专利名称：：颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺的制作方法
技术领域：
：本发明属于颗粒增强铝基复合材料
技术领域：
；特别涉及陶瓷颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺。
背景技术：
：颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比刚度、耐疲劳、导热性能好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能，在航空航天领域作为结构材料具有广泛的应用前景。大量研究表明，作为结构材料备受关注的强度和塑性等力学性能受陶瓷颗粒分布均匀性的严重影响，而不同的塑性成形方法会直接影响陶瓷颗粒的分布。因此，针对不同应用场合形状各异的复合材料零部件，如何保证其陶瓷颗粒均匀分布将是优化塑性成形工艺需要考虑的关键因素。由铸造法、粉末冶金法等传统方法制备的颗粒增强铝基复合材料的陶瓷颗粒团聚现象比较严重，复合材料的延伸率较低，必须对其进行二次加工，如挤压、锻造和轧制等，通过大的变形量来改善陶瓷颗粒分布，提高复合材料的力学性能。对于轴杆类零件而言，通常采用热挤压工艺把复合材料坯锭挤压成形为棒或管类毛坯，挤压过程的大变形非常有利于陶瓷颗粒分布的均匀化；然而，对于盘、饼类形状零件而言，只能考虑采用锻造镦粗工艺把复合材料坯锭成形为盘、饼件。但是，与热挤压工艺不同，锻造镦粗过程中，由于平砧与坯料之间摩擦力的作用，坯料的侧表面会形成鼓形，造成坯料整体变形不均匀，从而影响锻件各部位陶瓷颗粒的分布情况，不利于锻件组织和力学性能的稳定性。因此，掌握锻造过程中陶瓷颗粒分布情况的变化将对提高锻件性能、改善锻造工艺具有重要的意义。
发明内容本发明的目的是提供一种既能大幅度提高颗粒增强铝基复合材料的力学性能，又同时改善陶瓷颗粒均匀化分布的锻造工艺。本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的—种颗粒增强铝基复合材料的锻造，采取锻造的大变形来改善陶瓷颗粒增强体的分布，大幅度提高颗粒增强铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率。包括下述步骤(1)提供可锻颗粒增强铝基复合材料的圆柱形锻造坯料；(2)采用电阻炉或燃料炉加热坯料，温度波动±50°C;(3)将坯料热装包套，包套材质为结构钢，包套壁厚330mm;(4)坯料在炉温到达指定保温温度后装炉，摆放在有效工作区内，坯料保温温度为300400°C，保温时间t与坯料的最大直径Smax有关，Smax《100mm时，取t二a;100mm〈Smax<500mm时，取t=6h;Smax>500mm时，取t=10h;(5)将坯料放入锻压机中进行自由锻造；(6)锻件空冷后，车去包套，平端面。—种优选技术方案，其特征在于复合材料的增强体颗粒为A1203(氧化铝)、SiC(碳化硅)、B4C(碳化硼)、TiC(碳化钛)、Si3N4(氮化硅)和A1N(氮化铝)中的任意一种；铝合金基体是硬铝(2XXX)中的任意一种合金。—种优选技术方案，其特征在于所述的复合材料的增强体颗粒粒度范围在0.530ym，且在复合材料中体积百分比5%35%。经过锻造后，增强颗粒弥散均匀分布于铝合金基体中，并与铝合金基体形成高强度的界面结合。—种优选技术方案，其特征在于所述的复合材料坯锭为圆柱形，其高径比小于2.5。—种优选技术方案，其特征在于热装包套，即包套先被加热到20050(TC后，再将坯料装入包套。—种优选技术方案，其特征在于包套材质为结构钢，优选45号钢，包套壁厚330mm。—种优选技术方案，其特征在于锻造时，复合材料坯锭的变形量为10%70%。本发明的颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺的优点为该锻造工艺能很好地改善陶瓷颗粒增强体的分布，大幅度提高颗粒增强铝基复合材料的屈服强度和抗拉强度，并使复合材料的塑性保持在较高的水平。下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。图1(a)是20vol.%SiCp/2009Al复合材料坯料沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织照片(ZEISS-Axiovert200MAT光学显微镜，放大200倍)。图1(b)是20vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件5#沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织照片(ZEISS-Axiovert200MAT光学显微镜，放大200倍)。图1(c)是20vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件6#沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织照片(ZEISS-Axiovert200MAT光学显微镜，放大200倍)。图1(d)是20vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件7#沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织照片(ZEISS-Axiovert200MAT光学显微镜，放大200倍)。图1(e)是20vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件8#沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织照片(ZEISS-Axiovert200MAT光学显微镜，放大200倍)。具体实施方式实施例1:本实施例的实验材料为粉末冶金法制备的5vol.%SiCp/2009Al复合材料，复合材料锻件坯料尺寸为①120X200mm。具体实施方法第一步，将锻件坯料(共4个，编号为1#、2#、3#和4#)热装上包套，包套材质为45号钢，壁厚为15mm;第二步，将坯料加热到300°C，保温时间t=6h;第三步，将坯料下进行自由锻造，变形量分别为10%、25%、50%和70%;第四步，待4个锻件空冷后，车包套，平端面。实施例2:本实施例的实验材料为粉末冶金法制备的20vol.%SiCp/2009Al复合材料，复合材料锻件坯料尺寸为①80X150mm。具体实施方法第一步，将锻件坯料(共4个，编号为5#、6#、7#和8#)热装上包套，包套材质为45号钢，壁厚为10mm;第二步，将坯料加热到350°C，保温时间t=2h;第三步，将坯料下进行自由锻造，变形量分别为10%、25%、50%和70%;第四步，待4个锻件空冷后，车包套，平端面。实施例3:本实施例的实验材料为粉末冶金法制备的35vol.%SiCp/2009Al复合材料，复合材料锻件坯料尺寸为①50X100mm。具体实施方法第一步，将锻件坯料(共4个，编号为9#、10#、11#和12#)热装上包套，包套材质为45号钢，壁厚为5mm;第二步，将坯料加热到400°C，保温时间t=2h;第三步，将坯料下进行自由锻造，变形量分别为10%、25%、50%和70%;第四步，待4个锻件空冷后，车包套，平端面。鉴于考核不同变形量对复合材料力学性能的影响规律，依据国标GB/T228-2002，将上述三个实施例中的锻件进行拉伸力学性能测试。具体实施方法如下将上述三个实施例中的锻件沿垂直于锻造方向上取样，热处理(固溶温度50(TC，保温1小时，淬水，自然时效96小时)后，进行拉伸力学性能测试。SiCp/2009Al复合材料锻件的力学性能如表1所示。从表中可以看出，对于同一种复合材料而言，随着变形量从10%增加到70%，抗拉强度(RJ会显著地增加，而屈服强度(Rp。.2)增幅较小，延伸率(A)和断面收縮率(Z)也都有一定程度地增加。对于变形量相同的复合材料而言，SiC体积分数越高，抗拉强度(RJ和屈服强度(Rp。.2)越高，但延伸率(A)和断面收縮率(Z)越低。表1经锻造后SiCp/2009Al复合材料锻件的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>图1给出了20vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件沿锻造轴向上中心部位的金相显微组织。图1(a)为锻造前复合材料坯料(变形量为0%)的金相显微组织，图中白色区域为铝粉末，灰色区域为SiC颗粒，复合材料中无孔洞、疏松等缺陷。铝粉末均呈球形，SiC颗粒团聚于铝粉末之间的间隙，分布不均匀。经锻造后，铝粉末已经发生了一定程度的变形，如图1(b)(坯料变形量为10%)、图1(c)(坯料变形量为25%)、图1(d)(坯料变形量为50%)和图1(e)(坯料变形量为70%)所示，并且随着变形量的增加，铝粉末被压成条带状，尺寸较小的SiC颗粒逐渐进入变形后的铝粉末中且分布越来越均匀，使得锻件的组织变得均匀，相对应的力学性能也较高。因此，总变形量越大，SiC颗粒的分布越均匀，复合材料力学性能越高。权利要求一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，包括下述步骤(1)提供可锻颗粒增强铝基复合材料的圆柱形锻造坯料；(2)采用电阻炉或燃料炉加热坯料，温度波动±50℃；(3)将坯料热装包套，包套材质为结构钢，包套壁厚3～30mm；(4)坯料在炉温到达指定保温温度后装炉，摆放在有效工作区内，坯料保温温度为300～400℃，保温时间t与坯料的最大直径δmax有关，δmax≤100mm时，取t＝2h；100mm＜δmax＜500mm时，取t＝6h；δmax≥500mm时，取t＝10h；(5)将锻造坯料放入锻压机中进行锻造；(6)锻件空冷后，车去包套，平端面。2.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，所述的颗粒增强铝基复合材料的增强体颗粒为A1203(氧化铝)、SiC(碳化硅)、B4C(碳化硼)、TiC(碳化钛)、SisN4(氮化硅)和A1N(氮化铝)中的任意一种；铝合金基体是硬铝(2XXX)中的任意一种合金。3.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，所述的颗粒增强铝基复合材料的增强体颗粒粒度范围在0.530m，且在复合材料中体积百分比5%35%;经过锻造后，该增强颗粒弥散均匀分布于铝合金基体中，并与铝合金基体形成高强度的界面结合。4.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，所述的颗粒增强铝基复合材料的圆柱形锻造坯锭的高径比小于2.5。5.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，所述的热装包套是将包套先加热到20050(TC后，再将坯料装入包套内。6.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，包套材质为45号钢。7.如权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征是，在所述的步骤(5)中，锻造时，锻造坯锭的变形量为10%70%。全文摘要本发明涉及一种颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺，其特征在于通过锻造的大变形来改善陶瓷颗粒体的分布和提高复合材料的力学性能。将锻造坯料热装包套后，放到电阻炉或燃料炉中加热，保温温度为300～400℃，保温时间t与坯料的最大直径δmax有关，δmax≤100mm时，取t＝2h；100mm＜δmax＜500mm时，取t＝6h；δmax≥500mm时，取t＝10h。锻造时，单道次变形量为10％～70％。锻造完成后，锻件空冷，车包套，平端面。文档编号B21J1/06GK101708527SQ20091024185公开日2010年5月19日申请日期2009年12月10日优先权日2009年12月10日发明者刘彦强,左涛,樊建中,马自力,魏少华申请人:北京有色金属研究总院