CN115725881A - 一种耐高温的铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种耐高温的铝合金材料及其制备方法。所述铝合金材料由以下重量百分比的原料组成：氮化金属物0.2～0.6wt％、高纯铜粉3～7wt％，铝‑氮化铝合金粉35～45wt％，余量为高纯铝粉。本发明通过加入钪的氮化物以及超细碳化金属物，与氮化铝颗粒配伍形成力学性能优异且同时具有耐高温特点的铝合金材料，大大增强了Al‑Cu合金的应用范围，其中所述钪的氮化物为氮化钪，超细碳化金属物为碳化钽；另一方面，使用钪的氮化物比直接使用钪粉更有利于改善颗粒与基体界面间的润湿性，使球磨时间更短，更有利于节省生产时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种耐高温的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金具有质轻、耐蚀以及优良的强度、塑性、导电和导热性能，已在航空航天、交通运输和国防军工等领域得到广泛应用。然而，与传统黑色金属材料相比，Al-Si系铸造耐热铝合金只能在225℃以下工作，Al-Cu系铸造耐热铝合金虽然可用于350℃以下，但充型能力略差，且不具备加工性能，因此航空、航天中用的耐热铝合金通常为加工性能优异的Al-Cu系变形耐热铝合金，但这种传统的铝合金耐热性能有待进一步提高，高温强度低，难以满足近年科学技术的高速发展对材料带来的巨大挑战。
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。但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。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，并未考虑到耐高温性能的提高，其应用受到很大的局限，不能充分发挥粒子的最大性能。
基于上述情况，本发明提出了一种耐高温的铝合金材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温的铝合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种耐高温的铝合金材料，所述铝合金材料由以下重量百分比的原料组成：氮化金属物0.2～0.6wt％、高纯铜粉3～7wt％，铝-氮化铝合金粉35～45wt％，余量为高纯铝粉。
优选地，所述氮化金属物包括铝的氮化金属物、铬的氮化金属物、锆的氮化金属物、钛的氮化金属物、钪的氮化金属物的其中一种或两种以上的组合。
优选地，所述氮化金属物为钪的氮化金属物，所述钪的氮化金属物为氮化钪(ScN)。
优选地，所述氮化钪(ScN)的纯度为99.99％，平均粒径为10～12μm。
优选地，所述高纯铜粉的纯度为99.9％，平均粒径为1～2μm。
优选地，所述铝-氮化铝合金粉的纯度为99.9％，平均粒径为400～500nm，AlN含量为30％。
优选地，所述铝合金材料还包括以下重量百分比的原料：超细碳化金属物0.4～1.2wt％。
优选地，所述超细碳化金属物包括碳化钼、碳化钒、碳化铬、碳化锆、碳化钛、碳化钽(TaC)的其中一种或两种的组合。
优选地，所述超细碳化金属物为碳化钽(TaC)。
优选地，所述碳化钽(TaC)的纯度为99.9％，平均粒径为500～600nm。
本发明还提供一种耐高温的铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为10:1～15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以100r/min～120r/min的球磨混料速度混料12～15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；
(2)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6～10小时，将压力设置为20MPa～50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为400℃～500℃，挤压比为20:1～30:1，即得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明通过加入钪的氮化物以及超细碳化金属物，与氮化铝颗粒配伍形成力学性能优异且同时具有耐高温特点的铝合金材料，大大增强了Al-Cu合金的应用范围，其中所述钪的氮化物为氮化钪，超细碳化金属物为碳化钽；另一方面，使用钪的氮化物比直接使用钪粉更有利于改善颗粒与基体界面间的润湿性，使球磨时间更短，更有利于节省生产时间成本。
2.本发明原材料在国内充足，价格适宜，使其规模化生产没有太高的成本限制；同时，制备方法简单，总体生产成本不高，有利于工业的大规模生产。
具体实施方式
实施例1
按表1称量具体原料，具体制备步骤如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为10:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以100r/min的球磨混料速度混料15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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为700℃℃，保温10小时，将压力设置为20MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为400℃，挤压比为20:1，即得。
实施例2
按表1称量具体原料，具体制备步骤如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为10:1～15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以120r/min的球磨混料速度混料12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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为800℃，保温6小时，将压力设置为50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为500℃，挤压比为30:1，即得。
实施例3
按表1称量具体原料，具体制备步骤如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以120r/min的球磨混料速度混料15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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为800℃，保温10小时，将压力设置为50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为500℃，挤压比为30:1，即得。
对比例1
按表1称量具体原料，与实施例3不同的是，未添加氮化钪和碳化钽，其余制备步骤同实施例3，具体如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以120r/min的球磨混料速度混料15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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为800℃，保温10小时，将压力设置为50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为500℃，挤压比为30:1，即得。
对比例2
按表1称量具体原料，与实施例3不同的是，未添加氮化钪，其余制备步骤同实施例3，具体如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以120r/min的球磨混料速度混料15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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为800℃，保温10小时，将压力设置为50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为500℃，挤压比为30:1，即得。
对比例3
按表1称量具体原料，与实施例3不同的是，未添加碳化钽，其余制备步骤同实施例3，具体如下：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以120r/min的球磨混料速度混料15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；
(2)将冷压块放入真空热压烧结炉中烧结，烧结温度为800℃，保温10小时，将压力设置为50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为500℃，挤压比为30:1，即得。
表1
铝合金材料性能评价
按在100℃和300℃的环境下通过Instron拉伸机对材料进行拉伸试验，拉伸方向平行于轧制方向，初始应变速率为10-3s-1，每组测试5个样品取平均值，结果见表2、表3。
表2100℃下的抗拉强度及屈服强度
表3300℃下的抗拉强度及屈服强度
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种耐高温的铝合金材料，其特征在于，，所述铝合金材料由以下重量百分比的原料组成：氮化金属物0.2～0.6wt％、高纯铜粉3～7wt％，铝-氮化铝合金粉35～45wt％，余量为高纯铝粉。
2.根据权利要求1所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述氮化金属物包括铝的氮化金属物、铬的氮化金属物、锆的氮化金属物、钛的氮化金属物、钪的氮化金属物的其中一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求2所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述氮化金属物为钪的氮化金属物，所述钪的氮化金属物为氮化钪(ScN)。
4.根据权利要求3所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述氮化钪(ScN)的纯度为99.99％，平均粒径为10～12μm。
5.根据权利要求1所述的耐高温的铝合金材料，所述高纯铜粉的纯度为99.9％，平均粒径为1～2μm。
6.根据权利要求1所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述铝-氮化铝合金粉的纯度为99.9％，平均粒径为400～500nm，AlN含量为30％。
7.根据权利要求1所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料还包括以下重量百分比的原料：超细碳化金属物0.4～1.2wt％。
8.根据权利要求7所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述超细碳化金属物包括碳化钼、碳化钒、碳化铬、碳化锆、碳化钛、碳化钽(TaC)的其中一种或两种的组合。
9.根据权利要求8所述的耐高温的铝合金材料，其特征在于，所述超细碳化金属物为碳化钽(TaC)，所述碳化钽(TaC)的纯度为99.9％，平均粒径为500～600nm。
10.一种制备权利要求1～9任一所述耐高温的铝合金材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将原料连同氧化锆球一起装入不锈钢混料罐中，混料罐中球料比为10:1～15:1，不锈钢球分15mm、10mm、5mm三个尺寸，按质量比1：3：5称量大中小球，使用球磨混料机以100r/min～120r/min的球磨混料速度混料12～15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；
(2)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6～10小时，将压力设置为20MPa～50MPa，获得烧结件；
(3)将制备出的烧结件进行热挤压，热挤压温度为400℃～500℃，挤压比为20:1～30:1，即得。
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|---|---|
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