CN116590581A - 一种耐热高韧性铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐热高韧性铝基复合材料及其制备方法，其中包括铝合金基体和增强相；按质量百分比记，所述铝合金基体包括：Si15‑16％、Mg0.5‑0.8％、Zr0.2‑0.3％，余量为Al；所述增强相为SiC颗粒和石墨烯，所述SiC颗粒占复合材料质量的5‑10％，所述石墨烯占复合材料质量的0.5‑1％。本发明通过将低含量的纳米碳化硅和石墨烯均匀分布于铝合金基体中形成增强相，实现了比强度高、比刚度大、高韧性的低纳米碳化硅颗粒含量的增强铝基复合材料的制备；铝合金基体中Zr的加入可以显著提高材料的塑性、强度和耐热性。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒增强铝基复合材料技术领域，更具体的说是涉及一种耐热高韧性铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、可设计性强、加工成型工艺简单和开发成本低廉的特点，广泛应用于航天、航空、武器装备和汽车等工业领域，以满足轻质、高性能的需求。目前，铝基复合材料的增强体主要分为连续纤维增强体和非连续纤维增强体(包括颗粒、短纤维、晶须等)。其中以颗粒增强铝基复合材料的制备、成型研究最多，工程应用范围最广，技术成熟度最高。但由于在铝基体中引入了硬质增强颗粒而导致铝基体的韧性急剧下降，仍无法满足高强韧性要求的应用领域。
SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/A1复合材料)是金属基复合材料中最具发展潜力的一类；是目前世界上各个国家应用最广泛、发展最快、价格最便宜、能实现较大规模生产的一种金属基复合材料。在航空航天、汽车、电子、造船和兵器等行业具有广泛的应用前景。具有轻质，高比强度、比硬度、比模量，耐磨性、阻尼性和导热性好，热膨胀系数小等优良特点。然而，SiC颗粒增强体与基体AI合金在力学性能(如弹性模量)上相差较大，使其要比单相基体Al合金的断裂韧性差，且断裂表现为瞬问断裂，在用作结构材料时有一定的局限性。
因此，如何提供一种以SiC作为增强相，使得到的铝基复合材料同时兼顾高韧性和耐热性时本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种耐热高韧性铝基复合材料及其制备方法，使得易于生产且兼顾功能性、耐热、强度及塑韧性的一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料得以实现。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐热高韧性铝基复合材料，包括铝合金基体和增强相；
其中，按质量百分比记，所述铝合金基体包括：Si15-16％、Mg0.5-0.8％、Zr 0.2-0.3％，余量为Al；
所述增强相为SiC颗粒和石墨烯，所述SiC颗粒占复合材料质量的5-10％，所述石墨烯占复合材料质量的0.5-1％。
基体合金中Mg含量的降低，可以提高复合材料的断裂韧性和强度，而基体合金中添加的Si元素同样可以提高复合材料的断裂韧性和强度。
优选的，所述铝合金基体中的杂质元素包括Fe、Mn、Zn和Ti，单个杂质元素的含量≤0.06wt％，杂质元素的总含量<0.2wt％；
优选的，所述铝合金基体的粒径为10-20μm，所述SiC颗粒的粒径为100nm-1μm，所述石墨烯的直径为6-8μm，厚度为5-8nm。
石墨烯是目前所发现最强韧的二维材料，本发明通过加入石墨烯作为增强材料，可以显著的增强复合材料的韧性；纳米级的SiC颗粒能明显提高复合材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率。
本发明还有一个目的在于提供上述的耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据成分及质量百分比选用SiC颗粒、石墨烯及铝合金粉末；
(2)将SiC、石墨烯与铝合金粉末混合，进行高能球磨，得到混合均匀的混合粉体；
(3)将混合粉体经真空热压烧结，空气炉烧结得到成型件；
(4)将成型件经固溶处理、水淬火处理和时效处理得到所述铝基复合材料。
优选的，步骤(2)中所述高能球磨的转速为100-200r/min，磨球与原料的质量比为10：1，时间为3-6h。
优选的，步骤(3)中所述真空热压烧结的参数为：真空度为1×10-4-1×10-5Pa，热压温度为620-630℃，热压压力为120-180Mpa。
优选的，步骤(3)中所述空气炉烧结为：在30min内加热到620-680℃，在70-80MPa条件下保温保压4-5h后降至常压，在0.5-1h内降温至500℃，再在30min内降温至150℃以下。
优选的，步骤(4)中所述固溶处理的温度为480-500℃、时间为2-3h。
优选的，步骤(4)中所述水淬火处理的温度为25℃、时间为45s以下。
优选的，步骤(4)中所述时效处理为140-150℃下处理10-15h。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.通过将低含量的纳米碳化硅和石墨烯均匀分布于铝合金基体中形成增强相，实现了比强度高、比刚度大、高韧性的低纳米碳化硅颗粒含量的增强铝基复合材料的制备；
2.铝合金基体中Zr的加入可以显著提高材料的塑性、强度和耐热性。
具体实施方式
下面对本发明实施例中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
本实施例提供了一种耐热高韧性铝基复合材料，其中铝基合金粒径为20μm，包括Si16％、Mg0.8％、Zr 0.2％，余量为Al；增强相中SiC颗粒粒径为1μm，占复合材料质量的10％，石墨烯粒径为6μm，占复合材料质量的0.9％，制备方法包括：
(1)按上述成分及质量百分比选用SiC颗粒、石墨烯及铝合金粉末；
(2)将SiC、石墨烯与铝合金粉末混合，在180r/min下高能球磨3h，磨球与原料的质量比为10：1，得到混合均匀的混合粉体；
(3)将混合粉体经真空热压烧结，真空度为1×10-5Pa，热压温度为630℃，热压压力为120Mpa，然后置于空气炉中，在30min内加热到680℃，在70MPa条件下保温保压5h后降至常压，然后在0.5h内降温至500℃，再在30min内降温至150℃以下，得到成型件；
(4)将成型件经500℃下固溶处理3h、25℃下水淬火处理40s、最后在150℃下时效处理10h得到所述铝基复合材料。
实施例2
本实施例提供了一种耐热高韧性铝基复合材料，其中铝基合金粒径为10μm，包括Si15％、Mg0.5％、Zr 0.2％，余量为Al；增强相中SiC颗粒粒径为100nm，占复合材料质量的15％，石墨烯粒径为6μm，占复合材料质量的0.5％，制备方法包括：
(1)按上述成分及质量百分比选用SiC颗粒、石墨烯及铝合金粉末；
(2)将SiC、石墨烯与铝合金粉末混合，在100r/min下高能球磨6h，磨球与原料的质量比为10：1，得到混合均匀的混合粉体；
(3)将混合粉体经真空热压烧结，真空度为1×10-4Pa，热压温度为620℃，热压压力为160Mpa，空气炉烧结，在30min内加热到630℃，在70MPa条件下保温保压4h后降至常压，然后在1h内降温至500℃，再在30min内降温至150℃以下，得到成型件；
(4)将成型件在490℃下固溶处理3h、在25℃下水淬火处理42s，最后在145℃下时效处理13h得到所述铝基复合材料。
实施例3
本实施例提供了一种耐热高韧性铝基复合材料，其中铝基合金粒径为20μm，包括Si15％、Mg0.7％、Zr 0.2％，余量为Al；增强相中SiC颗粒粒径为100nm，占复合材料质量的12％，石墨烯粒径为6μm，占复合材料质量的1％，制备方法包括：
(1)按上述成分及质量百分比选用SiC颗粒、石墨烯及铝合金粉末；
(2)将SiC、石墨烯与铝合金粉末混合，在180r/min下高能球磨3h，磨球与原料的质量比为10：1，得到混合均匀的混合粉体；
(3)将混合粉体经真空热压烧结，真空度为1×10-5Pa，热压温度为622℃，热压压力为150Mpa，空气炉烧结，在30min内加热到620-680℃，在75MPa条件下保温保压4h后降至常压，在0.5h内降温至500℃，再在30min内降温至150℃以下，得到成型件；
(4)将成型件在485℃下固溶处理2h、25℃下水淬火处理40s，最后在145℃下时效处理13h得到所述铝基复合材料。
对比例1
原料以及制备方法同实施例3，不同之处在于对比例1铝基合金中还包括：1wt％的Cu。
对比例2
原料以及制备方法同实施例3，不同之处在于对比例2铝基合金中不包括Zr。
对比例3
原料以及制备方法同实施例3，不同之处在于对比例3增强相中不包括石墨烯。
对实施例3所制得的铝基复合材料的塑韧性性能以及耐热性能与对比文件1-3进行对比，结果见下表1：
表1
通过上表可知，本发明通过对铝基合金基体以及增强相的成分进行筛选改进，得到了一种能够同时兼顾耐热性、强度及塑韧性的铝基复合材料。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种耐热高韧性铝基复合材料，其特征在于，包括铝合金基体和增强相；
其中，按质量百分比记，所述铝合金基体包括：Si15-16％、Mg0.5-0.8％、Zr0.2-0.3％，余量为Al；
所述增强相为SiC颗粒和石墨烯，所述SiC颗粒占复合材料质量的5-10％，所述石墨烯占复合材料质量的0.5-1％。
2.根据权利要求1所述的一种耐热高韧性铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金基体中的杂质元素包括Fe、Mn、Zn和Ti，单个杂质元素的含量≤0.06wt％，杂质元素的总含量<0.2wt％。
3.根据权利要求1所述的一种耐热高韧性铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金基体的粒径为10-20μm，所述SiC颗粒的粒径为100nm-1μm，所述石墨烯的直径为6-8μm，厚度为5-8nm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据成分及质量百分比选用SiC颗粒、石墨烯及铝合金粉末；
(2)将SiC、石墨烯与铝合金粉末混合，进行高能球磨，得到混合均匀的混合粉体；
(3)将混合粉体经真空热压烧结，空气炉烧结得到成型件；
(4)将成型件经固溶处理、水淬火处理和时效处理得到所述铝基复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述高能球磨的转速为100-200r/min，磨球与原料的质量比为10：1，时间为3-6h。
6.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空热压烧结的参数为：真空度为1×10-4-1×10-5Pa，热压温度为620-630℃，热压压力为120-180Mpa。
7.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述空气炉烧结为：在30min内加热到620-680℃，在70-80MPa条件下保温保压4-5h后降至常压，在0.5-1h内降温至500℃，再在30min内降温至150℃以下。
8.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述固溶处理的温度为480-500℃、时间为2-3h。
9.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述水淬火处理的温度为25℃、时间为45s以下。
10.根据权利要求4所述的一种耐热高韧性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述时效处理为140-150℃下处理10-15h。
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