一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法

本发明涉及材料处理，尤其是涉及一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法。

背景技术：

1、铝基碳化硅复合材料以其轻质、低膨胀、高模量等特性有着广阔的应用前景，尤其中高体份(碳化硅颗粒体积含量在40％-65％)铝基碳化硅复合材料在线膨胀系数、弹性模量及轻量化、尺寸稳定性等方面与传统的金属材料相比优势极为显著，其弹性模量可达铝合金的2-3倍，而其线膨胀系数可比作为复合材料基体的铝合金低60％以上，甚至低于钛合金的水平。因此，此类复合材料在航空航天精密仪器乃至尺寸稳定性要求极为苛刻的惯性器件上已崭露头角，实现了领先应用。例如，作为航天导航系统的惯性构件、航天相机的光机结构件均实现了空间在轨运行应用，发挥出有效抵抗力/热双重载荷、保持精密结构的高精度稳定性并实现了显著轻量化的卓越成效。

2、随着我国航空航天技术的迅猛发展，对精密构件的效能提出了越来越高的要求。要求构件能在更大的力载荷作用下保持结构精度的稳定性(即抵抗力载荷作用的能力更强)，或者力载荷水平不变但允许的微塑性变形幅度要求更小(即精度稳定性要求更高)，同时构件还要在热载荷作用下具备良好的尺寸稳定性。这就要求中高体份铝基碳化硅复合材料具有更强的微塑性变形抗力，并同时保持优异的热载荷作用下的尺寸稳定性。无论是作为基体的铝合金还是铝基复合材料，提高微塑性变形抗力的有效手段就是固溶-时效强化处理。采用去应力退火、高低温循环等方法改善铝基复合材料尺寸稳定性。但是，去应力退火、高低温循环等处理方法会削弱固溶-时效强化处理的强化效果。先进行尺寸稳定化处理再实施固溶-时效强化处理往往会显著削弱尺寸稳定化效果，使复合材料的尺寸稳定性出现明显的劣化趋势。总之，时效强化与尺寸稳定化通常是互相干扰的两种热处理制度，发掘时效强化与尺寸稳定化的协同机制及其合二为一的处理制度，这将是有重大工程意义的技术挑战。

3、材料性能指标的优化尤其两个及两个以上指标的多响应协同优化，通常要开展组别数量较大的大规模实验，如果采用传统的实验设计方案来筛选中高体份铝基碳化硅复合材料的时效强化与尺寸稳定化协同处理制度，势必会带来极高的实验成本和很长的实验周期。这方面也亟待改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，将中高体份铝基复合材料的时效强化与尺寸稳定化两种相互干扰的工艺统一起来，有效提升中高体份铝基碳化硅复合材料抵抗力/热双重载荷作用、保持精密结构精度稳定性的能力；并利用回归分析方法、通过多响应协同优化获得兼具尺寸稳定化作用的时效强化工艺方法，有效地缩短实验周期，降低实验成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，包括以下步骤：

3、s1、将中高体份铝基复合材料进行固溶处理，淬火冷却；

4、s2、在不同温度和不同保温时间下对中高体份铝基复合材料进行时效处理；

5、s3、对完成固溶-时效处理后的中高体份铝基复合材料进行材料微屈服抗力和高低温交变作用下的体积变化率的测试和表征；

6、s4、基于s3中得到的材料微屈服抗力和体积变化率结果，以材料微屈服抗力和体积变化率为响应目标，利用多响应回归分析对时效温度和时效保温时间进行优化；

7、s5、对优化的时效温度和保温时间进行实验验证。

8、优选的，所述s1中，中高体份铝基复合材料包括基体铝合金和增强体，增强体分散在基体铝合金中。

9、优选的，所述基体铝合金为铝硅镁al-si-mg系铸造铝合金、2000系变形铝合金、6000系变形铝合金和7000系变形铝合金中的一种。

10、优选的，所述增强体为碳化硅颗粒，碳化硅颗粒的粒度d50为1μm～120μm。

11、优选的，所述碳化硅颗粒在铝基复合材料中的体积百分含量为40％～65％。

12、优选的，所述中高体份铝基复合材料采用无压浸渗或粉末冶金的方法制备。

13、优选的，所述s1中，固溶处理的温度为470℃～540℃，固溶处理时间为1小时～3小时；固溶处理后采用水进行淬火冷却处理。

14、优选的，所述s2中，时效处理的温度为120℃～180℃。

15、优选的，所述s2中，时效保温时间为2小时～12小时。

16、优选的，所述s3中，材料微屈服抗力采用三点弯曲试验进行测试；体积变化率为在20℃～150℃之间进行五次温度交变下体积变化率的平均值。

17、本发明所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法的优点和积极效果是：

18、1、本发明将中高体份铝基碳化硅复合材料的时效强化和尺寸稳定化两种处理工艺结合起来，使得铝基复合材料获得与基体非共格的稳态析出相，提高材料的尺寸稳定性。并且小尺寸的稳态析出相在铝基体中弥散分布，提高材料内部位错开动阻力，从而提高材料的微屈服抗力。因此，在保证时效处理强化效果的同时，取得了理想的材料尺寸稳定性。

19、2、采用材料微屈服强度和体积变化率作为主要响应目标，利用多响应回归分析协同优化，优化时效处理的温度和保温时间，获得同时具有理想的、可有效抗力/热双重载荷作用的尺寸稳定性以及优异时效强化效果的时效处理工艺参数。

20、3、采用多响应回归分析的方法大大提高了协同优化的效率，有效地缩短实验周期，降低实验成本。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述s1中，中高体份铝基复合材料包括基体铝合金和增强体，增强体分散在基体铝合金中。

3.根据权利要求2所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述基体铝合金为铝硅镁al-si-mg系铸造铝合金、2000系变形铝合金、6000系变形铝合金和7000系变形铝合金中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述增强体为碳化硅颗粒，碳化硅颗粒的粒度d50为1μm～120μm。

5.根据权利要求4所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述碳化硅颗粒在铝基复合材料中的体积百分含量为40％～65％。

6.根据权利要求2所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述中高体份铝基复合材料采用无压浸渗或粉末冶金的方法制备。

7.根据权利要求1所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述s1中，固溶处理的温度为470℃～540℃，固溶处理时间为1小时～3小时；固溶处理后采用水进行淬火冷却处理。

8.根据权利要求1所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述s2中，时效处理的温度为120℃～180℃。

9.根据权利要求1所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述s2中，时效保温时间为2小时～12小时。

10.根据权利要求1所述的一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，其特征在于：所述s3中，材料微屈服抗力采用三点弯曲试验进行测试；体积变化率为在20℃～150℃之间进行五次温度交变下体积变化率的平均值。

技术总结
本发明公开了一种兼具尺寸稳定化的中高体份铝基复合材料时效强化方法，属于材料处理技术领域。时效强化方法包括以下步骤：将中高体份铝基复合材料进行固溶处理，淬火冷却；在不同温度和不同保温时间下进行时效处理；进行微屈服抗力和高低温交变作用下的体积变化率的测试和表征；基于S3中得到的材料微屈服抗力和体积变化率结果，以材料微屈服抗力和体积变化率为响应目标，利用多响应回归分析对时效温度和时效保温时间进行优化；对优化的时效温度和保温时间进行实验验证。本发明采用上述方法获得同时具有理想的、可有效抗力/热双重载荷作用的尺寸稳定性以及优异时效强化效果的时效处理工艺参数，有效地缩短实验周期，降低实验成本。

技术研发人员：崔岩,戴桐,李纯
受保护的技术使用者：北方工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/29