本發(fā)明涉及鋁合金材料的制備方法，具體涉及一種高模高強(qiáng)高韌層狀微觀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料制備方法，屬于鋁合金材料。

背景技術(shù)：

1、鋁合金材料是航空主要結(jié)構(gòu)材料之一，但是模量難以突破。材料復(fù)合化是提升綜合力學(xué)性能的有效方法。在鋁合金中加入陶瓷顆粒可以顯著提升鋁合金材料的彈性模量和強(qiáng)度。然而，由于硬質(zhì)陶瓷顆粒存在易導(dǎo)致材料的塑性降低，一方面是由于陶瓷顆粒界面反應(yīng)難控制，界面反應(yīng)產(chǎn)物促使材料提前破壞，韌性降低；另一方面，顆粒尺寸大易引起局部應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致顆粒過早地?cái)嗔?，加速斷裂過程。

2、因此，利用鋁合金熔體中原位反應(yīng)生成陶瓷顆粒，顆粒形貌規(guī)整、尺寸細(xì)小、無界面反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，使其具有較好的強(qiáng)度和韌性。但是鋁合金熔體中的細(xì)小陶瓷顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，不利于材料強(qiáng)度、塑性的進(jìn)一步提升。此外，陶瓷顆粒引入會(huì)細(xì)化晶粒，不利于韌性的提高。

3、采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以突破材料強(qiáng)塑性提升瓶頸問題。例如，形成“軟”“硬”交替層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提升強(qiáng)度，軟組織部分又可以提升塑型和阻礙裂紋擴(kuò)展，提升斷裂韌性。同時(shí)，“軟”、“硬”區(qū)域界面附近會(huì)產(chǎn)生背應(yīng)力，異質(zhì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步有利于改善強(qiáng)塑性。目前，層狀組織結(jié)構(gòu)主要通過累積疊軋的方式制備，但是該方法會(huì)引入大量的層狀界面，界面處缺陷、夾雜、結(jié)合強(qiáng)度難以控制，對板材的表面質(zhì)量要求高，制備工藝復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對微納陶瓷顆粒分布難以分散和強(qiáng)度-韌性難以同步提高的問題，本發(fā)明制備一種原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金組織交替分布的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)組織，從熔體到鑄錠成形過程中形成層狀微觀結(jié)構(gòu)分布，避免了疊軋技術(shù)存在的問題，解決細(xì)小顆粒在鋁合金中易團(tuán)聚問題和常規(guī)強(qiáng)化機(jī)制引起塑性降低的問題，實(shí)現(xiàn)彈性模量、強(qiáng)度、延伸率同步提高。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：利用原位自生法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料熔體，并制備不添加顆粒的鋁合金熔體，將所述鋁基復(fù)合材料熔體與鋁合金熔體分別交替經(jīng)過霧化系統(tǒng)后直接逐層成形，所得復(fù)合材料錠坯無分層界面缺陷，然后對錠坯進(jìn)行熱等靜壓、退火、塑性變形加工、熱處理。本發(fā)明處理對象為原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金材料，其中，鋁合金材料中的合金元素與顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中的合金元素可以一致，也可以不同，具體包括如下步驟：

3、(1)獲得tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金材料，其中tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中的tib2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3-15％；

4、(2)將所述tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金材料分別在坩堝內(nèi)進(jìn)行加熱得到熔體，熔體保溫溫度為700-850℃；

5、(3)將步驟(2)中的兩種熔體經(jīng)過霧化系統(tǒng)形成熔滴，交替沉積在轉(zhuǎn)動(dòng)的托盤上形成層狀微觀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料錠坯，其中沉積鋁基復(fù)合材料和鋁合金的交替時(shí)間比為1～3；

6、(4)將所述的鋁基復(fù)合材料錠坯經(jīng)過均勻化退火處理，均勻化退火溫度為250-500℃，保溫時(shí)間為2-12h，隨后空冷；

7、(5)將均勻化退火后的錠坯進(jìn)行熱等靜壓處理，獲得致密度大于等于99％的錠坯，空冷；

8、(6)步驟(5)所述的錠坯進(jìn)行塑性成形，可選擇采用軋制或擠壓成形；

9、(7)將步驟(6)擠壓或軋制處理后的材料進(jìn)行固溶處理，所述固溶處理包括加熱、保溫和水淬步驟；隨后進(jìn)行室溫下冷加工變形處理，轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔小于等于1h，變形量為2％-20％；

10、(8)將冷加工變形處理后的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行雙級時(shí)效處理或單級時(shí)效處理。

11、優(yōu)選地，所述步驟(1)中，tib2顆粒尺寸分布為20-2000nm，tib2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％，6％，或15％。

12、優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金材料的重量比為(1～3)：1。

13、優(yōu)選地，所述步驟(3)中，所述鋁基復(fù)合材料熔體和鋁合金熔體，通過自動(dòng)控制活塞桿交替打開、關(guān)閉坩堝底部出液孔，使兩種熔體交替流出，再先后經(jīng)過電磁攪拌和超聲霧化系統(tǒng)，交替噴射沉積逐層形成錠坯，交替的時(shí)間間隔控制鋁合金或鋁基復(fù)合材料每層的厚度。

14、優(yōu)選地，所述步驟(4)中退火溫度為350℃保溫8h。

15、優(yōu)選地，所述步驟(5)的熱等靜壓處理為：采用金屬包套，壓力大于等于100mpa，熱壓溫度為420-550℃，保壓時(shí)間為2-8h。

16、優(yōu)選地，所述擠壓成形方式為：擠壓方向垂直于沉積高度方向，將錠坯于400-460℃保溫2-6h后進(jìn)行熱擠壓成形。

17、優(yōu)選地，所述軋制成形的方式為：軋制面垂直于沉積高度方向，將錠坯于400-460℃保溫2-6h后進(jìn)行熱軋(例1-2為400℃保溫6h，例3為460℃保溫2h)，單道次軋制下壓量為5-20％(例1-2為20％，例3為5％)；將熱軋后的鋁基復(fù)合材料板材進(jìn)行退火處理，退火溫度為300-480℃，保溫時(shí)間為1-6h(例1為300℃保溫6h，例2為480℃保溫1h，例3為350℃保溫4h)；空冷后進(jìn)行冷軋，板材軋制至目標(biāo)厚度，冷軋過程中每道次的變形量為1-5％；將冷軋后的板材進(jìn)行退火處理，退火溫度為200-380℃，保溫時(shí)間為0.5-10h。

18、優(yōu)選地，所述固溶處理包括單級固溶處理或雙級固溶處理。

19、優(yōu)選地，所述單級固溶處理的加熱溫度為470-510℃，保溫時(shí)間為1-5h，隨后迅速水淬，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于等于15s。

20、優(yōu)選地，所述雙級固溶處理的加熱溫度為470℃保溫1h和500℃保溫30min，

21、隨后迅速水淬，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于等于15s(例3為470℃保溫1h和500℃保溫0.5h)。

22、優(yōu)選地，雙級時(shí)效處理為120-180℃保溫10-60min，再100℃保溫96-240h；單級時(shí)效處理溫度為60-120℃，保溫時(shí)間為120h-720h。

23、本發(fā)明提供了一種高模高強(qiáng)高韌層狀微觀結(jié)果鋁基復(fù)合材料制備方法，提高鋁合金材料的彈性模量和強(qiáng)度的同時(shí)提高延伸率。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

25、本發(fā)明提供一種高模高強(qiáng)高韌層狀微觀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料制備方法，通過原位自生鋁基復(fù)合材料和鋁合金熔體交替噴射成形、塑性變形和熱處理等工藝可實(shí)現(xiàn)非均勻陶瓷顆粒分布和非均勻晶粒尺寸分布的層狀微觀結(jié)構(gòu)，提高鋁合金板材模量、強(qiáng)度和疲勞性能，工藝方法簡單易操作，所涉及到的材料制備、塑性成形、熱處理工藝具備工業(yè)化生產(chǎn)條件。本發(fā)明中的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料細(xì)晶層可以顯著提升鋁合金的彈性模量和強(qiáng)度，而鋁合金粗晶層可以提升位錯(cuò)容納能力，降低細(xì)晶區(qū)的應(yīng)力集中從而改善塑性，從而提升材料整體的塑性；陶瓷顆粒不僅能提升強(qiáng)度，還能抑制粗晶層的局部滑移帶開裂，促進(jìn)塑性變形均勻性，提升塑性；同時(shí)粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)之間會(huì)形成應(yīng)變梯度，產(chǎn)生應(yīng)變梯度強(qiáng)化。最終，可以實(shí)現(xiàn)模量強(qiáng)度和塑性同時(shí)提升的效果。

技術(shù)特征：

1.一種高模高強(qiáng)高韌層狀微觀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，tib2顆粒尺寸分布為20-2000nm，tib2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％，6％，或15％。

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和鋁合金材料的重量比為(1～3)：1。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中，所述退火溫度為350℃保溫8h。

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)的熱等靜壓處理為：采用金屬包套，壓力大于等于100mpa，熱壓溫度為420-550℃，保壓時(shí)間為2-8h。

6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(6)中，所述擠壓成形方式為：擠壓方向垂直于沉積高度方向，將錠坯于400-460℃保溫2-6h后進(jìn)行熱擠壓成形。

7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(6)中，所述軋制成形的方式為：軋制面垂直于沉積高度方向，將錠坯于400-460℃保溫2-6h后進(jìn)行熱軋，單道次軋制下壓量為5-20％；將熱軋后的鋁基復(fù)合材料板材進(jìn)行退火處理，退火溫度為300-480℃，保溫時(shí)間為1-6h；空冷后進(jìn)行冷軋，板材軋制至目標(biāo)厚度，冷軋過程中每道次的變形量為1-5％；將冷軋后的板材進(jìn)行退火處理，退火溫度為200-380℃，保溫時(shí)間為0.5-10h。

8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶處理包括單級固溶處理或雙級固溶處理，所述單級固溶處理的加熱溫度為470-510℃，保溫時(shí)間為1-5h，隨后迅速水淬，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于等于15s；所述雙級固溶處理的加熱溫度為470℃保溫1h和500℃保溫30min，隨后迅速水淬，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于等于15s。

9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述雙級時(shí)效處理為120-180℃保溫10-60min，再100℃保溫96-240h；所述單級時(shí)效處理溫度為60-120℃，保溫時(shí)間為120h-720h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高模高強(qiáng)高韌層狀微觀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料制備方法，屬于鋁合金材料技術(shù)領(lǐng)域。將原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與合金成分進(jìn)行層狀微觀結(jié)構(gòu)分布設(shè)計(jì)，制備鑄錠、熱等靜壓、塑性變形、固溶處理和時(shí)效處理，通過層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料微觀構(gòu)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高模高強(qiáng)高韌性鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料制備和加工方法簡單合理，可利用現(xiàn)有工業(yè)化設(shè)備進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：耿繼偉,陳東,李宇罡,夏培康,夏存娟,王浩偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24