一種原位自生顆粒增強的鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于直升機槳轂夾板的原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其包括下列質(zhì)量百分含量的組分：Si0.38～0.42、Cu1.2～2.0、Mn0.26～0.32、Mg2.1～2.9、Cr0.1～0.28、Zn5.1～6.1、TiB2顆粒5～12、Al78.7～82.22。本發(fā)明還提供了一種原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法。TiB2顆粒原位自生于鋁基復(fù)合材料中，使得鋁基復(fù)合材料的強度和模彈性量得到明顯提高，還大幅度提高了鋁基復(fù)合材料的斷裂韌性和抗疲勞性能，而且材料的塑性也好，從而進一步提高材料的綜合力學(xué)性能。這種制備方法工藝簡單，原材料價格低廉，適于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，具有很好的推廣應(yīng)用價值。
【專利說明】一種原位自生顆粒增強的鋁基復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種可用于直升機槳轂夾板的原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]旋翼系統(tǒng)作為武裝直升機核心部件，對槳轂夾板材料性能提出了極為苛刻的要求，需同時具有高的比強度、比模量、高韌性和耐疲勞性能等。而傳統(tǒng)單一金屬材料難以滿足航空領(lǐng)域的使用要求，因此亟需研發(fā)一種新型輕質(zhì)高強復(fù)合材料。業(yè)界通過在金屬鋁基體中添加陶瓷增強相，制成顆粒增強金屬基復(fù)合材料，以致顯著提高材料的強度、彈性模量和韌性、抗疲勞性能。目前世界各國正在廣泛開展輕質(zhì)高強鋁基復(fù)合材料的研究，并逐步將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域，如DWA公司采用粉末冶金工藝制備了 SiC/6092和SiC/2009復(fù)合材料，采用17.5% SiC/6092板材用于F-16戰(zhàn)斗機的腹鰭，代替了原有的2024鋁合金，剛度提高50%，壽命提高幅度達17倍；采用SiC/2009復(fù)合材料直升機槳轂夾板，已經(jīng)成功應(yīng)用于Eurocapter的小型直升機,替代了原來使用Ti_6Al_4V鈦合金,減輕了部件重量。
[0003]采用粉末冶金方法制備的SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體合金相t匕，顆粒雖然對于基體有明顯的增強作用，但是目前國內(nèi)制備的鋁基復(fù)合材料的極限強度不足570MPa，采用粉末冶金工藝制備的槳轂夾板疲勞壽命最高只有1600h。這是因為外加顆粒增強鋁基復(fù)合材料本身存在明顯缺陷，由于SiC顆粒存在尖角，在尖角處容易形成應(yīng)力集中和基材劃傷，引起復(fù)合材料的疲勞失效；同時SiC顆粒與基體還存在著界面反應(yīng)難以控制、潤濕性差、界面污染等問題，導(dǎo)致復(fù)合材料的批次性能不穩(wěn)定和不能通過擠壓、鍛造等進一步提高材料性能，難以進行批量生產(chǎn)。因此，目前國產(chǎn)武裝直升機旋翼系統(tǒng)連接件的槳轂夾板仍然完全依賴于法國進口材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提出了一種可用于直升機槳轂夾板的原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提出的原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其包括下列質(zhì)量百分含量的組分:S1.38 ?0.42、Cu 1.2 ?2.0、Mn 0.26 ?0.32、Mg 2.1 ?2.9、Cr 0.1 ?0.28、Zn5.1 ?6.UTiB2 顆粒 5 ?12、Al 78.7 ?82.22。
[0006]本發(fā)明還提出一種原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007]步驟I，根據(jù)配方配制所述原位自生二硼化鈦(TiB2)顆粒增強鋁基復(fù)合材料的混合料，加入到潔凈干燥的坩堝中，并升溫至820?850°C，使得所述混合料成為熔體，再加入高溫覆蓋劑，然后在所述的熔體中加入烘干的氟硼酸鉀(KBF4)和氟鈦酸鉀(K2TiF6)混合鹽粉末進行機械攪拌，同時向所述的熔體中通入氬氣使得熔體進行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入鋁合金精煉劑進行除氣精煉、扒渣、靜置，再澆鑄到模具中得到原位自生顆粒增強的鋁基復(fù)合材料鑄錠；
[0008]步驟2，將所述的鋁基復(fù)合材料鑄錠進行擠壓、鍛造以及時效處理后，制備成工件半成品；
[0009]步驟3，將所述工件半成品進行等溫模鍛，經(jīng)熱處理和自然時效后，再精加工得到工件成品；
[0010]其中:
[0011]所述的TiB2顆粒為尺寸為30?200nm，顆粒形狀為四方、六方或圓形的一種JiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于鋁基復(fù)合材料的基體中，界面干凈，不存在尖角，使鋁基復(fù)合材料基體的強度和模量得到明顯提高；
[0012]所述混合鹽粉末中K2TiF6與KBF4物質(zhì)的重量比例為1:2。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)一外加SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的缺陷，利用混合鹽反應(yīng)在鋁基體材料中原位生成TiB2陶瓷顆粒增強相，制備出輕質(zhì)、高強的鋁基復(fù)合材料。原位生成TiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于鋁基體中，原位生成TiB2的顆粒規(guī)整、尺寸為亞微米級。鋁基復(fù)合材料與增強顆粒界面干凈，結(jié)合良好，不存在尖角。TiB2顆粒原位自生于鋁基復(fù)合材料中，起到明顯的強化作用，使得鋁基復(fù)合基體的材料強度和模彈性量得到明顯提高，另一方面大幅度提高了鋁基復(fù)合材料的斷裂韌性和抗疲勞性能，而且材料的塑性也好。這樣可通過后續(xù)的擠壓、鍛造、模鍛等成型工藝，將半連續(xù)鑄造法澆鑄的鑄錠中粗大晶粒細化，減少鑄造缺陷和頭尾、徑向偏析，使化學(xué)成份更均勻，進一步提高材料的綜合力學(xué)性能。這種制備方法工藝簡單，原材料價格低廉，適于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的說明:
[0015]實施例1:
[0016](I)在潔凈干燥的坩堝中加入鋁基復(fù)合材料，升溫至820°C熔融時，加入DFC-200型高溫覆蓋劑(其由下列重量百分含量的組分組成:NaF 35%, KCl 25%, CaF 15%,Na2AiF620% +Al2035% )。然后在熔體中按氟硼酸鉀(KBF4)和氟鈦酸鉀(K2TiF6)物質(zhì)的重量比例1:2加入烘干的混合鹽粉末進行機械攪拌，攪拌速度為150rpm，攪拌時間為30min。攪拌過程中同時向熔體中通入氬氣，流量為80ml/min。反應(yīng)結(jié)束后按熔體重量0.15%加入YJ-1鋁合金精煉劑(其由下列重量百分含量的組分組成:硝酸鈉NaN0360%、石墨粉10%、冰晶石30% )，進行除氣精煉、扒渣、靜置，靜置溫度為780°C，靜置時間30min。然后澆鑄到模具中得到原位自生二硼化鈦(TiB2)顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的鑄錠，鑄錠直徑為320mm。
[0017]該鋁基復(fù)合材料的各組分質(zhì)量百分含量為:S1:0.38、Cu:2.0、Mn:0.28、Mg:2.5、Cr:0.28,Zn:6.UTiB2顆粒:5、A1:83.46。所述的TiB2顆粒為尺寸為30_100nm，顆粒形狀為四方、六方或圓形。TiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于基體中，界面干凈，不存在尖角，使基體的強度和模量得到明顯提高。復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 683MPa，σ α2 = 542MPa, E =75GPa, δ = 6.4%。
[0018](2)將制備的鑄錠進行擠壓、鍛造后制備出槳轂夾板荒型件。
[0019]其中鑄錠擠壓溫度為460°C、擠壓速度為40mm/min，擠壓后棒料直徑為62mm ;然后通過自由鍛造將棒料鐓粗，然后壓扁，鍛造成槳轂夾板荒型件，鍛造溫度為420°C ；
[0020](3)將槳轂夾板荒型件進行等溫模鍛，模鍛溫度為420°C、保溫系數(shù)為3mm/min。再將模鍛毛坯件加熱到500°C保溫2h，然后進行水冷淬火處理，在室溫下自然時效7天，復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 762MPa，σ Q 2 = 640MPa, E = 80GPa, δ = 8.6% ;精加工后得到用于直升機旋翼系統(tǒng)連接件的槳轂夾板，槳轂夾板臺架試驗疲勞壽命3000h。
[0021]實施例2:
[0022](I)在潔凈干燥的坩堝中加入鋁基復(fù)合材料，升溫至850°C熔融時，加入DFC-200型高溫覆蓋劑，然后在熔體中按K2TiFdP KBF4物質(zhì)的重量比例1:2加入烘干的混合鹽粉末進行機械攪拌，攪拌速度為180rpm,攪拌時間為20min。攪拌過程中同時向熔體中通入IS氣，流量為200ml/min。反應(yīng)結(jié)束后按熔體重量0.15%加入YJ-1鋁合金精煉劑進行除氣精煉、扒渣、靜置，靜置溫度為760°C，靜置時間30min。然后澆鑄到模具中得到原位自生TiB2顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的鑄錠，鑄錠直徑為320mm。
[0023]該鋁基復(fù)合材料的各組分質(zhì)量百分含量為:Si:0.42、Cu:1.6、Mn:0.26、Mg:2.9、Cr:0.24、Zn:5.6、TiB2顆粒:8、A1:80.98。所述的TiB2顆粒為尺寸為50_120nm，顆粒形狀為四方、六方或圓形。TiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于基體中，界面干凈，不存在尖角，使基體的強度和模量得到明顯提高。復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 712MPa，σ α2 = 570MPa, E =77GPa, δ = 6.1%。
[0024](2)將制備的鑄錠進行擠壓、鍛造后制備出槳轂夾板荒型件。
[0025]其中鑄錠擠壓溫度為460°C、擠壓速度為40mm/min，擠壓后棒料直徑為62mm ;然后通過自由鍛造將棒料鐓粗，然后壓扁，鍛造成槳轂夾板荒型件，鍛造溫度為420°C ；
[0026](3)將槳轂夾板荒型件進行等溫模鍛，模鍛溫度為420°C、保溫系數(shù)為3mm/min。再將模鍛毛坯件加熱到500°C保溫2h，然后進行水冷淬火處理，在室溫下自然時效7天，復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 785MPa，σ α2 = 680MPa, E = 82GPa，δ = 8.2% ;精加工后得到用于直升機旋翼系統(tǒng)連接件的槳轂夾板，槳轂夾板臺架試驗疲勞壽命3200h。
[0027]實施例3:
[0028](I)在潔凈干燥的坩堝中加入鋁基復(fù)合材料，升溫至830°C熔融時加入DFC-200型高溫覆蓋劑，然后在熔體中按K2TiF6和KBF4物質(zhì)的量比例1:2加入烘干的混合鹽粉末進行機械攪拌，攪拌速度為160rpm,攪拌時間為25min。攪拌過程中同時向熔體中通入IS氣,流量為160ml/min。反應(yīng)結(jié)束后按熔體重量0.15%加入YJ-1鋁合金精煉劑進行除氣精煉、扒渣、靜置，靜置溫度為720°C，靜置時間30min。然后澆鑄到模具中得到原位自生TiB2顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的鑄錠，鑄錠直徑為320mm。
[0029]該鋁基復(fù)合材料的各組分質(zhì)量百分含量為:Si:0.4、Cu:1.2、Mn:0.32、Mg:2.1、Cr:0.18,Zn:5.UTiB2顆粒:12、A1:78.7。所述的TiB2顆粒為尺寸為50_120nm，顆粒形狀為四方、六方或圓形。TiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于基體中，界面干凈，不存在尖角，使基體的強度和模量得到明顯提高。復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 748MPa，σ α2 = 660MPa, E =80GPa, δ = 5.6%。
[0030](2)將制備的鑄錠進行擠壓、鍛造后制備出槳轂夾板荒型件。
[0031]其中鑄錠擠壓溫度為460°C、擠壓速度為40mm/min，擠壓后棒料直徑為62mm ;然后通過自由鍛造將棒料鐓粗，然后壓扁，鍛造成槳轂夾板荒型件，鍛造溫度為420°C ；
[0032](3)將槳轂夾板荒型件進行等溫模鍛，模鍛溫度為420°C、保溫系數(shù)為3mm/min。將模鍛毛坯件加熱到500°C保溫2h，然后進行水冷淬火處理，在室溫下自然時效7天，復(fù)合材料的力學(xué)性能:ob = 805MPa, σα2 = 740MPa, E = 88GPa，δ = 7.6% ;精加工后得到用于直升機旋翼系統(tǒng)連接件的槳轂夾板，槳轂夾板臺架試驗疲勞壽命3600h。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不限于此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料包括下列質(zhì)量百分含量的組分:Si 0.38 ?0.42、Cu 1.2 ?2.0、Mn 0.26 ?0.32、Mg 2.1 ?2.9、Cr 0.1 ?0.28、
Zn 5.1 ?6.UTiB2 顆粒 5 ?12、Al 78.7 ?82.22。
2.一種如權(quán)利要求1所述的原位自生顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟: 步驟1，根據(jù)配方配制所述原位自生二硼化鈦(TiB2)顆粒增強鋁基復(fù)合材料的混合料，加入到潔凈干燥的坩堝中，并升溫至820?850°C，使得所述混合料成為熔體，再加入高溫覆蓋劑，然后在所述的熔體中加入烘干的氟硼酸鉀(KBF4)和氟鈦酸鉀(K2TiF6)混合鹽粉末進行機械攪拌，同時向所述的熔體中通入氬氣，使得熔體進行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入鋁合金精煉劑進行除氣精煉、扒渣、靜置，再澆鑄到模具中得到原位自生顆粒增強的鋁基復(fù)合材料鑄錠； 步驟2，將所述的鋁基復(fù)合材料鑄錠進行擠壓、鍛造以及時效處理后，制備成工件半成品; 步驟3，將所述工件半成品進行等溫模鍛，經(jīng)熱處理和自然時效后，再精加工得到工件成品； 其中: 所述的TiB2顆粒為尺寸為30?200nm，顆粒形狀為四方、六方或圓形的一種JiB2顆粒以彌散狀態(tài)均勻分布于基體中，界面干凈，不存在尖角； 所述混合鹽粉末中K2TiF6與KBF4物質(zhì)的重量比例為1:2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述通入氬氣的流量為80?200ml/min0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的機械攪拌的速度為150?180rpm,攬祥時間為20?30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)結(jié)束后，按所述熔體重量的0.15%加入所述的鋁合金精煉劑進行除氣精煉、扒渣、靜置；靜置溫度為720?780°C，靜置時間20?30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中對鋁基復(fù)合材料鑄錠進行擠壓的溫度為460°C、擠壓速度為40mm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中的鍛造為自由鍛造，鍛造溫度為420°C ;先采用胎膜鐓粗，然后壓扁，再鍛造成所述的工件半成品。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3中的等溫模鍛溫度為420 °C、保溫系數(shù)為3mm/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3中將等溫模鍛后的工件半成品加熱到500°C，保溫2h，然后進行水冷淬火熱處理，在室溫下自然時效七天。
【文檔編號】C22F1/04GK104264001SQ201410472154
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】趙立英, 王剛, 劉平安, 吳清軍 申請人:廣東新勁剛新材料科技股份有限公司, 佛山市康泰威新材料有限公司