技术领域本发明涉及一种非晶合金增强的铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术：
颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨性及尺寸稳定性好等优异的性能。作为一种新型的结构材料，在航空航天、汽车、通信行业等领域具有广泛的应用前景，还可以作为高级涂料的添加剂。然而，由于颗粒增强铝基复合材料塑形和韧性较差，这限制了其在结构材料方面的应用。如何提高其塑形和韧性，一直是研究者追求的目标。颗粒增强铝基复合材料由颗粒增强体和基体构成，目前所广泛应用的增强体材料有SiC、Al2O3等，因为它们密度低，弹性模量高。然而这些颗粒作为增强体有很多缺点，例如基体与增强体的界面会发生不良的界面反应，使界面会出现剥离问题，并且会造成复合材料的致密度、以及力学性能等出现下降趋势。与陶瓷颗粒相比，非晶合金具有高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性，与基体材料会形成良好的界面，界面结合力也会增强，避免了上述界面结合不良好的情况。
技术实现要素：
针对现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种非晶合金增强的铝基复合材料，所述复合材料以铝基非晶合金为增强体，以铝合金为基体，增强体分散均匀，与基体界面结合强度高，界面状态好，复合材料的致密度和硬度高。本发明还提供了上述非晶合金增强的铝基复合材料的制备方法，该方法操作简单，工艺温度较低，由于制备的Al基非晶合金晶化温度高于1200K，具有极佳的热稳定性，故在烧结过程中仍以稳定非晶相存在，增强体与基体界面结合状态好。本发明是通过以下技术方案实现：一种非晶合金增强的铝基复合材料，该复合材料以铝基非晶合金为增强体，以铝合金为基体，铝基非晶合金均匀的分散在铝合金中。上述复合材料中，铝基非晶合金所占的体积分数为5%~40%，铝合金所占的体积分数为60%~95%。上述复合材料中，所述铝基非晶合金优先选用AlFe系非晶合金。非晶状态的合金比晶化状态的合金能够对复合材料的性能起到更好的增强作用。本发明的AlFe非晶合金初始晶化温度高（>1200K），热稳定性好，在烧结过程中不会发生晶化。上述AlFe非晶合金中，Al与Fe的原子百分比为70~85:15~30，例如Al85Fe15非晶合金、Al70Fe30非晶合金。上述复合材料中，所述铝合金可以选用牌号为2XXX系列或6XXX系列的铝合金。2XXX系列是以铜为主要合金元素的铝合金，6XXX系列是以镁为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金。本发明复合材料由铝基非晶合金与铝合金构成，因为铝合金性能的差异，所得复合材料的性能有一定差异。因为增强体也是以铝为主元素，与铝基体间更易于结合，增强体和基体之间的界面结合强度高，界面状态好，不易彼此脱离。本发明复合材料中，铝基非晶合金以颗粒状态分散在基体中，颗粒分布均匀，没有团聚现象，所得复合材料致密度和硬度大大提高。此外，增强体和基体结合良好，复合材料的强度、硬度提高。本发明还提供了该非晶合金增强的铝基复合材料的制备方法，该方法先制得铝基非晶合金粉末，再将铝基非晶合金粉末和铝合金粉末混合球磨制得混合物料，最后将混合物料真空热压烧结成型，即得。本发明制备方法，具体包括以下步骤：(1)制备铝基非晶合金粉末：将Al粉和Fe粉混合，加入球磨罐中，在惰性气体和保护剂的保护下进行机械合金化，球磨时的转速≧300rpm，直至得到铝基非晶合金粉末；（2）混粉：将铝基非晶合金粉末和铝合金粉末装进球磨罐中并密封，在≧200rpm的转速下球磨10-15h，得到混合物料；（3）真空热压烧结：将混合物料先在723K~823K下保温15~20min，然后升温到823K~873K，加压至5~10MPa，保温25~30min，得非晶合金增强的铝基复合材料。本发明方法中，所得铝基非晶合金粉末为AlFe非晶合金粉末，Al与Fe的原子百分比优选为70~85:15~30，其热稳定性良好，初始晶化温度高，在后续的烧结温度范围内能很好的保持非晶特性，和铝合金基体的界面能够非常好的结合。上述步骤（1）中，Al粉和Fe粉的纯度≧99.9wt.%。上述步骤（1）中，机械合金化在惰性气体和保护剂保护下进行，防止合金氧化。上述步骤（1）中，机械合金化时的转速优选≧300rpm，更优选≧350rpm，例如300~400rpm，在高转速下更易于形成非晶合金。上述步骤（1）中，机械合金化时的球料比为10:1~20:１。上述步骤（1）中，机械合金化时间在100h以上，例如100~250h，优选150-250h。本发明方法中，先将非晶合金和铝合金在球磨机中充分球磨混合再进行烧结，制备工艺温度较低，避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成，提高了产品性能。上述步骤（2）中，铝基非晶合金粉末的体积分数为5%~40%，铝合金粉末的体积分数为60~95%。在此范围内，铝基非晶合金粉末的体积分数越高，产品的强度，硬度越高。上述步骤（2）中，球磨在惰性气体保护下进行。上述步骤（2）中，球磨时的转速≧200rpm，例如200~350rpm。上述步骤（2）中，球磨时的球料比为10:1~20:１。上述步骤（3）中，将混合物料放入所需形状的石墨磨具中，然后在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结后即可得到所需形状的复合材料。上述步骤（3）中，烧结先在723K~823K下保温，再在823K~873K下保温。第二次保温的温度高于第一次保温的温度。第二次保温进行加压，加至压力5~10MPa进行烧结。上述步骤（3）中，烧结升温时，623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。上述步骤（3）中，烧结在真空热压烧结炉中进行。本发明具有如下优点及有益效果：(1)本发明的铝基非晶合金粉末具有较高的初始晶化温度、优异的热稳定性、烧结温度下不发生晶化并能保持非晶相本质特征，提高了复合材料的性能。(2)本发明的复合材料中，铝基非晶合金颗粒与铝合金基体界面结合强度高，界面状态好，铝基非晶合金颗粒在基体中分布均匀，不易团聚，所得复合材料致密度以及力学性能良好，具有高强度、高硬度的优点。(3)本发明操作简单、制备工艺温度低，通过简单的热压烧结工艺就可以制得复合材料，避免了不利界面化学反应的发生和脆性相的形成，实现了复合材料强度和硬度的同时提高；且制备工艺简单，成本低，稳定性好。附图说明图1为本发明实施例1所制得的Al85Fe15非晶合金的XRD图谱。图2为本发明实施例1所制得的Al85Fe15非晶合金的晶化温度图。图3为本发明实施例2所制得的Al85Fe15非晶合金增强铝基复合材料的SEM图谱。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入硬脂酸作为保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下机械合金化200h，得到Al85Fe15非晶合金粉末；非晶合金的XRD图见图1，从图中可以看出200小时已经出现非晶相。非晶合金的晶化温度图见图2，从图中可以看出，其初始晶化温度为1209K。(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号2024的铝合金粉末按照体积比1:4装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下球磨混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，得到非晶合金增强铝基复合材料，烧结步骤为：先在723K下保温15min，然后升温到823K，加压至5MPa，保温30min；623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。所得复合材料具有典型的金属光泽，其SEM图谱与图3类似，非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例2(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入硬脂酸作为保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速400rpm，球料比15:1的条件下机械合金化160h，得到Al85Fe15非晶合金粉末，其XRD图与图1类似，初始晶化温度为1207K；(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比2:3装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，得到非晶合金增强铝基复合材料，烧结步骤为：先在773K下保温20min，然后升温到823K，加压至10MPa，保温25min；623K以前升温速率8K/min，623K以后升温速率2K/min。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图如图3所示，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例3(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比20:1的条件下机械合金化180h，得到Al85Fe15非晶合金粉末，其XRD图与图1类似，初始晶化温度为1209K；(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比3:7装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比20:1的条件下混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，得到非晶合金增强铝基复合材料，烧结步骤为：先在723K下保温15min，然后升温到823K，加压至8MPa，保温30min；623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图谱与图3类似，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例4(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速600rpm，球料比10:1的条件下机械合金化150h，得到Al85Fe15非晶合金粉末，其XRD图与图1类似，初始晶化温度为1209K；(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比1:19装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速300rpm，球料比10:1的条件下混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，先在823K下保温15min，然后升温到873K，加压至5MPa，保温30min；623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图谱与图3类似，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例5(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比20:1的条件下机械合金化180h，得到Al85Fe15非晶合金粉末，其XRD图与图1类似，初始晶化温度为1209K；(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比1:9装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比20:1的条件下混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，先在773K下保温15min，然后升温到873K，加压至5MPa，保温30min；623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图谱与图3类似，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例6(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比70:30称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速300rpm，球料比10:1的条件下机械合金化300h，得到Al70Fe30非晶合金粉末，其初始晶化温度大于1200K；(2)混粉：将Al70Fe30非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比3:7装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速200rpm，球料比10:1的条件下混粉15h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：将混合物料装进直径45mm的圆柱型石墨磨具中，放于真空热压烧结炉中烧结，先在773K下保温15min，然后升温到873K，加压至5MPa，保温30min；623K以前升温速率10K/min，623K以后升温速率3K/min。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图谱与图3类似，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。实施例7(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比50:50称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下机械合金化200h，得到Al50Fe50非晶合金粉末，其初始晶化温度大于1200K；(2)混粉：将上述得到的Al50Fe50非晶合金粉末和牌号2024的铝合金粉末按照体积比1:4装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下球磨混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：按照实施例1的方法对混合物料进行烧结。所得复合材料具有金属光泽，其SEM图谱与图3类似，从图中可以看出非晶颗粒均匀的分布在铝合金基体中。对比例1(1)制备非晶合金粉末：同实施例2；(2)混粉：将Al85Fe15非晶合金粉末和牌号6061的铝合金粉末按照体积比1:1装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：同实施例2。因为非晶合金粉末和铝合金粉末体积比变化，得到的产品没有金属光泽，产品呈黑色，表面有粉末掉落，这说明非晶合金和铝合金界面结合不好。对比例2(1)制备非晶合金粉末：将纯度≧99.9的Al粉和Fe粉按照原子百分比85:15称量，放于球磨罐中，加入保护剂，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下机械合金化60h，得到的Al85Fe15合金粉末的XRD图见图1，从图中可以看出所得产品并非完全的非晶状态；(2)混粉：将上述得到的Al85Fe15合金粉末和牌号2024的铝合金粉末按照体积比1:4装进球磨罐中，球磨罐抽真空、充氩气，然后在转速350rpm，球料比15:1的条件下球磨混粉10h，得到混合物料；(3)真空热压烧结：按照实施例1的方法对混合物料进行烧结，所得产品具有金属光泽，但力学性能不佳。通过硬度表征所得各产品的性能，维氏硬度的测试方法为：使用显微硬度仪在200g的压力下测量材料的硬度，每一个试样打15个点，然后取平均值。各实施例及对比例所得产品维氏硬度如下：注：6061铝合金的维氏硬度为44~95HV，2024铝合金的维氏硬度为120~145HV。