高強度高模量鋁基複合材料及其製備方法
2023-06-10 02:04:11 1
專利名稱：高強度高模量鋁基複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬基複合材料及其製備方法，尤其涉及一種高強度 高模量鋁基複合材料及其製備方法。屬於材料技術領域。
背景技術：
鋁基複合材料具有重量輕，比強度、比剛度和剪切強度高，熱膨脹系 數低，熱穩定性、導熱、導電、耐腐蝕性能良好等優點，逐漸成為航空、 航天、汽車、電子工業等領域中的理想材料，應用前景廣闊。
經文獻檢索發現，中國專利公開號CN101050499A介紹了高強高韌 7055鋁合金及其製備方法。該專利描述了 7055鋁合金，o b>610MPa， S 5>6%，雖然此材料有所述的諸多優點，但難以滿足航空、航天、高新技 術等行業高強度、高模量要求。
中國專利公開號CN1376805公開一種高強度原位鋁基複合材料。此材 料雖具有高強度、高模量性能，但其製備方法是將鋁、二氧化鈦和硼粉末 在真空中燒結、擠壓成型，此方法工藝複雜，成本高，難以實現工業化生 產。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種高強度高模量鋁 基複合材料及其製備方法，生產工藝簡單，可實現工業化生產。
本發明的目的通過以下技術方案來實現
高強度高模量鋁基複合材料，其特徵在於其成分的質量百分含量為
Zn7.6 8.4 wt%， Mg 1.8 3.0 wt% ， Cu 2.0 2.6 wt% ， Zr 0.05 0.25 wt
%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB2 0.1 20% wt% ，餘量為Al。
進一步地，製備高強度高模量鋁基複合材料的方法，其特徵在於包 括以下步驟——
1) 在坩堝中加入鋁錠，加熱至660 75(TC鋁錠熔化，在730 75(TC 打渣、精煉、除氣，用覆蓋劑覆蓋；
2) 調整溫度在750 950°C，用攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾的K2TiF6
和KBF4混合鹽反應；
3) 清理反應殘鹽，加入Zn錠、Al—Cu中間合金、Al—Mn中間合金、 Al—Cr中間合金，攪拌熔化，調整溫度在670 70(TC，加入Al—Zr中間 合金、Mg錠，攪拌熔化，打渣、精煉、除氣、靜置，在730 75(TC澆注 成鑄錠；
4) 在440 50(TC對鑄錠進行均勻化處理18 28h，車皮，將鑄錠擠 壓成所需型材或軋製成所需板材；
5) 對擠壓型材或軋制板材進行固溶和時效處理。
更進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，步驟l) 中採用高純石墨坩堝，打渣劑為ZS—AZ6無鈉型，精煉劑為ZS—AJ6無 鈉型，覆蓋劑為ZS—AF6無鈉型。
更進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，步驟2) 中採用高純石墨攪拌器攪拌，烘乾的K2TiF6和KBF4混合鹽溫度範圍為 100 300°C。
更進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，步驟3) 中打渣劑為ZS—AZ6無鈉型，精煉劑為ZS—AJ6無鈉型，覆蓋劑為ZS-AF6無鈉型。
再進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，其特徵 在於步驟3)鑄錠的成分質量百分比為Zn7.6 8.4wt%， Mgl.8 3.0wt %， Cu2.0 2.6wt%， Zr0.05 0.25 wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04 wt
%， TiB20.1 20%wt%，餘量為A1。
再進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，步驟4) 擠壓鑄錠時鑄錠加熱溫度為440 500°C ，擠壓比為20 70,擠壓速度為l 10m/min。軋制鑄錠時開軋溫度為440 480°C ，終軋溫度為300 350°C ， 變形率70 95% 。
再進一步地，上述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法，其特徵 在於步驟5)固溶處理的溫度為450 480°C，固溶時間為1 4h。時效 處理的溫度為100 150°C，時效時間為18 28h。。
本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在
本發明採用混合鹽反應法生產增強顆粒，製備高強度高模量鋁基複合 材料，該鋁基複合材料具有高強度高模量力學性能。反應生成的增強顆粒， 界面潔淨，與鋁基體結合良好，顆粒分布均勻。另外，原料價格低廉，生 產工藝簡單，可實現工業化生產，產生了極大的經濟效益和社會效應，應 用前景看好。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明 圖l:鋁基複合材料TiB2顆粒SEM形貌示意圖； 圖2:鋁基複合材料XRD譜示意圖。
具體實施例方式
本發明高強度高模量鋁基複合材料成分質量百分比為Zn 7.6 8.4 wt %， Mg 1.8 3.0 wt%， Cu 2.0 2.6 wt% ， Zr 0.05 0.25 wt% ， Mn^O.05 wt %， Cr^0.04wt%， TiB20.1 20%wt%，餘量為Al。
採用混合鹽反應法製備高強度高模量鋁基複合材料，包括以下步驟 (1)在坩堝中加入鋁錠，加熱熔化，打渣、精煉、除氣，用覆蓋劑
覆蓋；
(2) 調整溫度，用攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾的K2TiF6和KBF4 混合鹽反應；
(3) 清理反應殘鹽，加入Zn錠、Al—Cu中間合金、A1—Mn中間合 金、Al—Cr中間合金，攪拌熔化，調整溫度，加入Al—Zr中間合金、Mg 錠，攪拌熔化，打渣、精煉、除氣、靜置、澆注成鑄錠；
(4) 鑄錠進行均勻化處理，車皮，將鑄錠擠壓成所需型材和軋製成 所需板材；
(5) 對擠壓型材和軋制板材進行固溶和時效處理。 需詳細說明的是，步驟(1)中採用高純石墨坩堝，鋁錠熔化溫度在
660 750°C，打渣、精煉、除氣溫度在730 75(TC，打渣劑為ZS—AZ6 無鈉型，精煉劑為ZS—AJ6無鈉型，覆蓋劑為ZS—AF6無鈉型。
步驟(2)中調整溫度範圍為750 95(TC，採用高純石墨攪拌器攪拌， 烘乾K2TiFj[] KBF4混合鹽溫度範圍為100 300°C 。
步驟(3)中調整溫度為670 70(TC，打渣、精煉、除氣、靜置、澆 注溫度在730 750°C;打渣劑為ZS—AZ6無鈉型，精煉劑為ZS—AJ6無 鈉型，覆蓋劑為ZS—AF6無鈉型；鑄錠成分質量百分比為Zn 7.6 8.4 wt %， Mg 1.8 3.0wt%， Cu 2.0 2.6 wt% ， Zr 0.05 0.25 wt% ， Mn^O.05 wt %， Cr^0.04wt%， TiB20.1 20%wt%，餘量為Al。
步驟(4)中鑄錠均勻化溫度為440 500。C，時間為18 28h;擠壓 鑄錠時鑄錠加熱溫度為440 50(TC，擠壓比為20 70，擠壓速度為l 10m/min;軋制鑄錠時開軋溫度為440 480°C ，終軋溫度為300 350°C ， 變形率70 95% 。
步驟(5)中型材和板材固溶溫度為450 48(TC，時間為1 4h;時 效溫度為1Q0 15(TC，時效時間為18 28h。
實施例l:
採用混合鹽反應法製備高強度高模量鋁基複合材料，其成分質量百分 比為Zn8.0， Mg2.3， Cu2,3， Zr0.15， Mn0.02， CrO.Ol， TiB2 12，餘量為 Al。
其製備過程採用高純石墨坩堝，鋁錠熔化後，在74(TC打渣、精煉、 除氣，升溫至85(TC，採用高純石墨攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾K2TiF6 和KBF4混合鹽反應，反應時間為30min，清除反應殘鹽，加入Zn錠、Al 一Cu中間合金、Al—Mn中間合金、Al—Cr中間合金，在69(TC加入Al 一Zr中間合金、鋁箔包裹的Mg錠，攪拌熔化，升溫至74(TC打渣、精煉、 除氣，靜置15min，澆注成鑄錠。鑄錠進行均勻化處理，溫度為450°C， 時間為24h,車皮加工成擠壓和軋制規定尺寸。在46(TC加熱鑄錠，保溫 4h，擠壓比為36，擠壓速度為4m/min，擠壓成(HO棒材。軋制鑄錠時開 軋溫度為46(TC，終軋溫度為300。C，變形率90%，軋製成5mm厚板材。 棒材和板材固溶溫度為465°C，時間為3h，時效溫度為12(TC，時效時間 為24h。進行力學性能測試，棒材力學性能為Rm》720MPa， RpG.2》670 MPa， A》4， E^85GPa;板材力學性能為Rm》670MPa， Rpo.2》560 MPa， A>4， E^85GPa。
實施例2:
採用混合鹽反應法製備高強度高模量鋁基複合材料，其成分質量百分 比為Zn8.4， Mg3.0, Cu 2.6， Zr0.25， Mn0.03， Cr 0.02， TiB220，餘量 為Al。
其製備過程採用高純石墨坩堝，鋁錠熔化後，在730'C打渣、精煉、 除氣，升溫至75(TC，採用高純石墨攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾K2TiF6 和KBF4混合鹽反應，反應時間為20min，清除反應殘鹽，加入Zn錠、Al 一Cu中間合金、Al—Mn中間合金、A1—Cr中間合金，在670。C加入Al 一Zr中間合金、鋁箔包裹的Mg錠，攪拌熔化，升溫至750'C打渣、精煉、
除氣，靜置20min，澆注成鑄錠。鑄錠進行均勻化處理，溫度為440°C， 時間為28h，車皮加工成擠壓和軋制規定尺寸。在44(TC加熱鑄錠，保溫 4h，擠壓比為20，擠壓速度為lm/min，擠壓成cHO棒材。軋制鑄錠時開 軋溫度為440。C，終軋溫度為300。C，變形率70%，軋製成5mm厚板材。 棒材和板材固溶溫度為480°C，時間為lh,時效溫度為150°C，時效時間 為18h。進行力學性能測試，棒材力學性能為Rm^750MPa，Rpo.2^685MPa， A》4， E》95GPa;板材力學性能為Rm》685MPa， Rpo.2》575MPa， A》 4， E^95GPa。
實施例3:
採用混合鹽反應法製備高強度高模量鋁基複合材料，其成分質量百分
比為Zn7.6， Mgl.8， Cu2.0， Zr0.05， Mn0.05， Cr0.04， TiB20.1，餘量為 Al。
其製備過程採用高純石墨坩堝，鋁錠熔化後，在75(TC打渣、精煉、 除氣，升溫至95(TC，採用高純石墨攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾K2TiF6 和KBF4混合鹽反應，反應時間為10min，清除反應殘鹽，加入Zn錠、Al 一Cu中間合金、Al—Mn中間合金、Al—Cr中間合金，在700。C加入Al 一Zr中間合金、鋁箔包裹的Mg錠，攪拌熔化，升溫至73(TC打渣、精煉、 除氣，靜置15min，澆注成鑄錠。鑄錠進行均勻化處理，溫度為50(TC， 時間為18h，車皮加工成擠壓和軋制規定尺寸。在50(TC加熱鑄錠，保溫 4h，擠壓比為70，擠壓速度為10m/min，擠壓成(HO棒材。軋制鑄錠時開 軋溫度為48(TC，終軋溫度為35(TC，變形率95%，軋製成5mm厚板材。 棒材和板材固溶溫度為450°C，時間為4h，時效溫度為IO(TC，時效時間 為28h。進行力學性能測試，棒材力學性能為Rm^715MPa，Rp。.2》670MPa， A>10， E^75GPa;板材力學性能為Rm>630MPa， RpQ.2》520MPa， A >10， E^75GPa。
圖1所示的鋁基複合材料TiB2顆粒SEM形貌，TiB2顆粒分布均勻，
大小均一，形狀規則，界面潔淨。圖2鋁基複合材料XRD衍射譜，從圖 可以看出，鋁基複合材料含有TiB2顆粒增強相。
綜上所述，本發明採用混合鹽反應法製備鋁基複合材料具有高強度高 模量力學性能；採用混合鹽反應法製備鋁基複合材料，反應生成的增強顆 粒，界面潔淨，與鋁基體結合良好，顆粒分布均勻；而且原料價格低廉， 生產工藝簡單，可實現工業化生產，值得推廣應用。
以上僅是本發明的具體應用範例，對本發明的保護範圍不構成任何限 制。凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利 保護範圍之內。
權利要求
1.高強度高模量鋁基複合材料，其特徵在於其成分的質量百分含量為Zn 7.6～8.4wt％，Mg 1.8～3.0wt％，Cu 2.0～2.6wt％，Zr 0.05～0.25wt％，Mn≤0.05wt％，Cr≤0.04wt％，TiB2 0.1～20％wt％，餘量為Al。
2. 製備權利要求1高強度高模量鋁基複合材料的方法，其特徵在於: 包括以下步驟——1) 在坩堝中加入鋁錠，加熱至660 75(TC鋁錠熔化，在730 750。C 打渣、精煉、除氣，用覆蓋劑覆蓋；2) 調整溫度在750 95(TC，用攪拌器攪拌鋁熔體，加入烘乾的K2TiF6和KBF4混合鹽反應；3) 清理反應殘鹽，加入Zn錠、Al—Cu中間合金、Al—Mn中間合金、 Al—Cr中間合金，攪拌熔化，調整溫度在670 70(TC，加入Al—Zr中間 合金、Mg錠，攪拌熔化，打渣、精煉、除氣、靜置，在730 750。C澆注 成鑄錠；4) 在440 50(TC對鑄錠進行均勻化處理18 28h，車皮，將鑄錠擠 壓成所需型材或軋製成所需板材；5) 對擠壓型材或軋制板材進行固溶和時效處理。
3. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟l)中採用高純石墨坩堝，打渣劑為ZS—AZ6無鈉型， 精煉劑為ZS—AJ6無鈉型，覆蓋劑為ZS—AF6無鈉型。
4. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟2)中採用高純石墨攪拌器攪拌，烘乾的K2TiF6和KBF4 混合鹽溫度範圍為100 300°C。
5. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟3)中打渣劑為ZS—AZ6無鈉型，精煉劑為ZS-AJ6 無鈉型，覆蓋劑為ZS—AF6無鈉型。
6. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟3)鑄錠的成分質量百分比為Zn7.6 8.4 wt%， Mg 1.8 3.0wt%， Cu2.0 2.6 wt%， Zr 0.05 0.25 wt% ， Mn《0.05wt%， Cr《0.04 wt%， TiB20.1 20% wt%，餘量為Al。
7. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟4)擠壓鑄錠時鑄錠加熱溫度為440 50(TC，擠壓比為 20 70，擠壓速度為l 10m/min。
8. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟4)軋制鑄錠時開軋溫度為440 480°C ，終軋溫度為300 350°C，變形率70 95°% 。
9. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟5)固溶處理的溫度為450 480。C，固溶時間為l 4h。
10. 根據權利要求2所述的高強度高模量鋁基複合材料的製備方法， 其特徵在於步驟5)時效處理的溫度為100 150°C，時效時間為18 28h。
全文摘要
本發明涉及高強度高模量鋁基複合材料及製備方法，成分質量百分比Zn 7.6～8.4，Mg 1.8～3.0，Cu 2.0～2.6，Zr 0.05～0.25，Mn≤0.05，Cr≤0.04，TiB2 0.1～20％。製備時在坩堝中加入鋁錠，加熱熔化，打渣、精煉、除氣，用覆蓋劑覆蓋；調整溫度，攪拌鋁熔體，加入烘乾的K2TiF6和KBF4混合鹽反應；清理反應殘鹽，加入Zn錠、Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Cr中間合金，攪拌熔化，調整溫度，加入Al-Zr中間合金、Mg錠，攪拌熔化，打渣、精煉、除氣、靜置、澆注成鑄錠；鑄錠進行均勻化處理，車皮，將鑄錠擠壓成所需型材和軋製成所需板材；進行固溶和時效處理。製備高強度高模量鋁基複合材料具有高強度高模量力學性能，反應生成的增強顆粒與鋁基體結合良好；原料價格低廉，易實現工業化生產。
文檔編號C22C21/10GK101168810SQ200710190080
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者樂永康, 張建平, 張文靜, 毛建偉 申請人:蘇州有色金屬研究院有限公司