双尺度颗粒增强高强韧高刚度铝基复合材料及制备方法

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种双尺度颗粒增强高强韧高刚度铝基复合材料及制备方法。

背景技术：

1、铝合金在我国工业轻量化战略中具有不可估量的地位，现已广泛的应用于车辆工程、城市轨道交通、化学工业、航空航天以及电子封装行业。近年来，高强、高效、环保、安全的新材料的研发已成为当今材料领域发展的一项前沿课题，颗粒增强铝合金材料领域发展迅猛，由于其低廉的价格和良好的塑性、韧性使其成为一种重要的轻质结构材料。目前常见的颗粒增强铝基复合材料主要是tic、tib2、sic以及aln等颗粒充当基体合金的强化相。这些强化相已经使铝基复合材料的强度大幅提升，但是对材料的弹性模量的提高却十分有限，并且很多增强颗粒在基体中往往以不规则的形态出现，这对增强颗粒性能的发挥和材料的各向同性都有不利影响。al3bc得益于其独特的化学成分和晶体结构，其具有与传统陶瓷颗粒相当的力学性能，同时具有一定的金属特性，这使其并不需要额外的工艺过程就可以实现在基体中的均匀分布以及与铝基体之间优异的界面结合，为铝基复合材料增强颗粒的选择提供新思路。在对高强度高刚度材料需求日益增长的今天，寻找一个高刚度、高强度、安全环保的轻质铝基复合材料是目前复合材料领域的重要目标。

2、稀土元素对铝合金性能改善起到重要作用，具体表现在：(1)能够细化铸造组织，减少铝合金枝晶间距；(2)对增强颗粒形貌具有一定改性作用；(3)提高材料热稳定性，并减少晶间腐蚀。稀土元素中铈在地壳中的含量约0.0046％，是稀土元素中丰度最高的，广泛应用于金属材料当中。

3、目前一些研究通过固液合成方法得到了以al3bc作为增强颗粒的铝基复合材料。专利(专利号：cn202310350023.4)“包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及制备方法，刘相法，韩梦霞，刘桂亮，高通”报道了一种包覆式复合粒子增强高强高模量铝基复合材料及其制备方法。包覆式复合粒子al4c3@al3bc是指al3bc粒子包覆al4c3粒子的至少一部分。尽管该结构能够有效阻碍位错运动和实现载荷传递，并且可通过稳定的al3bc相包覆易水解的al4c3相提高服役过程中的稳定性，但al4c3尺寸较大，为100～2000nm，不利于材料性能的发挥，且工艺较为复杂，步骤繁琐，不利于大规模推广。

4、除此之外，包括利用其他方法获得的al3bc增强的金属基复合材料，还存在一些问题：

5、(1)al3bc尺寸大小不易控制，容易形成较大颗粒。且制备过程中容易生成alb2、al4c3等脆性相，使材料过早失效。

6、(2)所获得的al3bc形貌为六边形薄片，使材料产生各向异性，垂直于薄片方向和平行于薄片方向的力学性能有较大差异。

7、(3)另外，薄片状粒子在长度方向容易产生应力集中，导致裂纹萌生，使粒子无法发挥最佳性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双尺度颗粒增强铝基复合材料及制备方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种双尺度颗粒增强铝基复合材料的制备方法，以6061铝合金为基体，通过添加稀土元素ce调控al3bc颗粒的长径比，获得双尺度颗粒；具体包括如下步骤：

3、步骤(1)：称取粉末：以质量百分比如下：高纯mg粉0.8wt％～1.2wt％，高纯si粉0.3wt％～0.9wt％，高纯cu粉0.2wt％～0.3wt％，高纯mn粉0.1wt％～0.2wt％，al-b-c合金粉2.1wt％～6.1wt％，工业纯al粉91.9wt％～96.0wt％，al-ce合金粉0.5wt％～1.0wt％；

4、步骤(2)：球磨后压制成型；

5、步骤(3)：真空烧结；

6、步骤(4)：挤压变形。

7、进一步的，步骤(1)中工业纯al粉的粒度≤20μm、纯度＞99.7％，高纯mg粉的粒度≤2μm、纯度>99.5％，高纯si粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，高纯cu粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，高纯mn粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，al-b-c合金粉的粒度≤50nm、纯度＞99.9％，al-ce合金粉粒度≤3μm、纯度＞99.5％。

8、进一步的，步骤(2)中的球磨时间为3.5～4.5小时，球磨转速为340r/min～380r/min，球料质量比为12:1～24:1。

9、进一步的，步骤(2)中压制成型具体为：采用液压机液压成型。

10、进一步的，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数具体为：温度为650～850℃，保温1～10小时，压力为20mpa～50mpa。

11、进一步的，步骤(4)挤压变形的工艺参数具体为：挤压温度为450～550℃，挤压比为12:1～24:1。

12、一种双尺度颗粒增强铝基复合材料，采用上述的方法制备。

13、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

14、本发明通过在6061铝基合金中添加ce元素，对基体中六边形薄片al3bc修饰形成细针状长度为200～300nm的al3bc增强颗粒，另外ce元素限制对基体中的b、c等颗粒的长大，得到尺寸介于50～100nm的等轴颗粒，从而实现了双尺度颗粒增强；细针状al3bc对6061刚度提高明显，尺寸介于50～100nm的细化等轴颗粒进一步的提高了6061的塑性，从而得到了轻质高强韧度高刚度铝基复合材料。

15、对于通过添加ce形成细针状al3bc具体为：ce元素在六边形薄片al3bc上存在选择性偏聚的现象，ce元素会在六边形薄片al3bc表面能最低的面上偏聚，也就是说在<0001>表面上偏聚有更多的ce元素，偏聚的ce元素进一步的抑制生长，从而形成细针状的al3bc增强颗粒。

16、另一方面，6061铝基体中存在游离的b和c原子也会反应形成纳米尺寸的al3bc粒子ce原子作为一种表面活性物质，易于在纳米颗粒表面吸附和偏析，经过ce元素修饰al3bc纳米粒子，其长大过程也受到抑制，从而导致生长不完全，于是形成了细小的粒状形态。

17、本发明添加的al-ce合金粉的质量分数为0.5wt％～1.0wt％，既保证了添加量满足对颗粒的修饰作用，又避免了铝铈化合物的生成。

技术特征：

1.一种双尺度颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，以6061铝合金为基体，通过添加稀土元素ce调控al3bc颗粒的长径比，获得双尺度颗粒；具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中工业纯al粉的粒度≤20μm、纯度＞99.7％，高纯mg粉的粒度≤2μm、纯度>99.5％，高纯si粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，高纯cu粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，高纯mn粉的粒度≤1μm、纯度＞99.95％，al-b-c合金粉的粒度≤50nm、纯度＞99.9％，al-ce合金粉粒度≤3μm、纯度＞99.5％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的球磨时间为3.5～4.5小时，球磨转速为340r/min～380r/min，球料质量比为12:1～24:1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中压制成型具体为：采用液压机液压成型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数具体为：温度为650～850℃，保温1～10小时，压力为20mpa～50mpa。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(4)挤压变形的工艺参数具体为：挤压温度为450～550℃，挤压比为12:1～24:1。

7.一种双尺度颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的方法制备。

技术总结
本发明为一种双尺度颗粒增强高强韧高刚度铝基复合材料及制备方法。方法以6061铝合金为基体，通过添加Ce调控Al<subgt;3</subgt;BC颗粒的长径比，获得双尺度颗粒；包括如下步骤：称取粉末：粉末中Al‑B‑C合金粉2.1wt％～6.1wt％，Al‑Ce合金粉0.5wt％～1.0wt％；球磨后压制成型；真空烧结；挤压变形。本发明利用元素Ce调控Al<subgt;3</subgt;BC颗粒的形貌和尺度，使其形貌由薄片状改性呈细针状，大大的提高了铝合金的刚度，经过Ce修饰的细小等轴游离粒子进一步的提高了铝合金的塑性，从而生成轻质高强韧高刚度铝基复合材料。

技术研发人员：聂金凤,熊伟,刘伟,陈玉瑶
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20