专利名称：铝合金复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有高的强度、硬度和良好延展性的铝合金材料。该材料是铝-锂合金为基带有强化物的复合材料，借助喷涂沉积而形成。
为发展应用于航空(航天)领域的高硬度铝基合金，人们已经作了很大的努力。获得这种材料的尝试已经集中于发展传统的铸锭铸造技术来生产含锂量达3%(重量)的铝合金。这种合金的弹性模量改善了约10%(达约80GPa)，同时密度降低了约10%(达约2.54Mg/m3)。众所周知，Al-Li合金的延展性很差。事实上，脆性问题使用铸造冶金法生产的铝合金中的锂含量被限制在大约3%(重量)。其它可选择的生产途径，如粉末冶金法，由于其所需的加工费用较昂贵，故很少被人注意。
第二种可获得这种具有良好的强度/硬度与重量之比的材料的途径是制备金属基复合材料。这类材料与AL-Li合金相比对于弹性模量的提高有更大的潜力(可达150GPa以上)。这类材料的发展已主要集中在生产含须或纤维的强化合金上。这类方法要求有复杂的工艺路线，若再考虑到原材料的价格昂贵问题，既便其在弹性模量上有很大的改善，但还是带来了巨大的成本负担。高长度/直径比的强化物的使用还可导致显著的各向异性。近来，更多的注意力被吸引到颗粒强化金属基复合材料上来。虽然，比较地讲，其在弹性模量上的改进只属中等，但它具有各向同性。这类金属基复合材料的生产方法已有多种，报导最多的是粉末混合法。众所周知，在铝合金中加入强化物不仅能增加弹性模量，而且会降低延展性。加入10%(体积)的颗粒状强化物，一般地讲，会使铝合金的延展性降至原有数值的25%左右。因此，通常金属基复合材料的延展性较低，不适于用在对延展性要求较高的场合。
例如，D.Webster(冶金文摘1982年第13A卷，第1511页-Met.Trans.，13A，P1511，1982)借助粉末冶金技术制备了用SiC须强化的Al-Li(合金)基复合材料。但除一例外，所有实例均被报导说是脆性的，而且在达到0.2%拉伸屈服强度(σ0.2)之前就发生断裂。例外的一例(未说明其延展性)是以低强度二元Al-Li合金为基的。
EP-45622A是关于经机械合金化的弥散强化铝-锂合金。弥散体的尺寸为亚微米级且是于现场形成。
VonBradskyG.等在《材料科学杂志》(JournalofMaterialsScience)1987年第22期，1469～1476页阐述了一种借助气体雾化生产10微米以下的Al-Li合金速固化粉末的方法。
用喷铸的方法制备金属沉积产品(如铝)的方法在一系列专利中均有描述，其中以GB-1379261和GB-1472939最有代表性。该技术包括通过将融熔金属流雾化以形成热金属粒子雾;将颗粒雾喷到模体上以便在其上形成所需要的沉积层;确定气体的温度和流速以便在(金属粒子)飞行及沉积期间从雾化的金属颗粒中吸收足够的、可以控制的热量，由此，使沉积物的固化不依赖于模体的温度和/或模体的热性能。融熔金属滴的平均直径超过10微米，一般为50～200微米。用这种方法得到的沉积层基本上是非颗粒性的，无偏折，致密程度超过95%，且具有基本上是均匀分布的封闭内核(closedinternalpore)结构。
英国专利说明书2172825和2172827描述了喷铸技术在制造金属基复合材料上的使用。
本发明是建立于几个令人感兴趣的发现之上。首先，已知的喷铸技术可以用于Al-Li合金，这种材料的生产非常容易。该合金并不像原先所预料的那样会在喷铸过程中堵塞喷咀。其次，在喷铸材料中加入强化物不但增加硬度而且还使沉积物获得了显著的机加工延展性，(一般情况下，加入10%(体积)的强化物颗粒至少可使产品的延展性比没有强化物的合金提高0.5倍)。再者，用喷涂沉积生产的铸锭没有表现出由残余应力引起开裂的迹象。由于这种开裂是传统技术铸造的Al-Li铸锭存在的主要问题，因而，这种效果就特别令人感兴趣(见JournaldePhysique，Colloq.C3，9增刊，48卷，1987年9月，第26页，P.E.Bretz的报告，及GB-1605035。后者指出传统喷铸工艺会在最外侧的金属沉积层中产生残余拉伸应力，而这种残余应力容易引起沉积层的开裂或基体的变形)。
本发明提供了一种通过喷铸方法生产的由Al-Li合金基体和强化物所构成的金属基复合物，它经挤压和时效硬化处理后，具有下述性质0.2%屈服强度-≥400MPa拉伸强度-≥440MPa延伸率-≥2.0%弹性模量-≥85GPa密度-≤2.75Mg/m3(吨/立方米)
本发明包括铸态复合材料，(可能有一定程度的疏松)，以及由此所生产出的所有产品，包括锻件，挤压件，铸件，轧制产品(片和板)及管材。上述性质是对经挤压和时效硬化处理的材料而言。可以认识到，本发明还包括那些不必具有这些性质的产品，但对于这些产品，上述性质可通过挤压和时效硬化处理而得到。
该金属基复合物可含陶瓷强化物1-50%(体积)，一般为5%～30%(体积)，最好为10～15%(体积)。如果强化物含量太低，复合材料将不具备要求的弹性模量。如果强化物含量太高，则复合材料就可能不具有要求的延展性。
强化物最好是粒状的，其纵横比不超过5∶1。颗粒平均直径可以在1～100微米范围内，一般为5～40微米，最好为5～15微米。强化物也可以是连续的或不连续的纤维，或须或丝(staple)，其平均(纤维)直径通常是0.1～500微米，最好是1～50微米。但颗粒强化物最好，因为颗粒材料比其它形式的材料更为便宜，且能得到性能优良的各向同性复合材料。
选择的强化物应具有比基体合金更高的模量，其可以是高弹性模量的碳化物，氧化物，硼化物或氮化物，如碳化硅、氧化铝或碳化硼。这些用于金属基复合材料的陶瓷强化物在本领域是为人熟知的。
该金属基体中锂的含量可达10%(重量)，含量一般是1.0～3.0%(重量)。尽管锂确能提高合金的强度，但它的主要作用是降低密度。考虑到还有其它合金成分和陶瓷强化物，因此需要足够的锂以保持(完全致密的)复合物的密度低于2.75Mg/m3，当所用的锂量较多时，需要注意复合物的配比以获得所需的延展性。
金属基体可含其它组份，如传统的Al-Li合金中所含的那些组份，见下所示(重量%)铜≤5.0，最好1.0～2.2%镁≤10.0最好0.5～1.3%锆≤0.20最好0.04～0.16%铁≤0.5%硅≤0.5%锌≤5.0%钛≤0.5%锰≤0.5%铬≤0.5%其它各种元素均≤0.5%其它各种元素的总量≤1.0%为获得期望的强度性能，须(向基体)加入Cu、Mg和Zr中的至少一种，最好加入三种。
本发明的金属基复合物可借助英国专利说明书2172825和2172827所述的喷铸技术来制备。一般地讲，这种技术包括下列步骤通过将熔融合金(流)引入到相对较冷的气体(其射向熔融合金流)中使熔融Al-Li合金流雾化，形成热金属颗粒雾;将细小的强化物固体颗粒置于熔融合金流或雾中;以及沉积含有细颗粒的金属流或雾。在实施中，强化物可于室温下注入或于喷涂金属的过热温度以下(的温度)注入，并可于多个区段向熔融金属中送料。然而，最好是在熔融金属开始分化形成雾之前或就在其之后将强化物加入到所谓“雾化区”小Ｎ砘蹇梢允请不虻湮露劝闯９嬗κ鞘椅拢谑凳┲芯Ｊ堑陀谒缤康腁l-Li合金之熔点的某一温度。如果需要，强化物可以由雾化气体携带或由气体的一支分流携带，或者借助重力或震动被注入到雾化区中。
最终的沉积金属基复合物可经受标准的金属成型技术处理，如机加工、锻造、挤压、轧制和铸造，并可按需要加热并加工以产生所需要的性能。在挤压及时效硬化状态下，该复合物具有下述性能(a)0.2%屈服强度≥400MPa，最好≥440MPa，极限抗拉强度≥440MPa，最好≥480MPa，这些性质主要是通过采用本领域熟知的技术对金属基体中的锂和其它合金组分的浓度进行控制而获得。
(b)弹性模量≥85GPa，最好≥93GPa，这一性能主要是通过采用本领域熟知的方法对强化物的性质、形态和成分进行选择而获得。
(c)密度≤2.75Mg/m3，最好≤2.70Mg/m3。这一点是由控制合金中的锂含量而获得。
(d)至断裂的延伸率≥2.0%，最好≥2.3%。令人吃惊的是，这一性质是由于所用的(形成复合物的)喷铸技术而产生。
实施例1喷铸设备购自OspreyMetals，Neath并在Alcan国际有限公司的Banbury实验室得到进一步改进。该设备包括1个4.5mm内径的耐热氧化物喷咀，用来借助重力输送熔融金属流。围绕着喷咀的是带有小孔的第一气体喷咀，用以引入第一辅助气体流，该气流平行且围绕着金属流，将熔融金属围罩在其中。围绕着第一气体喷咀的是第二气体喷咀，其具有多个喷孔，用来将第二雾化气体流引入熔融金属流中。第二气体流在喷咀下方h处与熔融金属接触，并将其雾化成金属颗粒雾。
第二雾化气体流限定了一个高度为h，半径等于金属流到(气体)喷咀的距离的圆锥。由运载气体携带的强化物颗粒，经一管子引入到该圆锥中。
喷涂的熔融金属有下列组分(重量百分比)Li-2.3;Cu-1.08;Mg-0.50;Zr-0.12;Fe-0.08;Si-0.04;Al为余量。此成分是铝协会合订年鉴(AluminumAssociationInc.Register)中合金8090限定成分范围的下限。所用的陶瓷强化物是碳化硅粒料(F600，Sika3级)，平均直径为13微米。熔化喷雾的温度为700～705℃。所用的雾化气是氮气，第一气体的压力为0.3MPa，第二气体的压力为0.6MPa。一次持续大约80秒的喷雾沉积操作将产生重8.3Kg的沉积物。
沉积物经机加工成直径80毫米，长228毫米的挤压坯料。通过缓慢加热坯锭至540℃并保温24小时以实现均匀化。按大约20∶1的挤压比进行拉拔(挤压)，得到直径为18毫米的圆棒。将所得的棒于535℃在空气炉中进行15分钟的固溶处理，然后用冷水
火。棒在时效前拉长2%，然后于150℃下进行40小时的时效处理。这一处理可获得近于最好的性能。
喷涂后的沉积物中，碳化硅是均匀分布的。所形成的相均匀分布在整个基体中而不是集中伴生在基体和碳化硅的界面上。相分布与传统的铸造8090合金相比明显改善。对于产品晶粒尺寸的观察证实微观结构发生了细化，其尺寸大约为50微米。
均匀化处理是成功的，其结果导致了除含铁金属间化合物外的所有生成相发生溶解。复合物中的碳化硅的总体积分数是11.8%。
在挤压棒中，碳化硅是均匀分布的，然而，挤压过程会导致颗粒沿挤压方向形成直线排列。在初生锭中所观察到的疏松在挤压过程中发生闭合，而在挤压过程中出现的附加沉淀物也能够在固溶热处理中被很容易地溶解掉。
在经过固溶、冷水
火、拉伸和150℃时效40小时的处理后，挤压棒的机械性能如下(根据带有40毫米标距的试样所得的结果)0.2%屈服强度-486MPa拉伸强度-529MPa延伸率-2.6%弹性模量-100.1GPa密度 -2.62Mg/m3(吨/立方米)不论所研究的材料本质如何，该复合物的一般性能要比传统的铸造和挤压(非强化)的8090合金为好，主要区别在于弹性模量的显著增大。其弹性模量比常规铝合金的增加30%以上，硬度/密度比增加了大约50%，且在获得这些性质的同时并未过多地损失其延展性。用碳化硅须和氧化铝作为Al-Li合金的强化物可使产品具有高的弹性模量，但延展性和断裂韧性很差。
可以预料，向上述Al-Li合金添加更高比例的碳化硅(或其它强化物)会导致弹性模量的进一步改善，但这是以延展性的稍微降低为代价的。
实施例2用类似于实施例1的方法所生产的挤压产品，其进一步的机械性能被测定。所有这些(性能)均与时效前的拉伸量有关，并涉及拉伸量对该产品性能的影响。
(时效前的)拉伸程度0.2%屈服程度拉伸程度延伸率(MPa)(MPa)(%)(GPa)0%451.2508.42.794.42%499.4539.83.195.25%518.8555.93.495.6上述性能表明该材料的强度较初始情况有所改善，延展性也更高。所用的合金成分为(重量百分比)2.43-Li1.12-Cu0.61-Mg0.15-Zr0.036-Ti0.06-Fe0.06-Si余量-Al实施例3对Al-Li合金来说，与SiC相比，碳化硼B4C可能是潜在的更好的强化物。可以预料，将B4C而不是SiC加入到Al-Li合金中可导致类似的弹性模量和机械性能，但由于该强化物的密度较低(B4C为2.5克/立方厘米，SiC为3.2克/立方厘米)，因此会使最终复合物的密度减少到将近2.52克/立方厘米。
B4C被加入到Al-Li合金中。所用的合金其成分是在8090合金的规定范围内。该强化物是购自西德ESK，为F600级粒状体，与前述实施例所用的SiC相比其具有更好的等轴结构。
在加入前，将B4C在190℃干燥24小时。使用的熔化喷涂温度是748℃。雾化气体是N2，第一气体压力为0.17MPa，第二气体压力为6.09MPa。喷涂大约115秒，形成的沉积物重7.8公斤。沉积物的尺寸近似为直径140毫米，长200毫米。B4C的含量为6.7%(体积)。
权利要求
1.一种用喷涂沉积方法生产的金属基复合物包括Al-Li合金基体和强化物，其在挤压和时效硬化状态下具有下列性质0.2%屈服强度≥400MPa拉伸强度≥440MPa延伸率 ≥2.0%弹性模量≥85GPa密度 ≤2.75Mg/m3。
2.根据权利要求1的复合物，其中含5～30%(体积)的强化物。
3.根据权利要求1或2的复合物，其中强化物是平均直径为5～40微米的颗粒体。
4.根据权利要求1～3中任一项的复合物，其中所说的强化物是碳化硅。
5.根据权利要求1～3中任一项的复合物，其中所说的强化物是碳化硼。
6.根据权利要求1～5中任一项的复合物，其中金属基中的锂含量为1～3%(重量)
7.根据权利要求1～6中任一项的复合物，其中合金基体还含有下列成份之一种或多种1.0～2.2%的铜;0.5～1.3%的镁;0.04～0.16%的锆(以上均为重量百分比)。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的复合物，其制备方法包括通过将熔融金属流置于相对冷的并指向该金属流的气体中，将熔融Al-Li合金流雾化以形成热金属颗粒雾，在金属流或喷雾中加入细小的强化物固体，以及沉积上述带有细颗粒的金属。
全文摘要
一种金属基复合物，可用下述方法制备通入相对冷的气体并使其指向熔融金属，以使熔融铝-锂合金流雾化并形成热金属颗粒雾；在金属流或雾中加入细小的固体强化物颗粒，如碳化硅；沉积所说的带有细颗粒的金属。所得的复合物在挤压和时效状态下有下列性质
文档编号C23C4/12GK1030259SQ88104500
公开日1989年1月11日 申请日期1988年6月9日 优先权日1987年6月9日
发明者理查德·迈克尔·乔丹, 约翰·怀特, 特里维·考特尼·韦利斯 申请人:艾尔坎国际有限公司