一种高模量、超高强TiB2颗粒增强Al‑Zn‑Mg‑Cu复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，特别涉及一种复合材料的成分设计和制备工艺优化。

背景技术：

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是7xxx系铝合金的一种，也被称为超高强铝合金。基于其低密度、高比强度和硬度、易加工成形、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点，是航空航天及军工产业中重要的轻质结构材料。现代化的飞行器及轻质坦克，正在向着更高速，更多载，更高通行性的方向发展，且服役寿命和行驶安全日益重要，这就要求所用材料具有更高的强度，更好的抗疲劳性能和耐磨性等优异综合性能。

从1943年7075合金的诞生开始，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金历经合金成分优化，熔体净化，加工工艺改善，热处理优化等方面的研究，如今已发展为Zn含量可高达11％，Zn/Mg值高达6，抗拉强度超过700Mpa的超高强铝合金。然而，由于Zn/Mg过高，合金的应力腐蚀开裂严重，合金的Zn含量在提高到11％后难以进一步提升。而内生颗粒的加入可以明显的提高合金的强度、硬度，其合成体系主要以搅拌加入和原位合成为主，而目前以高锌超高强Al-Zn-Mg-Cu系合金为基体制备复合材料的研究较少，且多以颗粒尺寸较大，与基体界面结合不够紧密的SiC作为增强颗粒，原位制备的增强颗粒更是直接在超高强铝合金溶液中进行，势必会对合金中的主成分元素造成一定的损耗。本发明从微观结构设计及控制入手，引入高模量颗粒TiB2制备超高强铝基复合材料，进一步提升材料强度，并显著提高合金弹性模量。采用两步法进行复合材料制备，避免了直接在Al-Zn-Mg-Cu基体合金中进行高放热的原位反应对合金元素造成的烧损，且保留了TiB₂与Al基体的界面洁净度与界面结合程度。采用优化后的均匀化工艺，使材料在变形前最大程度的消除偏析，采用优化后的挤压工艺使材料变形行为优良，并进一步进行T6热处理后，复合材料中的TiB₂颗粒尺寸较小且分布均匀，为复合材料的性能提供保障。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服高锌超高强铝合金在锌含量过高后强度陷入提升瓶颈，合金本身弹性模量较低，在高锌超高强铝合金中引入高模量TiB₂颗粒，采用两步法制备复合材料，调整TiB₂颗粒的质量分数，旨在制备出一种低损耗，高强度，高模量的新型复合材料。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案。

一种TiB₂颗粒增强高锌Al-Zn-Mg-Cu复合材料，其特征在于：以高锌含量的Al-Zn-Mg-Cu合金为基体，质量分数为6％-10％，且平均尺寸小于1μm的TiB₂为增强颗粒，基体合金质量百分比组份Zn：9-11％，Mg：1.0-2.5％，Cu：1.0-1.5％，Zr：0.05-0.20％，余量为Al。

复合材料中，TiB₂颗粒分布均匀，基体强化相纳米级MgZn2相均匀分布于铝基体。

上述所述的一种TiB₂颗粒增强高锌Al-Zn-Mg-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，采用两步法制备复合材料，即将原位制备颗粒与基体合金熔铸分离，避免了直接在Al-Zn-Mg-Cu基体合金中进行高放热的原位反应对合金元素造成的烧损；具体包括以下步骤：

(1)以铝锭、Al粉、Ti粉、TiO₂、H₃BO₃为原料，其中总Ti/B的摩尔比＝1:4，Al粉、Ti粉和TiO₂的质量比为2:2:3，采用熔体自蔓延直接合成法制备质量分数较高、平均尺寸低于1μm的Al-TiB₂中间合金；中间合金主要物象组成为α-Al、TiB₂，其中还有残留的TiAl₃；TiB₂与基体界面洁净，结合程度高。

(2)以纯铝、纯镁、纯锌、Al-50％Cu、Al-4％Zr中间合金为原料，以步骤(1)中制备的Al-TiB₂中间合金为基体，通过上述原料调整TiB₂颗粒的质量分数为6％-10％，在720-780℃温度下熔制成合金溶液，浇铸温度为720-750℃；

(3)待步骤(2)浇铸好的复合材料冷却后，并在420-470℃/25-45h进行均匀化处理，对复合材料铸锭在330-430℃进行挤压，挤压比为(15-20):1；

(4)将步骤(3)挤压好的复合材料板材进行T6热处理，最终获得TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料。

本发明制备了一种高弹性模量TiB₂颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu复合材料，优化了复合材料的均匀化工艺及挤压工艺，解决了内生颗粒复合材料铸锭中的偏析问题。并以高锌超高强铝合金为基体制备的TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料中，TiB₂粒子分布面积广且均匀，尺寸较小，为复合材料的性能提供保障。

复合材料强度比基体合金提高11.4％，其物象组成主要为大面积的TiB2颗粒，纳米级η′(MgZn2)相，弹性模量较之基体合金提升45％。

附图说明

图1是Al-TiB₂中间合金显微组织。

图2是铸态TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料显微组织。

图3是均匀化态TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料显微组织。

图4是挤压态TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料显微组织。

图5是固溶态复合材料显微组织。

图6是时效态复合材料显微组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

两步法制备TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的过程如下：

(1)复合材料的配置方案为：9.96％TiB₂、10％Zn、1.9％Mg、1.7％Cu、0.12％Zr，余量为Al。其中Al-TiB₂中间合金由铝锭、铝粉、钛粉、TiO₂、H₃BO₃进行制备，其中总Ti/B的摩尔比＝1:4，Al粉、Ti粉和TiO₂的质量比为2:2:3，采用熔体自蔓延直接合成法制备高质量分数、平均尺寸低于1μm的Al-TiB2中间合金。

(2)进行制备，其中总Ti/B＝1:4。Al-Zn-Mg-Cu基体合金由纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al-50％Cu和Al-4％Zr中间合金进行制备。

(3)制备Al-TiB₂中间合金，按要求称量TiO₂、H₃BO₃，将两种粉末混合均匀，并在200℃加热两小时，去除H₃BO₃中的水分。将加热后的TiO₂和H₃BO₃混合粉末与要求称量的铝粉和钛粉混合均匀，将混合均匀的粉末至于模具中，压制成柱形粉块(如15×φ62.5mm3的柱形粉块)。将模具和把渣勺等工具涂刷一层涂料，防止Fe杂志元素污染。选用石墨坩埚进行熔炼，石墨搅拌棒，防止Si污染。利用井式电阻炉将铝锭加热至780-800℃，待铝锭完全熔化，将熔体升温至900-1000℃，石墨钟罩压入柱形粉块，石墨棒均匀搅拌，反应10min；反应完成后，静置5min，扒渣，将铝熔体浇注到已预热250℃的钢模中，获得Al-TiB₂中间合金。

(4)将按步骤(1)设计的基体合金成分用纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al-TiB₂中间合金、Al-50％Cu和Al-4％Zr中间合金进行配比。对步骤(2)获得的中间合金在780℃进行重新熔化，按次序加入纯铝、纯锌、铝铜中间合金、铝锆中间合金；待金属及中间合金都溶化后，扒去溶体表面的浮渣，溶体温度达到715-735℃时，加入纯镁。为使合金元素分布均匀，对溶体进行搅拌，之后进行精炼，精炼在710-730℃下静置10min，扒渣，将熔体浇铸到已预热250℃的钢模中，获得复合材料铸锭。

(5)对获得的复合材料铸锭进行443℃/40h的均匀化处理。

(6)对均匀化处理后的复合材料铸锭进行挤压，挤压温度为400℃，挤压比为16:1。

(7)对挤压后的复合材料进行T6热处理(固溶460℃/2h+时效120℃/24h)。

(8)通过此方法获得的TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料具有高模量、高强度等优势。

表1基体合金与复合材料强度弹性模量对比表。