粒尺寸的调控；此外，由于颗粒的细晶强化，奥罗万强化等机制的作用，使其对于强度同样具有较好的强化效果，但单一的颗粒对于强度的提高是有限的，因此本专利向复合材料中添加铜和钪这两种合金元素，利用三者的综合作用使材料的强度进一步提高；并且由于AlN颗粒具有较低的热膨胀系数和良好的导热性，使复合材料在抵抗热冲击性能上得到了有效地提高，同时合金元素Cu和Sc对于材料耐热方面的性质具有巨大提高，界面上两种原子的偏聚进一步提高了AlN颗粒的热稳定性，Sc原子还会在基体中聚集形成Al₃Sc沉淀，起到一定的抗蠕变作用。

附图说明

图1为未改性的AlN增强铝基复合材料的微观形貌示意图。

图2为本发明改性后AlN增强铝基复合材料的微观形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1-2所示，一种高刚度耐热铝基复合材料，本发明以一定质量分数的AlN颗粒增强铝基复合材料为例。其特征是通过添加微量合金元素钪调控AlN颗粒的界面结构，在颗粒表面形成一层Sc原子薄层，改善颗粒与基体界面间的润湿性，进而使得复合材料中原本呈网络状分布的AlN颗粒转变为多段式分布，纳米陶瓷颗粒团聚现象的缓解以及界面结合能力增强的作用协同提升材料刚度和强度，并且由于合金元素Cu和Sc的加入，进一步提高了AlN颗粒的热稳定性，Sc原子还会在基体中聚集形成Al₃Sc沉淀，起到一定的抗蠕变作用。综上，该材料是一种兼具了超高的弹性模量以及较高的拉伸强度和良好的耐热属性的铝基复合材料。

上述高刚度高强度耐高温铝基复合材料，包括以下步骤：

步骤(1)：以工业纯铝粉(粒度≤50μm，纯度＞99.7％)、高纯钪粉(粒度≤38μm，纯度＞99.95％)、高纯铜粉(粒度≤1μm，纯度＞99.95％)、铝-氮化铝合金粉(粒度≤500nm，纯度＞99.9％，其特征为富含薄片状的纳米AlN颗粒，AlN含量为30％)为原料，按以下质量百分比准备所需材料：高纯钪粉0.3wt％～0.5wt％，高纯铜粉2.3wt％～2.7wt％，铝-氮化铝合金粉33.3wt％～66.7wt％，工业纯铝粉30.1wt％～64.1wt％；

步骤(2)：球磨，将粉料跟ZrO₂球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为8:1～15:1，使用球磨混料机以50r/min～80r/min的球磨混料速度混料20～30小时，使各类粉料完全均匀分散混合，然后用液压机将粉末压制成型；

步骤(3)：真空烧结，将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为700℃～800℃，保温1～10小时，将压力设置为20MPa～50MPa，获得质量分数不同的改性AlN/铝-铜-钪复合材料，复合材料中AlN粒子形貌呈六边形薄片状，其上覆盖有一层钪元素层，用于改善AlN颗粒的分布状态，颗粒尺寸为100nm～200nm，在基体颗粒的晶界处呈多段状分布；

步骤(4)：挤压变形，将制备出的改性AlN颗粒增强铝基复合材料进行热挤压，热挤压温度为400℃～500℃，挤压比为20:1～30:1，进一步提高复合材料的致密度。

实施例1

(1)：准备6g高纯钪粉(粒度≤38μm，纯度＞99.95％)、46g高纯铜粉(粒度≤1μm，纯度＞99.95％)、666g铝-氮化铝合金粉(粒度≤500nm，纯度＞99.9％，Al₃BC含量为30％)、1282g工业纯铝粉(粒度≤50μm，纯度＞99.7％)为原料；

(2)：球磨，将粉料跟ZrO2球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为8:1，使用球磨混料机以50r/min的球磨混料速度混料20小时，使各类粉料完全均匀分散混合，然后用液压机将粉末压制成型；

(3)：真空烧结，将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为750℃，保温5小时，将压力设置为50MPa，获得质量分数为10％的改性AlN/铝-铜-钪复合材料，复合材料中AlN粒子形貌呈六边形薄片状，其上覆盖有一层钪元素层，用于改善AlN颗粒的分布状态，颗粒尺寸为100nm～200nm，在基体颗粒的晶界处呈多段状分布；

(4)：挤压变形，将获得的10％AlN颗粒增强铝基复合材料进行挤压，温度为450℃，挤压比为20:1，进一步提高复合材料的致密度；

本发明方法制备出的10％AlN颗粒增强铝基复合材料，抗拉强度可达到293MPa，延伸率为12％，刚度为83GPa，相比挤压态薄片状的AlN颗粒增强铝基复合材料(～73GPa)提高了13.7％，在提高刚度的同时还保持有良好的强度和塑性。

实施例2

(1)：准备8g高纯钪粉(粒度≤38μm，纯度＞99.95％)、50g高纯铜粉(粒度≤1μm，纯度＞99.95％)、910g铝-氮化铝合金粉(粒度≤500nm，纯度＞99.9％，Al3BC含量为30％)、1032g工业纯铝粉(粒度≤50μm，纯度＞99.7％)为原料；

(2)：球磨，将粉料跟ZrO2球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，使用球磨混料机以50r/min的球磨混料速度混料25小时，使各类粉料完全均匀分散混合，然后用液压机将粉末压制成型；

(3)：真空烧结，将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为750℃，保温5小时，将压力设置为50MPa，获得质量分数为15％的改性AlN/铝-铜-钪复合材料，复合材料中AlN粒子形貌呈六边形薄片状，其上覆盖有一层钪元素层，用于改善AlN颗粒的分布状态，颗粒尺寸为100nm～200nm，在基体颗粒的晶界处呈多段状分布；

(4)：挤压变形，将获得的15％AlN颗粒增强铝基复合材料进行挤压，温度为500℃，挤压比为20:1，进一步提高复合材料的致密度；

本发明方法制备出的15％AlN颗粒增强铝基复合材料，抗拉强度可达到372MPa，延伸率为10％，刚度为95GPa，相比挤压态薄片状的AlN颗粒增强铝基复合材料(～73GPa)提高了30.1％，在提高刚度的同时还保持有良好的强度和塑性。

实施例3

(1)：准备10g高纯钪粉(粒度≤38μm，纯度＞99.95％)、54g高纯铜粉(粒度≤1μm，纯度＞99.95％)、1334g铝-氮化铝合金粉(粒度≤500nm，纯度＞99.9％，Al3BC含量为30％)、602g工业纯铝粉(粒度≤50μm，纯度＞99.7％)为原料；

(2)：球磨，将粉料跟ZrO2球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，使用球磨混料机以80r/min的球磨混料速度混料30小时，使各类粉料完全均匀分散混合，然后用液压机将粉末压制成型；

(4)：挤压变形，将获得的20％AlN颗粒增强铝基复合材料进行挤压，温度为550℃，挤压比为20:1，进一步提高复合材料的致密度；

本发明方法制备出的20％AlN颗粒增强铝基复合材料，抗拉强度可达到410MPa，延伸率为6％，刚度为102GPa，相比挤压态薄片状的AlN颗粒增强铝基复合材料(～73GPa)提高了39.7％，在提高刚度的同时还保持有良好的强度和塑性。

实施例1-3所述的不同质量分数的改性AlN粒子增强铝基复合材料的拉伸性能及刚度统计表如表1所示：

表1不同质量分数的改性Al₃BC粒子增强铝-镁-硅合金的拉伸性能及刚度统计表

综上所述，该制备方法通过添加微量合金元素钪调控AlN颗粒的界面结构，在颗粒表面形成一层Sc原子薄层，改善颗粒与基体界面间的润湿性，进而使得复合材料中原本呈网络分布的AlN颗粒转变为多段式分布，纳米陶瓷颗粒团聚现象的缓解以及界面结合能力增强的作用协同提升材料刚度和强度。AlN颗粒具有较低的热膨胀系数和良好的导热性，使复合材料在抵抗热冲击性能上得到了有效地提高，并且由于合金元素Cu和Sc的加入，进一步提高了AlN颗粒的热稳定性，Sc原子还会在基体中聚集形成Al₃Sc沉淀，起到一定的抗蠕变作用。综上，该材料是一种兼具了超高的弹性模量以及较高的拉伸强度和良好的耐热属性的铝基复合材料。

Claims

1.一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料的制备方法，其特征在于，以工业纯铝粉、0.3wt％～0.5wt％的高纯钪粉、高纯铜粉和铝-氮化铝合金粉为原料，采用真空烧结然后挤压的方式制备复合材料，其中的铝-氮化铝合金粉富含薄片状的纳米AlN颗粒，且AlN含量为30％，Sc元素调控AlN颗粒的界面结构以及分布状态，使其由网络状分布转变为多段式分布，并且抑制了颗粒在高温下的粗化现象，将颗粒的尺寸控制在纳米尺度，从而得到高刚度高强度耐高温铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤(1)：原始粉末准备；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的原始粉末准备具体为：以工业纯铝粉，高纯钪粉，高纯铜粉，富含薄片状的纳米AlN颗粒、AlN含量为30％的铝-氮化铝合金粉为原材料；按以下质量百分比准备所需材料：高纯钪粉0.3wt％～0.5wt％，高纯铜粉2.3wt％～2.7wt％，铝-氮化铝合金粉33.3wt％～66.7wt％，工业纯铝粉30.1wt％～64.1wt％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，工业纯铝粉的粒度≤50μm、纯度＞99.7％，高纯钪粉的粒度≤38μm、纯度＞99.95％，高纯铜粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，铝-氮化铝合金粉的粒度≤500nm、纯度＞99.9％。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中球磨时间为20～30小时，球磨转速为50r/min～80r/min，球料质量比为8:1～15:1。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数具体为：真空烧结温度为700℃～800℃，保温时间为1～10小时，压力为20MPa～50MPa。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的挤压变形的工艺参数具体为：挤压温度为400℃～500℃，挤压比为20:1～30:1。

8.一种高刚度高强度耐高温铝基复合材料，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备。