一种高强耐热铝基复合材料及制备方法

1.本发明属于金属基复合材料加工技术领域，涉及一种高强耐热铝基复合材料及制备方法。

背景技术：

2.随着全球对环保问题的重视，对汽车尾气的排放提出了更加严苛的标准，所有轻型汽油机动车和重型柴油车须符合国五排放标准。使用高功率、高密度发动机是实现节能减排与轻量化的重要途径。提高发动机的转速与燃烧压力，是提高发动机功率密度的关键，但提高转速和燃烧压力，会使发动机的关键零部件面临更加严苛的工作环境，对发动机材料提出了更高的耐热综合力学性能要求，这就意味铝合金需要具备更加优异的髙温性能。
3.颗粒增强金属基复合材料是以陶瓷颗粒等为增强相，以金属合金为基体制备的材料。通过调控制备工艺等参数，使增强相与基体材料的性能优势互补，可制备出在常温下具有高强韧性、高模量、高强度、低膨胀系数等综合性能优异的复合材料。然而增强相颗粒与金属基体间的界面结合较弱，随工作温度的升高会加速溶质原子的扩散速率，使强化相发生粗化或有害的相转变，此外，温度的升高会使界面结合强度降低，影响界面载荷传递，导致合金的高温力学性能严重降低。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高强耐热铝基复合材料及制备方法。在本发明中，先采用大塑性变形等通道转角挤压技术施加剪切应力实现铝基复合材料沿剪切方向的致密处理；再通过热挤压技术实现铝基复合材料沿径向的压缩致密处理，并通过挤压模具实现棒状材料到板状材料的转变，利用激光冲击改善棒状到板状变形的有益流线；最后通过轧制小变形处理实现铝基复合材料沿厚度方向的变形致密处理。由于等通道转角挤压、棒材挤压为板材(激光冲击辅助)、板材的轧制三种工艺为三个不同方向对铝基复合材料施加应力和变形，三种工艺的联合处理不仅能够保证强化相与基体间沿各个方向的有效结合，避免单一工艺处理时基体与界面结合存在薄弱区，抑制高温工况条件下的界面载荷传递不均匀。因此，本发明制备的铝基复合材料在高温条件下仍具有较高的强度和塑性等优点。
5.本发明中首先提供了一种高强耐热铝基复合材料，所述铝基复合材料晶粒均匀细小，增强相颗粒与铝基体间各个方向的界面结合良好，200℃条件下的抗拉强度为152～160mpa，延伸率为13.2％～14.3％。
6.进一步的，所述铝基复合材料为颗粒强化5、6或7系铝基复合材料中的任一种。
7.进一步的，所述铝基复合材料为镍钛颗粒强化6系铝基复合材料。
8.本发明提供了一种高强耐热铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
9.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末；
10.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；
11.(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理。
12.(4)将步骤(3)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料；
13.(5)将步骤(4)获得的铝基复合板料置于激光加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击；
14.(6)将步骤(5)获得的板料放入去离子水中超声清洗，用压缩氮气吹干，将其置于轧机工作平台上，进行小变形轧制和热处理，然后去除氧化层，获得成品；
15.进一步地，步骤(1)中，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:1～20；
16.进一步地，步骤(2)中，镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为400～460℃，热压烧结的保压时间为40～60min；。
17.进一步地，步骤(3)中，等通道转角挤压次数2～8次；
18.进一步地，步骤(4)中，棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为400～460℃，保温时间为40～60min，挤压速度为0.1～0.3mm/s；
19.进一步地，步骤(5)中，激光脉冲宽度：30ns～50ns；激光能量：20j～80j；激光波长：1064mm；光斑直径：2mm～6mm；搭接率：40～50％。
20.进一步地，步骤(6)中，热轧温度为400～500℃，小变形轧制压下量为5～10％。
21.进一步地，步骤(6)中，轧后冷却及热处理条件为：小变形热轧后水冷至室温，然后入炉以20～30℃/s加热至480℃保温，保温60～120min后水冷至室温。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
23.本发明制备得到的铝基复合材料具有均匀细小的晶粒组织、强化相与基体组织具有良好的结合界面，制备的铝基复合材料在200℃条件下的抗拉强度为152～160mpa，延伸率为13.2％～14.3％，高温力学性能得到了显著提升，能够很好的用于航空和轨道交通领域的高温工况条件下。
24.温度的升高会使铝基复合材料中强化相与基体的界面结合强度降低，影响界面载荷传递。针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高强耐热铝基复合材料及制备方法。在本发明中，先采用大塑性变形等通道转角挤压技术施加剪切应力实现铝基复合材料沿剪切方向的致密处理；再通过热挤压技术实现铝基复合材料沿径向的压缩致密处理，并通过挤压模具实现棒状材料到板状材料的转变，利用激光冲击改善棒状到板状变形的有益流线；最后通过轧制小变形处理实现铝基复合材料沿厚度方向的变形致密处理。由于等通道转角挤压、棒材挤压为板材(激光冲击辅助)、板材的轧制三种工艺为三个不同方向对铝基复合材料施加应力和变形，三种工艺的联合处理不仅能够保证强化相与基体间沿各个方向的有效结合，避免单一工艺处理时基体与界面结合存在薄弱区，抑制高温工况条件下的界面载荷传递不均匀。因此，本发明制备的铝基复合材料在高温条件下仍具有较高的强度和塑性等优点。
附图说明
25.图1为本发明实施例1制备铝基复合材料的微观组织形貌图。
具体实施方式
26.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
27.本实施例设计的镍钛颗粒强化6061铝基复合材料为本领域广泛应用的公知材料。
28.实施例1：
29.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
30.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
31.(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理，等通道转角挤压次数4次。
32.(4)将步骤(3)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料。棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420℃，保温时间为45min，挤压速度为0.1mm/s；
33.(5)将步骤(4)获得的铝基复合板料置于激光加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击；激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50j；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：50％。
34.(6)将步骤(5)获得的板料放入去离子水中超声清洗，用压缩氮气吹干，将其置于轧机工作平台上，进行小变形轧制和热处理，然后去除氧化层，获得成品；热轧温度为450℃，小变形轧制压下量为6％。
35.对制备得到的铝基复合材料进行微观组织表征及满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。如图1，镍钛颗粒与铝基体间的界面结合良好，镍钛颗粒分布均匀。200℃的高温抗拉强度为152mpa，延伸率为13.2％。
36.实施例2：
37.与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(3)等通道转角挤压次数7次。
38.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为160mpa，延伸率为13.8％。
39.实施例3：
40.与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(4)的挤压速度为0.2mm/s。
41.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为154mpa，延伸率为14.3％。
42.实施例4：
43.与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(6)的小变形轧制压下量为10％。
44.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。
抗拉强度为156mpa，延伸率为14.1％。
45.对比例1：
46.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
47.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
48.(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理，等通道转角挤压次数4次，获得成品。
49.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为102mpa，延伸率为8.2％。
50.对比例2：
51.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
52.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
53.(3)将步骤(2)制得坯料和挤压模具分别加热并保温，然后将坯料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料。棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420℃，保温时间为45min，挤压速度为0.1mm/s；
54.(4)将步骤(3)获得的铝基复合料置于激光加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击；激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50j；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：50％，获得成品。
55.对制备得到的铝基复合材料进行200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为98mpa，延伸率为7.9％。
56.对比例3：
57.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
58.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
59.(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理，等通道转角挤压次数4次。
60.(4)将步骤(3)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料。棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420℃，保温时间为45min，挤压速度为0.1mm/s；
61.(5)将步骤(4)获得的铝基复合料置于激光加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击；激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50j；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：50％，获得成品。
62.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为115mpa，延伸率为11.2％。
63.对比例4：
64.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
65.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
66.(3)将步骤(2)制得坯料和挤压模具分别加热并保温，然后将坯料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料。棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420℃，保温时间为45min，挤压速度为0.1mm/s；
67.(4)将步骤(3)获得的板料放入去离子水中超声清洗，用压缩氮气吹干，将其置于轧机工作平台上，进行小变形轧制和热处理，然后去除氧化层，获得成品；热轧温度为450℃，小变形轧制压下量为6％，获得成品。
68.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为109mpa，延伸率为10.9％。
69.对比例5：
70.(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:10；
71.(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为450℃，热压烧结保温时间为50min。
72.(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理，等通道转角挤压次数4次。
73.(4)将步骤(3)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料。棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为420℃，保温时间为45min，挤压速度为0.1mm/s；
74.(5)将步骤(4)获得的板料放入去离子水中超声清洗，用压缩氮气吹干，将其置于轧机工作平台上，进行小变形轧制和热处理，然后去除氧化层，获得成品；热轧温度为450℃，小变形轧制压下量为6％。
75.对制备得到的铝基复合材料进行满足国标要求的200℃高温拉伸力学性能测试。抗拉强度为123mpa，延伸率为11.8％。
76.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换
或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)将真空雾化的近等原子比的镍钛粉末与铝合金粉末进行球磨混粉，获得均匀的铝基复合粉末；(2)将步骤(1)制得镍钛铝基复合粉末和模具分别加热并保温，然后将镍钛铝基复合粉末倒入热压模具中，利用压机进行热压烧结处理并保压，最后利用顶出装置顶出制好的棒状坯料；(3)将步骤(2)制得坯料水冷至室温，然后置入等通道转角挤压模具中，进行室温多道次等通道转角挤压处理。(4)将步骤(3)制得棒料和挤压模具分别加热并保温，然后将棒料置入挤压模具中(挤压模具的入口为棒状、出口为板状)，制备出铝基复合板料；(5)将步骤(4)获得的铝基复合板料置于激光加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击；(6)将步骤(5)获得的板料放入去离子水中超声清洗，用压缩氮气吹干，将其置于轧机工作平台上，进行小变形轧制和热处理，然后去除氧化层，获得成品。；2.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(1)中，镍钛合金粉末与铝合金粉末质量比为1:1～20；3.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(2)中，镍钛铝基复合粉末和热压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为400～460℃，热压烧结保温时间为40～60min。4.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(3)中，等通道转角挤压次数2～8次；5.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(4)中，棒料和挤压模具的保温温度和保温时间相同，保温温度为400～460℃，保温时间为40～60min，挤压速度为0.1～0.3mm/s；6.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度：30ns～50ns；激光能量：20j～80j；激光波长：1064mm；光斑直径：2mm～6mm；搭接率：40～50％。7.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(6)中，热轧温度为400～500℃，小变形轧制压下量为5～10％。8.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料及制备方法，其特征在于，步骤(6)中，轧后冷却及热处理条件为：小变形热轧后水冷至室温，然后入炉以20～30℃/s加热至480℃保温，保温60～120min后水冷至室温。9.根据权利要求1～8任一项所述的高强耐热铝基复合材料，其特征在于，所述高强耐热铝基复合材料在温度为200℃条件下的抗拉强度为152～160mpa，延伸率为13.2％～14.3％。10.根据权利要求1所述的高强耐热铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金为5、6或7系铝合金材料中的任一种。11.根据权利要求9所述的高强耐热铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料为镍钛颗粒强化6系铝基复合材料。

技术总结

本发明提供了一种高强耐热铝基复合材料及制备方法，属于金属基复合材料加工技术领域。在本发明中，先采用大塑性变形等通道转角挤压技术施加剪切应力实现铝基复合材料沿剪切方向的致密处理；再通过热挤压技术实现铝基复合材料沿径向的压缩致密处理，并通过挤压模具实现棒状材料到板状材料的转变，利用激光冲击改善棒状到板状变形的有益流线；最后通过轧制小变形处理实现铝基复合材料沿厚度方向的变形致密处理。由于等通道转角挤压、棒材挤压为板材(激光冲击辅助)、板材的轧制三种工艺为三个不同方向对铝基复合材料施加应力和变形，三种工艺的联合处理不仅能够保证强化相与基体间沿各个方向的有效结合，避免单一工艺处理时基体与界面结合存在薄弱区，抑制高温工况条件下的界面载荷传递不均匀。因此，本发明制备的铝基复合材料在高温条件下仍具有较高的强度和塑性等优点。度和塑性等优点。