一种碳化硼铝复合材料及制备方法与流程

本发明属于复合材料的制备技术领域，具体涉及一种碳化硼铝复合材料及制备方法。

背景技术：

随着航空航天、国防、汽车以及交通等工业领域的快速发展，传统和金诸如铝合金、镁合金等的性能开发已经接近极限，而这些领域的轻量化要求则越来越苛刻，因此，传统合金面临被淘汰的风险。铝基复合材料具备高比刚度、高比强度、优异的耐高温性能、抗蠕变性能等，而受到广泛的关注。其中，碳化硼增强铝是一种极具发展潜力的复合材料，最主要的原因是碳化硼的不仅具备高硬度和高模量，更主要的是其密度仅为2.52g/cm³，低于铝合金，因此，碳化硼增强铝复合材料的密度会低于与基体同牌号的铝合金，在航空航天和汽车结构轻量化方面具有广阔的应用前景。

但是目前碳化硼铝复合材料制备方法主要包括熔体浸渗技术，粉末冶金制备，自蔓延高温合成。这些方法往往杂质含量较高，工艺过程复杂且能耗较高，成本较高。热挤压变形是提高材料质量、减少加工余量及降低生产成本的主要技术手段，然而当增强体加入铝合金基体中制备成复合材料后，复合材料的流动性显著降低，增强体和基体之间的界面极易在挤压过程中形成应力集中，这会导致复合材料内部形成大量的缺陷，造成铝基复合材料成品率偏低，甚至全部报废。

因此，亟需优化现有铝基复合材料的制备工艺和挤压成型工艺，多方面改善现有复合材料挤压型材的质量，综合降低成本，扩大其应用领域，为产业化的进行奠定基础。

中国专利申请文献“一种铝基复合材料及其制备方法”（申请号：202010127633.4）公开了一种铝基复合材料及其制备方法，该复合材料按体积百分比包括：1％-15％碳化硼和85％-99％铝合金。其制备方法包括：表面处理、球磨混粉、烧结、均匀后处理、热挤压、热处理。该发明能够实现高品质，柔性界面铝基复合材料制备，且通过优化材料热热处理过程和挤压后型材的处理工程，实现高品质铝基复合材料型材的制备。但存在着抗拉强度、延伸率较差，无法满足应用需求的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种碳化硼铝复合材料及制备方法，以解决现有技术制得的碳化硼铝复合材料存在着抗拉强度、延伸率较差，无法满足应用需求的问题。

为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种碳化硼铝复合材料，按体积百分比包括：81%-97%铝合金和3%-19%碳化硼；所述碳化硼包括平均粒径d50为18.2μm的第一碳化硼、平均粒径d50为7.8μm的第二碳化硼和平均粒径d50为0.3μm的第三碳化硼，第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼的体积比为10-12:3-5:1；所述铝合金包括平均粒径d50为12.6μm的第一铝合金、平均粒径d50为4.5μm的第二铝合金和平均粒径d50为0.6μm的第三铝合金，第一铝合金、第二铝合金和第三铝合金的体积比为9-13:5-7:1；所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si≤0.28%、fe≤0.2%、cu≤0.1%、mn0.7%-0.9%、mg6%-6.5%、zn≤0.15%，cr≤0.12%、sc0.11%-0.16%、zr0.1%-0.2%、pm0.03%-0.07%，其余为al和其他不可避免的杂质元素。

进一步地，所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si0.25%、fe0.16%、cu0.07%、mn0.8%、mg6.3%、zn0.13%，cr0.11%、sc0.15%、zr0.16%、pm0.06%，其余为al和其他不可避免的杂质元素。

本发明还提供一种碳化硼铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、表面处理：按上述比例计算的第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼进行水洗，洗涤过程中，水洗的温度为58-72℃，静置6-7min后将洗涤容器内上层水体去除；前述步骤如此反复2-3次；洗涤干净的碳化硼置于烘干箱中进行烘干，烘干时间为14-17h；烘干后的碳化硼置于炉中加热，温度为600-700℃，时间为1-1.5h；

s2、球磨混粉：将步骤s1备用的的碳化硼与第一铝合金粉体混合，置于球磨机中，球磨机转速为500-600转/分钟，时间为1.5-2.5h，然后将第二铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为300-400转/分钟，时间为1-1.5h，再接着将第三铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为150-250转/分钟，时间为1.5-2h，得到混合均匀的粉末；

s3、烧结：将经步骤s2得到的粉末置于筒状模具中，冷压至压力为8-18mpa，然后将模具放入加热炉中加热、保温时间为2.5-3.5h后，利用压力机进行热压，热压完成后冷却至室温脱模，制得铸锭；

s4、均匀化处理：将经步骤s3制得的铸锭，加热后，进行保温16-22h，保温结束后随炉冷却至室温，制得均质化处理后的铸锭；

s5：将步骤s4均质化处理后的铸锭置于挤压机中进行挤压，其中铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为475-485℃，中部的加热温度为460-470℃，尾部的加热温度为455-460℃；挤压模具温度为450-460℃，挤压速度控制为0.4-0.7mm/s，铸锭挤出后置于保温炉中，进行炉冷，其中，挤压后材料冷却速率控制为6-9℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷，制得复合材料；

s6、热处理：将经步骤s5制得的复合材料进行保温、水淬火后时效。

进一步地，步骤s1中洗涤干净的碳化硼置于烘干箱中进行烘干的温度为65-70℃。

进一步地，步骤s3中将模具放入加热炉中加热至温度540-558℃。

进一步地，步骤s3中利用压力机进行热压，压力为65-73mpa。

进一步地，步骤s4中将经步骤s3制得的铸锭，加热520-550℃后，进行保温16-22h。

进一步地，步骤s5中挤压筒的挤压比为60-65。

进一步地，步骤s6中热处理工艺为：530-560℃下保温1.5-2.5h。

进一步地，步骤s6中时效温度为180-195℃，时效时间为5-7h。

本发明具有以下有益效果：

（1）sc、zr、pm在制备碳化硼铝复合材料中起到了协同作用，协同提高了碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率，这是因为：sc在铝合金中形成过饱和固熔体，经热处理作用弥散析出与基体共格的al3sc颗粒，对基体进行变质强化、弥散以及亚结构强化，从而使铝合金的抗拉强度、延伸率显著提高。在铝合金中加入zr时，zr、sc在铝合金中产生al3（sc、zr）质点，对合金具有细晶及沉淀起强化作用，使抗拉强度、延伸率进一步提高，同时纳米级的二次al3（sc、zr）析出，相对位错及亚晶界具有钉扎作用，提高了铝合金的抗拉强度、延伸率。pm具有强烈的细化晶粒作用效果，能够抑制铝合金再结晶，增加合金的延展性，提高了铝合金的抗拉强度、延伸率；此外，pm可与铝合金中的fe、mg、cu、zn等形成细小弥散分布的强化相，进而提高碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率。在sc、zr、pm的配合使用下，协同提高了本发明的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率。

（2）本发明能够实现高品质，柔性界面铝基复合材料制备，且通过优化调整碳化硼和铝粉体的尺寸配比、材料热热处理过程和挤压后型材的处理工程，实现高品质铝基复合材料型材的制备。

（3）本发明制得的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率显著优于现有技术制得的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率，分别至少高于33.8%、17.1%，且制备成本低、复合材料质量好、成品率高，可大力推广应用。

附图说明

图1是本发明碳化硼铝复合材料的抗拉强度检测结果；

图2是本发明碳化硼铝复合材料延伸率检测结果。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

在实施例中，所述碳化硼铝复合材料，按体积百分比包括：81%-97%铝合金和3%-19%碳化硼；所述碳化硼包括平均粒径d50为18.2μm的第一碳化硼、平均粒径d50为7.8μm的第二碳化硼和平均粒径d50为0.3μm的第三碳化硼，第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼的体积比为10-12:3-5:1；所述铝合金包括平均粒径d50为12.6μm的第一铝合金、平均粒径d50为4.5μm的第二铝合金和平均粒径d50为0.6μm的第三铝合金，第一铝合金、第二铝合金和第三铝合金的体积比为9-13:5-7:1；所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si≤0.28%、fe≤0.2%、cu≤0.1%、mn0.7%-0.9%、mg6%-6.5%、zn≤0.15%，cr≤0.12%、sc0.11%-0.16%、zr0.1%-0.2%、pm0.03%-0.07%，其余为al和其他不可避免的杂质元素；

所述碳化硼铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、表面处理：按上述比例计算的第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼进行水洗，洗涤过程中，水洗的温度为58-72℃，静置6-7min后将洗涤容器内上层水体去除；前述步骤如此反复2-3次；洗涤干净的碳化硼置于温度为65-70℃的烘干箱中进行烘干，烘干时间为14-17h；烘干后的碳化硼置于炉中加热，温度为600-700℃，时间为1-1.5h，进行颗粒表面柔化过程，然后取出碳化硼冷却至室温备用；

s2、球磨混粉：将步骤s1备用的的碳化硼与第一铝合金粉体混合，置于球磨机中，球磨机转速为500-600转/分钟，时间为1.5-2.5h，然后将第二铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为300-400转/分钟，时间为1-1.5h，再接着将第三铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为150-250转/分钟，时间为1.5-2h，得到混合均匀的粉末；

s3、烧结：将经步骤s2得到的粉末置于筒状模具中，冷压至压力为8-18mpa，然后将模具放入加热炉中加热至温度540-558℃、保温时间为2.5-3.5h后，利用压力机进行热压，压力为65-73mpa；热压完成后冷却至室温脱模，制得铸锭；

s4、均匀化处理：将经步骤s3制得的铸锭，加热520-550℃后，进行保温16-22h，保温结束后随炉冷却至室温，制得均质化处理后的铸锭；

s5：将步骤s4均质化处理后的铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为60-65，其中铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为475-485℃，中部的加热温度为460-470℃，尾部的加热温度为455-460℃；挤压模具温度为450-460℃，挤压速度控制为0.4-0.7mm/s，铸锭挤出后置于保温炉中，进行炉冷，其中，挤压后材料冷却速率控制为6-9℃/min，冷却至100℃以下后进行空冷，制得复合材料；

s6、热处理：将经步骤s5制得的复合材料进行保温、水淬火后时效，热处理工艺为：530-560℃下保温1.5-2.5h，时效温度为180-195℃，时效时间为5-7h。

下面通过更具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

一种碳化硼铝复合材料，按体积百分比包括：84%铝合金和16%碳化硼；所述碳化硼包括平均粒径d50为18.2μm的第一碳化硼、平均粒径d50为7.8μm的第二碳化硼和平均粒径d50为0.3μm的第三碳化硼，第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼的体积比为10:5:1；所述铝合金包括平均粒径d50为12.6μm的第一铝合金、平均粒径d50为4.5μm的第二铝合金和平均粒径d50为0.6μm的第三铝合金，第一铝合金、第二铝合金和第三铝合金的体积比为10:6:1；所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si0.22%、fe0.13%、cu0.1%、mn0.7%、mg6%、zn0.12%，cr0.11%、sc0.13%、zr0.1%、pm0.03%，其余为al和其他不可避免的杂质元素；

所述碳化硼铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、表面处理：按上述比例计算的第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼进行水洗，洗涤过程中，水洗的温度为60℃，静置6min后将洗涤容器内上层水体去除；前述步骤如此反复2次；洗涤干净的碳化硼置于温度为66℃的烘干箱中进行烘干，烘干时间为17h；烘干后的碳化硼置于炉中加热，温度为600℃，时间为1.5h，进行颗粒表面柔化过程，然后取出碳化硼冷却至室温备用；

s2、球磨混粉：将步骤s1备用的的碳化硼与第一铝合金粉体混合，置于球磨机中，球磨机转速为500转/分钟，时间为2.5h，然后将第二铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为300转/分钟，时间为1.5h，再接着将第三铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为150转/分钟，时间为2h，得到混合均匀的粉末；

s3、烧结：将经步骤s2得到的粉末置于筒状模具中，冷压至压力为10mpa，然后将模具放入加热炉中加热至温度546℃、保温时间为3.2h后，利用压力机进行热压，压力为68mpa；热压完成后冷却至室温脱模，制得铸锭；

s4、均匀化处理：将经步骤s3制得的铸锭，加热530℃后，进行保温20h，保温结束后随炉冷却至室温，制得均质化处理后的铸锭；

s5：将步骤s4均质化处理后的铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为62，其中铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为478℃，中部的加热温度为462℃，尾部的加热温度为455℃；挤压模具温度为452℃，挤压速度控制为0.4mm/s，铸锭挤出后置于保温炉中，进行炉冷，其中，挤压后材料冷却速率控制为6℃/min，冷却至100℃后进行空冷，制得复合材料；

s6、热处理：将经步骤s5制得的复合材料进行保温、水淬火后时效，热处理工艺为：540℃下保温2h，时效温度为186℃，时效时间为7h。

实施例2

一种碳化硼铝复合材料，按体积百分比包括：82%铝合金和18%碳化硼；所述碳化硼包括平均粒径d50为18.2μm的第一碳化硼、平均粒径d50为7.8μm的第二碳化硼和平均粒径d50为0.3μm的第三碳化硼，第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼的体积比为11.2:4:1；所述铝合金包括平均粒径d50为12.6μm的第一铝合金、平均粒径d50为4.5μm的第二铝合金和平均粒径d50为0.6μm的第三铝合金，第一铝合金、第二铝合金和第三铝合金的体积比为12:6.5:1；所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si0.25%、fe0.16%、cu0.07%、mn0.8%、mg6.3%、zn0.13%，cr0.11%、sc0.15%、zr0.16%、pm0.06%，其余为al和其他不可避免的杂质元素；

所述碳化硼铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、表面处理：按上述比例计算的第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼进行水洗，洗涤过程中，水洗的温度为65℃，静置7min后将洗涤容器内上层水体去除；前述步骤如此反复3次；洗涤干净的碳化硼置于温度为68℃的烘干箱中进行烘干，烘干时间为15h；烘干后的碳化硼置于炉中加热，温度为650℃，时间为1.2h，进行颗粒表面柔化过程，然后取出碳化硼冷却至室温备用；

s2、球磨混粉：将步骤s1备用的的碳化硼与第一铝合金粉体混合，置于球磨机中，球磨机转速为550转/分钟，时间为2h，然后将第二铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为350转/分钟，时间为1.3h，再接着将第三铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为200转/分钟，时间为1.8h，得到混合均匀的粉末；

s3、烧结：将经步骤s2得到的粉末置于筒状模具中，冷压至压力为12mpa，然后将模具放入加热炉中加热至温度550℃、保温时间为3h后，利用压力机进行热压，压力为70mpa；热压完成后冷却至室温脱模，制得铸锭；

s4、均匀化处理：将经步骤s3制得的铸锭，加热540℃后，进行保温18h，保温结束后随炉冷却至室温，制得均质化处理后的铸锭；

s5：将步骤s4均质化处理后的铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为64，其中铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为466℃，尾部的加热温度为458℃；挤压模具温度为454℃，挤压速度控制为0.5mm/s，铸锭挤出后置于保温炉中，进行炉冷，其中，挤压后材料冷却速率控制为8℃/min，冷却至95℃后进行空冷，制得复合材料；

s6、热处理：将经步骤s5制得的复合材料进行保温、水淬火后时效，热处理工艺为：550℃下保温2h，时效温度为188℃，时效时间为6h。

实施例3

一种碳化硼铝复合材料，按体积百分比包括：95%铝合金和5%碳化硼；所述碳化硼包括平均粒径d50为18.2μm的第一碳化硼、平均粒径d50为7.8μm的第二碳化硼和平均粒径d50为0.3μm的第三碳化硼，第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼的体积比为12:5:1；所述铝合金包括平均粒径d50为12.6μm的第一铝合金、平均粒径d50为4.5μm的第二铝合金和平均粒径d50为0.6μm的第三铝合金，第一铝合金、第二铝合金和第三铝合金的体积比为13:5:1；所述铝合金，以质量百分比计，其组成为：si0.21%、fe0.2%、cu0.1%、mn0.9%、mg6.5%、zn0.15%，cr0.12%、sc0.15%、zr0.12%、pm0.07%，其余为al和其他不可避免的杂质元素；

所述碳化硼铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、表面处理：按上述比例计算的第一碳化硼、第二碳化硼和第三碳化硼进行水洗，洗涤过程中，水洗的温度为65℃，静置6min后将洗涤容器内上层水体去除；前述步骤如此反复2次；洗涤干净的碳化硼置于温度为67℃的烘干箱中进行烘干，烘干时间为15h；烘干后的碳化硼置于炉中加热，温度为620℃，时间为1.3h，进行颗粒表面柔化过程，然后取出碳化硼冷却至室温备用；

s2、球磨混粉：将步骤s1备用的的碳化硼与第一铝合金粉体混合，置于球磨机中，球磨机转速为600转/分钟，时间为1.5h，然后将第二铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为400转/分钟，时间为1h，再接着将第三铝合金粉体加入球磨机中，进行混合，球磨机转速为250转/分钟，时间为1.5h，得到混合均匀的粉末；

s3、烧结：将经步骤s2得到的粉末置于筒状模具中，冷压至压力为13mpa，然后将模具放入加热炉中加热至温度556℃、保温时间为2.5h后，利用压力机进行热压，压力为70mpa；热压完成后冷却至室温脱模，制得铸锭；

s4、均匀化处理：将经步骤s3制得的铸锭，加热546℃后，进行保温17h，保温结束后随炉冷却至室温，制得均质化处理后的铸锭；

s5：将步骤s4均质化处理后的铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为65，其中铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为483℃，中部的加热温度为469℃，尾部的加热温度为458℃；挤压模具温度为455℃，挤压速度控制为0.6mm/s，铸锭挤出后置于保温炉中，进行炉冷，其中，挤压后材料冷却速率控制为9℃/min，冷却至98℃后进行空冷，制得复合材料；

s6、热处理：将经步骤s5制得的复合材料进行保温、水淬火后时效，热处理工艺为：560℃下保温1.5h，时效温度为195℃，时效时间为5h。

对比例1

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同之处在于制成铝合金中缺少sc、zr、pm。

对比例2

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同之处在于制成铝合金中缺少sc。

对比例3

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同之处在于制成铝合金中缺少zr。

对比例4

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同之处在于制成铝合金中缺少pm。

对比例5

采用中国专利申请文献“一种铝基复合材料及其制备方法”（申请号：202010127633.4）公开的实施例1、3、5的工艺制备碳化硼铝复合材料。

将实施例1-3和对比例1-5制备得到的碳化硼铝复合材料进行测定拉伸强度和延伸率，其测试结果见下表。

由上表可知：（1）由实施例1-3和对比例5的数据可见，本发明制得的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率显著优于现有技术制得的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率，分别至少高于33.8%、17.1%；同时综合实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例。

（2）由实施例2和对比例1-4的数据可见，sc、zr、pm在制备碳化硼铝复合材料中起到了协同作用，协同提高了碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率，这是因为：sc在铝合金中形成过饱和固熔体，经热处理作用弥散析出与基体共格的al3sc颗粒，对基体进行变质强化、弥散以及亚结构强化，从而使铝合金的抗拉强度、延伸率显著提高。在铝合金中加入zr时，zr、sc在铝合金中产生al3（sc、zr）质点，对合金具有细晶及沉淀起强化作用，使抗拉强度、延伸率进一步提高，同时纳米级的二次al3（sc、zr）析出，相对位错及亚晶界具有钉扎作用，提高了铝合金的抗拉强度、延伸率。pm具有强烈的细化晶粒作用效果，能够抑制铝合金再结晶，增加合金的延展性，提高了铝合金的抗拉强度、延伸率；此外，pm可与铝合金中的fe、mg、cu、zn等形成细小弥散分布的强化相，进而提高碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率。在sc、zr、pm的配合使用下，协同提高了本发明的碳化硼铝复合材料的抗拉强度、延伸率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。