铝合金复合材料的制作方法
【专利说明】锅合金复合材料
[0001] 本发明涉及具有高的强度、硬度和良好延展性的铅合金材料。改材料是铅-裡合 金伟基带有强化物的复合材料，借助喷涂沉积而形成。
[0002] 为发展应用与航空（航天）领域的高硬度铅合金，人们已经作了很大的努力。获 得送种材料的尝试已经集中于发展传统的驻锭铸造技术来生产含裡量达3% (重量）的铅 合金。送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，U-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 的铅合金中的裡含量被限制在达约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。
[0003] 第二种可获得送种具有良好的强度/硬度与重量之比的材料的途径是制备金属 基复合材料。送类材料与AL-Li合金相比对于弹性模量的提高有更大的潜力（可达约 150GPaW上）。送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。送类方法要 求有复杂的工艺路线，若再考虑到原材料的价格昂贵问题，即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 项异性。进来，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，但它具有各项同性。送类金属基复合材料的生产方法已有 多种，报道最多的是粉末混合法。中所周知，在铅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，会使铅合金的雁阵型降 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。
[0004] 例如，D. Webster (冶金文摘1982年第13A卷，第1511页--Met. 化ans，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，所有实例均被报道说是脆性的，而且在达到0.2%拉伸屈服强度0.2) 之前就发生断裂。例外的一例（未说明其延展性）是W低强度二元Al-Li合金为基的。
[0005] EP-45622A是关于经机械合金化的弥散强化铅-裡合金。弥散体的尺寸为亚微米 级且是于现场形成。
[0006] VONBradskyG.等在《材料科学杂志》（Journal of Materials Science) I987 年第 22期，1469~1476页阐述了一中借助气体雾化生产10微米W下的M-Li合金速固化粉末 的方法。
[0007] 用喷铸的方法制备金属沉积产品（如铅）的方法在一系列专利中均有描述，其中 W GB-1379261和GB-1472939最有代表性。该技术包括：通过将烙融金属流雾化W形成热 金属粒子雾；将粒子雾喷到模体上W便在其上形成所需要的沉积层；确定气体的温度和流 速W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W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。烙融金属滴的平局直径 超过10微米，一般为50~200微米。用送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（closed internal pore)结 构。
[0008] 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。
[0009] 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W用于 A^Li合金，送种材料的生产非常容易。该合金并不像原先所预料的郝种会在喷组过程中堵 塞喷巧。其次，在喷铸材料中加入强化物不但增加硬度而且还使沉淀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，用喷涂沉积生产的驻锭没有表现出由残余应力引起开裂 的迹象。由于送种开裂是传统技术铸造的Al-Li铸钉存在的主要问题，因而，送种效果就特 别令人感兴趣（见 Journal de Physique, 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：传统喷铸公益辉在最外侧的金属沉积层中产 生残余拉伸应力，而送种残余应力容易引起沉积层的开裂或基体的变形）。
[0010] 本发明提供了一中通过喷铸方法生产的由M-Li合金基体和强化物构成的金属 基复合物，它经挤压和时效硬化处理后，具有下述性质：
[0011] 0. 2 %屈服强度--登400MPa
[001引 拉伸强度--登440MPa
[0013] 延伸率--^ 2. 0%
[0014] 弹性模量--^ 85GPa
[001引 密度--兰2. 75Mg/m3 (吨/立方米）。
[0016] 本发明包括铸态复合材料，（可能有一定程度的疏松），W及由此所产生出的所有 产品，包括锻件，积压件，铸件，社制产品（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W认识到，本发明还包括郝些不必具有送些性质的产品，但对于送些 产品，上述性质可通过挤压和时效硬化处理而得到。
[0017] 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。
[0018] 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W再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W使连续的或不连续的前卫， 或须或丝（staple)，其平均（纤维）直径通常是0. 2~500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。
[0019] 选择的强化物应具有比基本合金更高的模量，其可W使高弹性模量的碳化物，氧 化物，测化物或氮化物，如碳化娃、氧化铅或碳化测。送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。
[0020] 该金属基本中裡的含量可达10% (重量），含量一般是1.0~3.0% (重量）。尽 管裡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，因此需要足够的裡W保持（完全致密的）复合物的密度低于2. 75Mg/m3,当所用的 裡量较多时，需要注意复合物的配比W获得所需的延展性。
[0021] 金属基体可含其它组份，如传统的M-Li合金中所含的郝些组分，见下所示（重 量％ ):
[002引 铜兰5. 0,最好1. ο~2. 2%
[0023] 镇兰 10. 0,最好 0.5 ~1.3%
[0024] 铅兰 0. 20,最好 0. 04 ~0. 16%
[00巧]铁兰0.5%
[0026] 娃兰 0.5%
[0027] 锋兰 5.0%
[0028] 铁兰 0.5%
[0029] 儘兰 0.5%
[0030] 館兰 0.5%
[0031] 其它各种元素均兰0.5%
[0032] 其它各种元素的总量兰1.0%
[0033] 为获得期望的强度性能，须（向基体）加入化、Mg和Zr中的至少一种，最好加入 二种。
[0034] 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。一般的讲，送种技术包括下列步骤；通过将烙融合金（流）引入到相对较冷的气 体（其射向烙融合金流）中使烙融Al-Li合金流雾化，形成热金属颗粒雾；将细小的强化物 固体颗粒至于烙融合金流货雾中；W及沉积很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一下（的温度）注入，并可于多个区段烙融金属 中送料。然而，最好是在烙融金属开始分化形成雾之前货就在其之后将强化物加入到所谓 "雾化区"中。雾化气体可W是氮或氮，其温度按常规应是室温，但在实施中经常是低于所喷 涂的M-Li合金之烙点的某一温度。
[0035] 如果需要，强化物可W有雾化气体携带或由气体的一支分流携带，或者借助重力 或雾化被注入刀雾化区中。
[0036] 最终的沉积金属基复合物克经受标准的金属成形技术处理，如机加工，锻造，挤 压，社制和铸造，