专利名称：一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别提供了一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料。
背景技术：
普通沉淀强化铝合金的强度在200℃以上由于沉淀强化相的迅速粗化而明显降低。改善铝基合金高温性能的措施之一是在铝基体中形成热稳定的弥散粒子或加入陶瓷增强相。在铝合金中加入陶瓷晶须不仅可以明显提高基体的强度和模量，而且可以显著提高铝基体的高温蠕变性能，然而如果采用沉淀强化铝合金作为铝基体，由于沉淀强化相在高温下的明显粗化，在200℃以上，复合材料的抗拉强度急剧降低。在另一方面，由急冷凝固+粉末冶金制备的铝-铁-钒-硅合金由于含有高体积分数的、热稳定的立方相Al12(Fe，V)3Si弥散粒子而具有良好的高温性能，其使用温度可达350℃，被认为是一种非常有应用前景的高温铝合金。因此如果采用陶瓷晶须增强铝-铁-钒-硅合金，就可在铝基体中同时引入陶瓷晶须和弥散粒子，可望在提高材料强度和模量的同时，明显改善其高温瞬间和持久性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料及其制备方法，其具有高的室温强度和模量及良好的高温瞬间和持久性能，可用于各种要求高强度和高刚度、特别是高温性能的场合。
本发明提供了一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料，其特征在于该复合材料由陶瓷晶须、Al12(Fe，V)3Si弥散粒子和铝基体组成，陶瓷晶须的体积分数在5-40％，直径为0.1-1.5微米、长度3-10微米，Al12(Fe，V)3Si弥散粒子的体积分数为10-40％，尺寸为50-200纳米。
本发明高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料中，所述陶瓷晶须选自可以碳化硅、氮化硅、硼酸铝之一种或多种。本发明还提供了上述高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下——采用物理机械方法使急冷凝固的50-120微米的铝-铁-钒-硅合金微晶粉末和晶须均匀混合；——在400-600℃、80-200MPa压力下真空热压至85-95％的密度；——热压锭在400-480℃以5∶1至30∶1的挤压比挤压成型。
本发明高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料的制备方法中，所述物理机械方法可以为机械搅拌法。
测试表明所获得的陶瓷晶须(碳化硅、氮化硅、硼酸铝)和Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝基复合材料具有良好的机械性能。
本发明设计了一个全新的复合材料体系，铝-陶瓷晶须-Al12(Fe，V)3Si，采用粉末冶金法制备出定向排列的晶须和Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝基复合材料。这样的微观结构符合德国学者Rsler和Bker提出的双尺寸粒子强化的高温材料微观结构设计模型(Acta Materialia，vol.48，No.13(2000)3553-3567)，即高长径比的棒状增强相和细小等轴粒子复合强化材料将具有高的蠕变抗力。因此，有理由相信晶须和Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝作为一种新型高性能复合材料会有着广阔的应用前景。
具体实施例方式实施例115vol.％碳化硅晶须和23vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为5.1∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和碳化硅晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至95％的密度，热压锭在460℃以20∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为452MPa，室温弹性模量118GPa，在300℃的拉伸强度是223MPa，在450℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为2×10-6s-1。
比较例1在相同的工艺条件下制备27vol.％的Al12(Fe，V)3Si弥散粒子强化铝基合金，其室温拉伸强度为359MPa，室温弹性模量89GPa，在300℃的拉伸强度是187MPa，在450℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为5×10-4s-1。
实施例215vol.％氮化硅晶须和23vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为5.1∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和氮化硅晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至97％的密度，热压锭在460℃以20∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为438MPa，室温弹性模量113GPa，在300℃的拉伸强度是216MPa。
实施例3
15vol.％硼酸铝晶须和23vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为5.6∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和硼酸铝晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至96％的密度，热压锭在460℃以20∶1挤压比挤压成型。所得材料的室温拉伸强度为404MPa，室温弹性模量100GPa，在300℃的拉伸强度是205MPa，在450℃、100MPa的施加应力下其蠕变速率约为7×10-6s-1。
实施例435vol.％硼酸铝晶须和18vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为1.8∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和硼酸铝晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至96％的密度，热压锭在500℃以25∶1挤压比挤压成型。
实施例55vol.％硼酸铝晶须和26vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为18.8∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和硼酸铝晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至96％的密度，热压锭在500℃以30∶1挤压比挤压成型。
实施例610vol.％硼酸铝晶须和24vol.％ Al12(Fe，V)3Si弥散粒子复合增强铝复合材料制造工艺将重量比为8.9∶1的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si微晶粉末和硼酸铝晶须用湿混法混合均匀，干燥后冷压实，在10-3托真空条件下逐步加热除气，在600℃、100-150MPa压力下真空热压至98％的密度，热压锭在500℃以30∶1挤压比挤压成型。
权利要求
1.一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料，其特征在于该复合材料由陶瓷晶须、Al12(Fe，V)3Si弥散粒子和铝基体组成，陶瓷晶须的体积分数在5-40％，直径为0.1-1.5微米、长度3-10微米，Al12(Fe，V)3Si弥散粒子的体积分数为10-40％，尺寸为50-200纳米。
2.按照权利要求1所述高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料，其特征在于所述陶瓷晶须选自碳化硅、氮化硅、硼酸铝之一种或多种。
3.一种权利要求1所述高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于过程如下——采用物理机械方法使急冷凝固的50-120微米的铝-铁-钒-硅合金微晶粉末和晶须均匀混合；——在400-600℃、80-200MPa压力下真空热压至85-95％的密度；——热压锭在400-480℃以5∶1至30∶1的挤压比挤压成型。
4.按照权利要求1所述高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述物理机械方法为机械搅拌法。
全文摘要
一种高性能晶须和弥散粒子复合增强铝基复合材料，其特征在于该合金由陶瓷晶须、Al
文档编号C22C47/14GK1796590SQ200410100448
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者马宗义, 毕敬 申请人:中国科学院金属研究所