一种颗粒增强耐热铝基复合材料及其制备方法和热处理方法

本发明涉及一种铝基复合材料，尤其是涉及一种通过添加颗粒增强成分、并结合热处理工艺制备具有高强韧耐热性能的铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、铝基复合材料是指在铝金属基体材料中添加不同种类和含量的其他成分获得的具有良好强度和加工性能的复合材料，是重要的轻金属材料，在航空航天、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。

2、但是传统的铝基材料强度较低，尤其是在高温下会发生高温失稳软化，强度明显降低，因此限制了其适用范围。一般通过添加第二相增强材料来提高其强度。

3、例如，tib2/al-cu基复合材料兼具铝铜合金基体和增强体tib2颗粒的优良性能，具有比强度高、抗腐蚀性好、热力学稳定性优异等优点，是制备兼具卓越室温/高温力学性能轻量化结构材料的重要途径之一，因此在航空航天、汽车制造等工业领域有广阔的应用前景。

4、然而，tib2/al-cu复合材料强度与韧性不兼备的难题是限制其进一步发展和应用的棘手问题。一方面，工业常用的混合盐反应法制备工艺中，tib2颗粒的生成是高温下al3ti和铝液发生包晶反应释放出溶质ti原子，依附于预先形成的al2b，经共晶反应生成tib2，该tib2不仅颗粒尺寸和形貌难以控制，而且极易形成与α-al基体非共格界面特征的脆性大尺寸团聚体，导致tib2/al-cu复合材料的塑性和韧性明显低于传统t6热处理后的al-cu系合金；另一方面，由于tib2颗粒和α-al基体巨大的模量和热膨胀系数的差异，tib2/al-cu复合材料在凝固或热处理后的冷却降温过程中，二者界面会产生大量位错(主要是热失配位错和几何必须位错)，由此导致的晶格畸变会在tib2颗粒分布区域产生异常时效析出行为，如典型的近tib2区域无析出带(precipitate free zones，pfzs)和远离tib2颗粒区域的粗晶析出带(coarse precipitate zones，cpzs)，严重损害了tib2/al-cu复合材料的力学性能。

5、因此，有效阻止tib2颗粒团聚、改善界面条件，是制备强度和韧性兼备的tib2/al复合材料的关键技术。提高熔体温度、延长保温时间、电磁搅拌等工艺可以抑制tib2颗粒的团聚，改善tib2颗粒的分布状态，提高复合材料的力学性能，但这些方法普遍工艺较为复杂、成本较高、工艺可控性不强。同时，通过热处理对铝基复合材料微观组织进行调控是改善界面性能的有效手段，然而不同的热处理制度下，所添加合金元素的量与界面反应程度的关系以及合金元素对于界面反应的影响机制比较复杂。

6、因此，如何改善增强颗粒的团聚性能和界面条件，进而提高al基复合材料的性能，仍然是al基复合材料制备中亟需克服的技术难题。

技术实现思路

1、结合上述铝基复合材料制备工艺中的难点与痛点，结合前人研究基础，发明人认为，通过改善铝基复合材料的制备工艺，在铝基复合材料中添加sc、zr、mg、ca、li等合金元素的方法来抑制界面反应，再结合合适的热处理工艺，是有望得到高性能的铝基复合材料的。

2、基于此观点，经过合理调节合金的成分及制备工艺，最终形成了本发明。本发明以tib2/al-4.5cu复合材料为研究对象，通过联合添加sc、zr并采用多级热处理制度，成功制备了兼具优越室/高温力学性能的高强韧耐热铝基复合材料。本发明的方案如下。

3、本发明的第一方面，提供一种颗粒增强耐热铝基复合材料。

4、该铝基复合材料按质量百分比计，包括cu 4.5-5.5％、y 0.25-0.5％、ce0.15-0.7％、sc 0.1-0.4％、zr 0.1-0.4％、tib2 3-10％、杂质元素少于0.2％，余量为al。

5、优选的，杂质元素包括fe，fe的质量百分数少于0.1％。

6、优选的，该铝基复合材料在室温和高温下均具有良好的强度。具体的，在室温下的抗拉强度超过500mpa，在250℃下的抗拉强度超过400mpa，在350℃下的抗拉强度超过310mpa，在400℃下的抗拉强度超过100mpa。

7、本发明的第二方面，在于提供一种上述颗粒增强耐热铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤，

8、s1：按上述复合材料的成分，准备al、cu、sc、zr、y、ce的纯金属或中间合金，含ti和b的原料，并准备na3alf6和造渣剂备用；

9、s2：加热熔化al、cu、sc、zr、y、ce的纯金属或中间合金并保温，加入部分造渣剂后氩气精炼；

10、s3：加入含ti和b的原料及na3alf6，再次施加氩气精炼，加入另一部分造渣剂，去除浮渣；

11、s4：将合金液升温至740-760℃并保温5-10min，然后机械搅拌10-20min，其中施加超声振动时间为1-5min，搅拌结束后静置降温至700-730℃，浇铸到金属型模具中，自然冷却得到铸态铝基复合材料；

12、s5：对铸态铝基复合材料进行多级热处理，第一级为均匀化热处理，第二级为固溶处理，第三级为回归再时效热处理。

13、本发明中，为确保复合材料的成分精确控制，各种原料的纯度应不低于99.9％(质量百分数)。

14、本发明中，对造渣剂不作要求，能够满足使用条件并发挥效果的商用、自制造渣剂均可，优选使用铝铜合金通用造渣剂。

15、优选的，含ti和b的原料分别为k2tif6、kbf4，两者发生熔盐反应生成tib2增强相。

16、本发明所使用的k2tif6、kbf4以及na3alf6为以细小的颗粒状为佳，例如选择粒径在1-5cm范围内的上述颗粒状材料。细小的颗粒可以快速熔化进行反应；其中，本发明中添加na3alf6用于改善氟盐、铝熔体的流动性，提升除氧效果，促进反应的进行。

17、本发明步骤s2中，在加热熔化前优选预先对待加热熔化的原料进行干燥，例如在160-240℃下加热烘干或者热风干燥，之后的加热熔化并保温的温度是在700-750℃下进行。在该步骤中，精炼过程中加入的造渣剂的量，为原料总质量的0.10-0.20％。本发明中，原料是指al、cu、sc、zr、y、ce的纯金属或中间合金，以及含ti和b的原料。其余如na3alf6、造渣剂、细化剂属于助剂，不计入原料的量。

18、本发明步骤s3中，造渣剂的加入量为原料总质量的0.14-0.17％，任选的在精炼过程中同时加入占原料总质量0.08-0.20％的细化剂al-5ti-b。

19、本发明步骤s5中，优选的多级热处理的条件为：

20、第一级均匀化热处理，400-500℃保温0.5-24h，然后空冷或水淬或直接升温进行第二级固溶处理；

21、第二级固溶处理，505-525℃保温0.5-24小时，然后在室温-60℃水中淬火；

22、第三级回归再时效热处理，阶段一在200-350℃下保温0.5～10小时，然后空冷或炉冷，阶段二在395～500℃下保温10min-1h，然后空冷或炉冷，阶段三在150～200℃下保温1～24小时，然后空冷或炉冷。

23、根据上述本发明的第一和第二方面，本发明通过向al-cu基体中引入tib2颗粒增强相和合金化元素sc、zr，结合多级/分级热处理工艺，通过微观组织的高温稳定化，实现了在室温～400℃温度区间内铝基复合材料结构件的安全服役，突破了现有铝基复合材料的服役壁垒。

24、本发明的第三方面，在于提供一种热处理方法，该方法尤其适合于处理得到前述本发明第一方面所提供的颗粒增强耐热铝基复合材料。该热处理方法包括如下步骤，

25、s1，均匀化热处理，将铸态铝基复合材料在400-500℃保温0.5-24h，然后空冷或水淬或直接升温进行下述步骤s2；

26、s2，固溶处理，将s1处理后的铝基复合材料在505-525℃保温0.5-24小时，然后在室温-60℃水中淬火；

27、s3，回归再时效热处理，首先将s3处理后的铝基复合材料在200-350℃下保温0.5～10小时，然后空冷或炉冷，其次在395～500℃下保温10min-1h，然后空冷或炉冷，最后在150～200℃下保温1～24小时，然后空冷或炉冷。

28、根据上述热处理方法，第一级均匀化热处理，在消除铸造应力缺陷的同时预先析出耐热稳定析出相al3(sc,zr)颗粒，该相具有卓越的耐热稳定性，可以促进后续时效处理中另一耐热相ω-al2cu相的析出和主要强化相θ'-al2cu相的纳米化析出。

29、第二级固溶处理，能够最大程度溶解铸造凝固过程中形成的粗大初生相θ-al2cu相，形成过饱和固溶体，其机理是初生相θ-al2cu及构成初生相的溶质原子在al中的溶解度随温度下降而显著减小，高温阶段溶解后，快速淬火形成过饱和固溶体。

30、第三级回归再时效热处理，又分为三个阶段，第一阶段的短时预时效热处理(200-350℃下保温)，能够通过t-al20cu2mn3的异质形核机制促进耐热ω-al2cu相的析出；之后是第二阶段回归热处理(395～500℃下保温)，第一级均匀化热处理阶段析出的耐热al3(sc,zr)颗粒在第二级高温固溶处理中，不可避免的会出现部分溶解和溶质扩散，而相对高温固溶处理温度较低的该第二阶段回归热处理，能够促进al3(sc,zr)颗粒的再次纳米化析出；最后是第三阶段的回归再时效热处理工艺(在150～200℃下保温)，规避了al3(sc,zr)颗粒、ω-al2cu相、θ'-al2cu相在析出温度上的差异，使其交替析出，从而同时满足具备卓越热稳定性的微观组织特征。

31、综合以上内容，为了获得强韧性能匹配较好的铝基复合材料，本发明提出了一种sc、zr联合微合金化tib2颗粒增强al-cu基复合材料及其多级热处理工艺，通过sc、zr元素在tib2颗粒表面的强吸附作用，显著抑制了tib2颗粒团聚的问题；并通过均匀化热处理和回归热处理阶段析出的耐热稳定al3(sc,zr)颗粒作为异质形核质点促进纳米级ω-al2cu相和θ'-al2cu相的均匀化析出，通过逐步调控溶质原子的扩散速率，在形成析出相的同时伴随溶质原子在析出相与α-al界面的偏析，同步降低界面能和形成半共格界面特征，最终获得密度较大、均匀分布的纳米级耐热强化相，得到的铝基复合材料在提高强度的同时，保持较高的热稳定性。

32、本发明获得的强韧性兼备的耐热铝基复合材料，突破了铝基复合材料强韧性倒置的关键技术屏障，能够在300℃～400℃的高温区间服役，通过适宜的组分设计与热处理工艺优化调整，调控瞬时或者长时高温服役结构件的微观组织结构，制备了兼具室温/高温循环加载或单一温度环境下的高强韧耐热铝基复合材料韧性能。在航空航天、汽车制造等工业领域有着广阔的应用前景。