本发明属于航空发动机叶片领域，具体涉及航空发动机叶片用铝基复合材料。
背景技术：
航空发动机，尤其是大涵道比商用航空发动机，除了高性能、高可靠性和长寿命的要求，对低排放、低噪音和低成本的要求越来越高，而降低排放和成本以及减少噪音的一个重要途径就是减轻发动机的重量。
发动机中风扇叶片的工作温度为环境温度，目前主要采用钛合金的空心设计或是树脂基复合材料制备。但是无论是空心钛合金风扇叶片还是树脂基复合材料的风扇叶片都存在制备难度大、周期长和成本高的问题。发动机中增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片的工作温度都在150℃以下，目前主要是采用不锈钢和钛合金制造。
对于以上三种发动机叶片，如果采用铝基复合材料制备，要么可以降低制备周期和成本(比如风扇叶片)，要么可以降低零部件的重量(比如增压级第一级静子叶片和转子叶片)。但是要实现铝基复合材料代替发动机中风扇叶片、增压级第一级静子叶片和转子叶片目前在用的材料，必须首先满足使用的性能要求。
传统的陶瓷颗粒增强铝基复合材料普遍采用在铝基体中外加陶瓷颗粒制备而成，这种铝基复合材料存在着陶瓷颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，陶瓷颗粒分布不均匀等缺陷，严重弱化了陶瓷颗粒的强化效果，影响了铝基复合材料的性能。同时采用外加陶瓷颗粒制备铝基复合材料存在着工艺过程复杂，成本较高等问题，不利于推广应用。另外，现有的原位自生的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的综合力学性能还不能完全满足发动机相关叶片的使用要求。
例如，cn103725911a涉及一种氧化铝颗粒增强铝基复合材料的制备方法， 该复合材料是采用外加氧化铝陶瓷颗粒到铝粉末中混合均匀，然后进行热压和热加工制备而成。该方法制备的复合材料中存在着陶瓷颗粒与基体界面结合差、力学性能不突出等问题，同时制备工艺步骤较多，不利于推广应用。
本领域仍然需要满足所需性能要求的铝基复合材料，以能用于制备航空发动机叶片。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种添加稀有元素sc的原位自生陶瓷颗粒增强铝基复合材料，使其基体和陶瓷颗粒的界面干净，结合良好，陶瓷颗粒分布均匀，复合材料具有高强度和高刚度,能够应用到航空发动机的叶片，例如增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片，以及风扇叶片等。
具体而言，本发明第一方面提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～7.0％，
mg：0.8～2.5％，
cu：1.2～2.6％，
zr：0.05～0.50％，
sc：0.10～0.40％，
tib2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，zn的质量百分比为4.0～6.0％、4.5～6.0％、5.0～7.0％或5.0～6.5％。
在一个或多个实施方案中，mg的质量百分比为0.8～2.0％、1.0～2.0％、1.3～1.8％、1.5～2.5％或1.3～2.0％。
在一个或多个实施方案中，cu的质量百分比为1.2～2.0％、1.5～2.3％、1.5～2.0％、1.7～2.6％或1.7～2.2％。
在一个或多个实施方案中，zr的质量百分比为0.05～0.40％、0.10～0.40％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.50％、0.25～0.50％、0.30～0.50％、0.35～0.50％、0.30～0.40％、0.20～0.30％、或0.25～0.35％等。
在一个或多个实施方案中，sc的质量百分比为0.10～0.35％、0.15～0.35％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.35％、0.25～0.40％、0.30～0.40％、0.15～0.30％、0.15～0.25％、0.10～0.30％、0.10～0.25％、或0.20～0.30％等。
在一个或多个实施方案中，tib2陶瓷颗粒的质量百分比为0.1～45.0％、0.1～40.0％、0.1～35.0％、0.1～30.0％、0.1～25.0％、0.1～20.0％、0.1～15.0％、0.1～10.0％、0.1～5.0％、0.5～5.0％、0.5～10.0％、0.5～20.0％、0.5～30.0％、0.5～40.0％、1.0～40.0％、1.0～30.0％、5.0～40.0％、5.0～30.0％、10.0～40.0％、10.0～30.0％、15.0～40.0％、15.0～35.0％、15.0～30.0％、20.0～50.0％、20.0～40.0％、25.0～50.0％、25.0～40.0％、或30.0～50.0％等。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～6.0％，
mg：0.8～2.0％，
cu：1.2～2.0％，
zr：0.1～0.40％，
sc：0.10～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.5～6.0％，
mg：1.0～2.0％，
cu：1.5～2.3％，
zr：0.2～0.40％，
sc：0.10～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.0～6.0％，
mg：1.0～2.0％，
cu：1.5～2.3％，
zr：0.20～0.35％，
sc：0.15～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：10.0～30.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.5～6.5％，
mg：1.5～2.5％，
cu：1.9～2.3％，
zr：0.25～0.35％，
sc：0.25～0.35％，
tib2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～5.5％，
mg：0.8～1.5％，
cu：1.2～2.0％，
zr：0.10～0.30％，
sc：0.10～0.25％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～25.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.5～6.5％，
mg：1.5～2.5％，
cu：1.9～2.3％，
zr：0.25～0.35％，
sc：0.25～0.35％，
tib2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，
余量为al。
在一个或多个实施方案中，所述tib2陶瓷颗粒的尺寸在300nm～1000nm，颗粒形状为近球型。
在一个或多个实施方案中，所述铝基复合材料为铸件形式。
本发明第二方面提供一种制备本文所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法，所述方法包括：
(1)使kbf4和k2tif6的混合物与mg和al的混合熔体发生如下化学反应：
3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+k3alf6+9kalf4；
(2)反应结束后，除去漂浮在熔体表面的反应副产物k3alf6和kalf4，获得反应产物；和
(3)将zn、al-cu合金、al-zr合金、al-sc合金加到步骤(2)获得的反应产物中，充分熔炼之后，通高纯氩气和六氯乙烷粉末进行除气精炼，并浇注成铸坯，再进行固溶和时效热处理，从而获得所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
在一个或多个实施方案中，通过将mg加入熔化的al中，获得所述mg和al的混合熔体；
在一个或多个实施方案中，将kbf4和k2tif6的混合物加到所述混合熔体中，使所述盐混合物与所述混合熔体发生所述化学反应。
在一个或多个实施方案中，固溶温度为466℃～480℃，保温时间为1h～4h。
在一个或多个实施方案中，固溶处理后进行淬火，淬火介质为水，淬火后使铸件自然冷却至室温。
在一个或多个实施方案中，人工时效温度为117～123℃，保温时间为15～20h，空冷。
在一个或多个实施方案中，所述固溶和时效热处理符合ams2772的要求。
本发明第三方面提供一种航空发动机叶片，所述叶片采用本发明所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备得到。
在一个或多个实施方案中，所述航空发动机叶片选自风扇叶片、增压级第一级静子叶片和转子叶片。
本发明第四方面还提供本发明所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料在制备航空发动机叶片中的用途。
在一个或多个实施方案中，所述航空发动机叶片选自风扇叶片、增压级第一级静子叶片和转子叶片。
附图说明
图1：本发明实施例2制备得到的tib2陶瓷颗粒增强铝基复合材料的显微组织。
具体实施方式
本发明提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～7.0％，
mg：0.8～2.5％，
cu：1.2～2.6％，
zr：0.05～0.50％，
sc：0.10～0.40％，
tib2陶瓷颗粒：0.1～50.0％，
余量为al。
本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料中，zn的质量百分比可以为4.0～6.0％、4.5～6.0％、5.0～7.0％或5.0～6.5％。
mg的质量百分比可以为0.8～2.0％、1.0～2.0％、1.3～1.8％、1.5～2.5％或1.3～2.0％。
cu的质量百分比可以为1.2～2.0％、1.5～2.3％、1.5～2.0％、1.7～2.6％或1.7～2.2％。
zr的质量百分比可以为0.05～0.40％、0.10～0.40％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.50％、0.25～0.50％、0.30～0.50％、0.35～0.50％、0.30～0.40％、0.20～0.30％、或0.25～0.35％等。
sc的质量百分比可以为0.10～0.35％、0.15～0.35％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.35％、0.25～0.40％、0.30～0.40％、0.15～0.30％、0.15～0.25％、0.10～0.30％、0.10～0.25％、或0.20～0.30％等。
tib2陶瓷颗粒的质量百分比可以为0.1～45.0％、0.1～40.0％、0.1～35.0％、0.1～30.0％、0.1～25.0％、0.1～20.0％、0.1～15.0％、0.1～10.0％、0.1～5.0％、0.5～5.0％、0.5～10.0％、0.5～20.0％、0.5～30.0％、0.5～40.0％、1.0～40.0％、1.0～30.0％、5.0～40.0％、5.0～30.0％、10.0～40.0％、10.0～30.0％、15.0～40.0％、15.0～35.0％、15.0～30.0％、20.0～50.0％、20.0～40.0％、25.0～50.0％、25.0～40.0％、或30.0～50.0％等。
应理解，上述各成分的各质量百分比范围可自由组合。因此，例如，在一个或多个实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～6.0％，
mg：0.8～2.0％，
cu：1.2～2.0％，
zr：0.1～0.40％，
sc：0.10～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，
余量为al。
在其它实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.5～6.0％，
mg：1.0～2.0％，
cu：1.5～2.3％，
zr：0.2～0.40％，
sc：0.10～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～40.0％，
余量为al。
或者，在其它实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.0～6.0％，
mg：1.0～2.0％，
cu：1.5～2.3％，
zr：0.20～0.35％，
sc：0.15～0.30％，
tib2陶瓷颗粒：10.0～30.0％，
余量为al。
又如，在一个或多个实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.5～6.5％，
mg：1.5～2.5％，
cu：1.9～2.3％，
zr：0.25～0.35％，
sc：0.25～0.35％，
tib2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，
余量为al。
在其它实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：4.0～5.5％，
mg：0.8～1.5％，
cu：1.2～2.0％，
zr：0.10～0.30％，
sc：0.10～0.25％，
tib2陶瓷颗粒：1.0～25.0％，
余量为al。
或者，在一个或多个实施方案中，本发明陶瓷颗粒增强铝基复合材料的组分及组分的质量百分比为：
zn：5.5～6.5％，
mg：1.5～2.5％，
cu：1.9～2.3％，
zr：0.25～0.35％，
sc：0.25～0.35％，
tib2陶瓷颗粒：20.0～35.0％，
余量为al。
适用于本发明的tib2陶瓷颗粒的尺寸优选在300nm～1000nm，例如，在400～1000nm的范围之内，例如在500～1000nm的范围之内。
优选的是，适用于本发明的tib2陶瓷颗粒的颗粒形状优选为近球型。
优选的是，本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料中，tib2陶瓷颗粒弥散分布在基体中，tib2陶瓷颗粒与基体界面干净。
本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料可采用包括以下步骤的方法制备：
(1)使kbf4和k2tif6的混合物与mg和al的混合熔体发生如下化学反应：
3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+k3alf6+9kalf4；
(2)反应结束后，除去漂浮在熔体表面的反应副产物k3alf6和kalf4，获得反应产物；和
(3)将zn、al-cu合金、al-zr合金和al-sc合金加到步骤(2)获得的反应产物中，充分熔炼之后，通高纯氩气和六氯乙烷粉末进行除气精炼，并浇注成铸坯，再进行固溶和时效热处理，从而获得所述陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
通常，通过将mg加入熔化的al中，获得所述mg和al的混合熔体。通常，mg占混合熔体的质量比为1.0～3.0％。
然后可将kbf4和k2tif6的混合物加到所述混合熔体中，使所述盐混合物与所述混合熔体发生所述化学反应。kbf4和k2tif6的用量应足以使得所生成的tib2的量满足本文所述的含量要求。
步骤(3)中，al-cu合金中，cu的质量比可在40～60％的范围之内，例如约50％。al-zr合金中，zr的质量比可在5～15％的范围之内，例如在8～12的范围之内，如约10％。al-sc合金中，sc的质量比可在1～5％的范围之内，例如在1～3％的范围之内，如约2％。
通常，步骤(3)中的固溶和时效热处理应满足ams2772的要求。例如，固溶温度通常为466℃～480℃，如466～475℃、470～475℃或473～480℃等，保温时间通常为1h～4h，如1h～3h、2h～4h、2h～3h等。固溶处理后进行淬火，淬火介质为水，淬火后使铸件自然冷却至室温。人工时效的温度通常为117～123℃，如117～121℃、120～123℃等，保温时间通常为15～20h，如15～18h、16～20h等，空冷。
本文中，在基体中，zn和mg在合金中形成主要的强化相mgzn2，mgzn2相在合金中的溶解度随温度降低而急剧下降，弥散析出，具有很强的时效硬化能力。加入一定数量的cu，可提高合金的力学性能和改善抗蚀性。加入zr可以增加合金在新淬火状态下的强度和人工时效效果，同时还能改善它的抗应力腐蚀性能。加入稀有元素sc可以有效抑制晶粒的长大，提高材料的强度。
在铸锭制备过程中，tib2陶瓷颗粒能够阻碍晶粒的长大，在挤压和热处理过程中，对基体的回复和再结晶起到抑制作用。tib2陶瓷颗粒弥散分布在基体中，能够有效的阻碍位错的运动。由于基体的热膨胀系数与tib2陶瓷颗粒的热膨胀系数存在较大差异，因此在制备或热处理过程中，极易在基体中形成高密度位错，产生强化作用。
因此，本发明克服了传统外加法陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒与基体界面结合差，材料的疲劳性能较差，机加工困难的技术难点；本发明中铝基复合材料基体和陶瓷颗粒的界面干净，结合良好，陶瓷颗粒分布均匀，如图1所示。本发明制备得到的铝基复合材料具有优异的力学性能，尤其是塑性延伸率和弹性模量相对现有的原位自生铝基复合材料有很大提高。具体而言，本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的屈服强度可达550～700mpa，与此同时塑性延伸率可达6％以上，旋转弯曲疲劳极限可达300mpa以上，足以克服现有的铝基复合材料的综合力学性能不能满足航空发动机增压级第一级静子叶片等叶片的使用需求的难题。而且，本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备工 艺简单，成本低，适合大规模工业化推广。
为获得铝基复合材料的发动机叶片零件，可以将由本发明的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制成的加压板坯或棒坯直接机加成叶片，也可以先通过模锻/热模锻形成叶片锻件，再进行数控加工成形。
下文将以具体实施例的方式阐述本发明。应理解，这些实施例仅仅是阐述性的，并不限制本发明。实施例中所用到的方法和工艺条件，除非另有说明，否则为本领域常规的方法和工艺条件。此外，应理解的是，本文中，“含有”、“包括”等术语也包括“由……组成”、“由……构成”。
实施例1
本实施例的组分及其质量百分比为：zn：4％、mg：0.8％、cu：1.2％、zr：0.05％、sc：0.1％、tib2：0.1％，余量为al。
制备工艺如下：在坩埚中加入工业纯铝，使铝锭熔化，压入工业纯mg，将kfb4、k2tif6均匀混合，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，使混合盐与熔体发生发应，反应结束后，取出发应副产物，然后加入工业纯zn、al－cu、al－zr、al－sc中间合金，除气精炼，浇注成铸坯，然后将铸坯挤压成棒坯，棒坯经以下固溶和时效热处理：固溶温度为466℃～480℃，保温时间为1h～4h，淬火介质为水(室温)，人工时效温度为120℃，保温时间为15～20h，空冷。热处理过程应符合ams2772的要求。从而获得本实施例的铝基复合材料。
经以上过程制备的铝基复合材料，其tib2颗粒的尺寸在300～1000nm，颗粒形状主要为近球型，颗粒弥散分布在基体中，tib2颗粒与基体界面干净，无界面反应，结合良好。
根据astmb557m和astme111测得材料的平均力学性能：σb＝640mpa，σ0.2＝570mpa，δ＝10％，e＝73gpa。
实施例2
本实施例的组分及其质量百分比为：zn：5.5％、mg：1.5％、cu：1.9％、 zr：0.28％、sc：0.25％、tib2：25％，余量为al。
制备工艺如下：在坩埚中加入工业纯铝，使铝锭熔化，压入工业纯mg，将kfb4、k2tif6均匀混合，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，使混合盐与熔体发生发应，反应结束后，取出发应副产物，然后加入工业纯zn、al－cu、al－zr、al－sc中间合金，除气精炼，浇注成铸坯，然后将铸坯挤压成棒坯，棒坯经以下固溶和时效热处理：固溶温度为466℃～480℃，保温时间为1h～4h，淬火介质为水(室温)，人工时效温度120℃，保温时间为15～20h，空冷。热处理过程应符合ams2772的要求。从而获得本实施例的铝基复合材料。
经以上过程制备的铝基复合材料，其tib2颗粒的尺寸在300～1000nm，颗粒形状主要为近球形，颗粒弥散分布在基体中，tib2颗粒与基体界面干净，无界面反应，结合良好。
根据astmb557m和astme111测得材料的平均力学性能：σb＝700mpa，σ0.2＝630mpa，δ＝8％，e＝98gpa。
实施例3
本实施例的组分及其质量百分比为：zn：7％、mg：2.5％、cu：2.6％、zr：0.5％、sc：0.4％、tib2：50％，余量为al。
制备工艺如下：在坩埚中加入工业纯铝，使铝锭熔化，压入工业纯mg，将kfb4、k2tif6均匀混合，然后将混合盐加入熔体中，进行机械搅拌，使混合盐与熔体发生发应，反应结束后，取出发应副产物，然后加入工业纯zn、al－cu、al－zr、al－sc中间合金，除气精炼，浇注成铸坯，然后将铸坯挤压成棒坯，棒坯经以下固溶和时效热处理：固溶温度为466℃～480℃，保温时间为1h～4h，淬火介质为水(室温)，人工时效温度120℃，保温时间为15～20h，空冷。热处理过程应符合ams2772的要求。从而获得本实施例的铝基复合材料。
经以上过程制备的铝基复合材料，其tib2颗粒的尺寸在300～1000nm，颗粒形状主要为近球型，颗粒弥散分布在基体中，tib2颗粒与基体界面干净，无界面反应，结合良好。
根据astmb557m和astme111测得材料的平均力学性能：σb＝790mpa，σ0.2＝680mpa，δ＝6％，e＝135gpa。