本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合材料的成分設(shè)計(jì)和制備工藝優(yōu)化。

背景技術(shù)：

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金是7xxx系鋁合金的一種，也被稱為超高強(qiáng)鋁合金?；谄涞兔芏?、高比強(qiáng)度和硬度、易加工成形、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天及軍工產(chǎn)業(yè)中重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)代化的飛行器及輕質(zhì)坦克，正在向著更高速，更多載，更高通行性的方向發(fā)展，且服役壽命和行駛安全日益重要，這就要求所用材料具有更高的強(qiáng)度，更好的抗疲勞性能和耐磨性等優(yōu)異綜合性能。

從1943年7075合金的誕生開始，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金歷經(jīng)合金成分優(yōu)化，熔體凈化，加工工藝改善，熱處理優(yōu)化等方面的研究，如今已發(fā)展為Zn含量可高達(dá)11％，Zn/Mg值高達(dá)6，抗拉強(qiáng)度超過700Mpa的超高強(qiáng)鋁合金。然而，由于Zn/Mg過高，合金的應(yīng)力腐蝕開裂嚴(yán)重，合金的Zn含量在提高到11％后難以進(jìn)一步提升。而內(nèi)生顆粒的加入可以明顯的提高合金的強(qiáng)度、硬度，其合成體系主要以攪拌加入和原位合成為主，而目前以高鋅超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu系合金為基體制備復(fù)合材料的研究較少，且多以顆粒尺寸較大，與基體界面結(jié)合不夠緊密的SiC作為增強(qiáng)顆粒，原位制備的增強(qiáng)顆粒更是直接在超高強(qiáng)鋁合金溶液中進(jìn)行，勢(shì)必會(huì)對(duì)合金中的主成分元素造成一定的損耗。本發(fā)明從微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制入手，引入高模量顆粒TiB2制備超高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，進(jìn)一步提升材料強(qiáng)度，并顯著提高合金彈性模量。采用兩步法進(jìn)行復(fù)合材料制備，避免了直接在Al-Zn-Mg-Cu基體合金中進(jìn)行高放熱的原位反應(yīng)對(duì)合金元素造成的燒損，且保留了TiB₂與Al基體的界面潔凈度與界面結(jié)合程度。采用優(yōu)化后的均勻化工藝，使材料在變形前最大程度的消除偏析，采用優(yōu)化后的擠壓工藝使材料變形行為優(yōu)良，并進(jìn)一步進(jìn)行T6熱處理后，復(fù)合材料中的TiB₂顆粒尺寸較小且分布均勻，為復(fù)合材料的性能提供保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服高鋅超高強(qiáng)鋁合金在鋅含量過高后強(qiáng)度陷入提升瓶頸，合金本身彈性模量較低，在高鋅超高強(qiáng)鋁合金中引入高模量TiB₂顆粒，采用兩步法制備復(fù)合材料，調(diào)整TiB₂顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，旨在制備出一種低損耗，高強(qiáng)度，高模量的新型復(fù)合材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案。

一種TiB₂顆粒增強(qiáng)高鋅Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料，其特征在于：以高鋅含量的Al-Zn-Mg-Cu合金為基體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％-10％，且平均尺寸小于1μm的TiB₂為增強(qiáng)顆粒，基體合金質(zhì)量百分比組份Zn：9-11％，Mg：1.0-2.5％，Cu：1.0-1.5％，Zr：0.05-0.20％，余量為Al。

復(fù)合材料中，TiB₂顆粒分布均勻，基體強(qiáng)化相納米級(jí)MgZn2相均勻分布于鋁基體。

上述所述的一種TiB₂顆粒增強(qiáng)高鋅Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，采用兩步法制備復(fù)合材料，即將原位制備顆粒與基體合金熔鑄分離，避免了直接在Al-Zn-Mg-Cu基體合金中進(jìn)行高放熱的原位反應(yīng)對(duì)合金元素造成的燒損；具體包括以下步驟：

(1)以鋁錠、Al粉、Ti粉、TiO₂、H₃BO₃為原料，其中總Ti/B的摩爾比＝1:4，Al粉、Ti粉和TiO₂的質(zhì)量比為2:2:3，采用熔體自蔓延直接合成法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、平均尺寸低于1μm的Al-TiB₂中間合金；中間合金主要物象組成為α-Al、TiB₂，其中還有殘留的TiAl₃；TiB₂與基體界面潔凈，結(jié)合程度高。

(2)以純鋁、純鎂、純鋅、Al-50％Cu、Al-4％Zr中間合金為原料，以步驟(1)中制備的Al-TiB₂中間合金為基體，通過上述原料調(diào)整TiB₂顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％-10％，在720-780℃溫度下熔制成合金溶液，澆鑄溫度為720-750℃；

(3)待步驟(2)澆鑄好的復(fù)合材料冷卻后，并在420-470℃/25-45h進(jìn)行均勻化處理，對(duì)復(fù)合材料鑄錠在330-430℃進(jìn)行擠壓，擠壓比為(15-20):1；

(4)將步驟(3)擠壓好的復(fù)合材料板材進(jìn)行T6熱處理，最終獲得TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料。

本發(fā)明制備了一種高彈性模量TiB₂顆粒增強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料，優(yōu)化了復(fù)合材料的均勻化工藝及擠壓工藝，解決了內(nèi)生顆粒復(fù)合材料鑄錠中的偏析問題。并以高鋅超高強(qiáng)鋁合金為基體制備的TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料中，TiB₂粒子分布面積廣且均勻，尺寸較小，為復(fù)合材料的性能提供保障。

復(fù)合材料強(qiáng)度比基體合金提高11.4％，其物象組成主要為大面積的TiB2顆粒，納米級(jí)η′(MgZn2)相，彈性模量較之基體合金提升45％。

附圖說明

圖1是Al-TiB₂中間合金顯微組織。

圖2是鑄態(tài)TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料顯微組織。

圖3是均勻化態(tài)TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料顯微組織。

圖4是擠壓態(tài)TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料顯微組織。

圖5是固溶態(tài)復(fù)合材料顯微組織。

圖6是時(shí)效態(tài)復(fù)合材料顯微組織。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

兩步法制備TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料的過程如下：

(1)復(fù)合材料的配置方案為：9.96％TiB₂、10％Zn、1.9％Mg、1.7％Cu、0.12％Zr，余量為Al。其中Al-TiB₂中間合金由鋁錠、鋁粉、鈦粉、TiO₂、H₃BO₃進(jìn)行制備，其中總Ti/B的摩爾比＝1:4，Al粉、Ti粉和TiO₂的質(zhì)量比為2:2:3，采用熔體自蔓延直接合成法制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均尺寸低于1μm的Al-TiB2中間合金。

(2)進(jìn)行制備，其中總Ti/B＝1:4。Al-Zn-Mg-Cu基體合金由純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠、Al-50％Cu和Al-4％Zr中間合金進(jìn)行制備。

(3)制備Al-TiB₂中間合金，按要求稱量TiO₂、H₃BO₃，將兩種粉末混合均勻，并在200℃加熱兩小時(shí)，去除H₃BO₃中的水分。將加熱后的TiO₂和H₃BO₃混合粉末與要求稱量的鋁粉和鈦粉混合均勻，將混合均勻的粉末至于模具中，壓制成柱形粉塊(如15×φ62.5mm3的柱形粉塊)。將模具和把渣勺等工具涂刷一層涂料，防止Fe雜志元素污染。選用石墨坩堝進(jìn)行熔煉，石墨攪拌棒，防止Si污染。利用井式電阻爐將鋁錠加熱至780-800℃，待鋁錠完全熔化，將熔體升溫至900-1000℃，石墨鐘罩壓入柱形粉塊，石墨棒均勻攪拌，反應(yīng)10min；反應(yīng)完成后，靜置5min，扒渣，將鋁熔體澆注到已預(yù)熱250℃的鋼模中，獲得Al-TiB₂中間合金。

(4)將按步驟(1)設(shè)計(jì)的基體合金成分用純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠、Al-TiB₂中間合金、Al-50％Cu和Al-4％Zr中間合金進(jìn)行配比。對(duì)步驟(2)獲得的中間合金在780℃進(jìn)行重新熔化，按次序加入純鋁、純鋅、鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金；待金屬及中間合金都溶化后，扒去溶體表面的浮渣，溶體溫度達(dá)到715-735℃時(shí)，加入純鎂。為使合金元素分布均勻，對(duì)溶體進(jìn)行攪拌，之后進(jìn)行精煉，精煉在710-730℃下靜置10min，扒渣，將熔體澆鑄到已預(yù)熱250℃的鋼模中，獲得復(fù)合材料鑄錠。

(5)對(duì)獲得的復(fù)合材料鑄錠進(jìn)行443℃/40h的均勻化處理。

(6)對(duì)均勻化處理后的復(fù)合材料鑄錠進(jìn)行擠壓，擠壓溫度為400℃，擠壓比為16:1。

(7)對(duì)擠壓后的復(fù)合材料進(jìn)行T6熱處理(固溶460℃/2h+時(shí)效120℃/24h)。

(8)通過此方法獲得的TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料具有高模量、高強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。

表1基體合金與復(fù)合材料強(qiáng)度彈性模量對(duì)比表。