專(zhuān)利名稱(chēng)：具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料超細(xì)晶化及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有大塊體、大范圍超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料由于具有密度小、熔化溫度低、高導(dǎo)熱性且成本低等特性，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛研究并日趨工業(yè)化。同時(shí)由于鋁基復(fù)合材料具有不吸潮、不老化、氣密性好、耐有機(jī)液體和溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，其在航空航天、汽車(chē)、電子、光學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)鋁基復(fù)合材料的組織和性能提出了更高的要求。晶粒細(xì)化是獲得優(yōu)良性能的關(guān)鍵所在。目前，對(duì)鋁合金材料進(jìn)行晶粒細(xì)化或超細(xì)晶化的過(guò)程較為復(fù)雜，例如大塑性變形技術(shù)中的等通道角擠壓法(equal channel angular pressing, ECAP)和高壓扭轉(zhuǎn)法 (high-pressure torsion, HPT)，盡管這些方法能夠促使鋁合金在較大程度上得到超細(xì)晶甚至少量非晶組織，但這些方法均需要對(duì)基體材料進(jìn)行復(fù)雜的前期處理后才可進(jìn)行加工， 有的需要復(fù)雜的操作和控制，其加工時(shí)間較長(zhǎng)、能源消耗均較大，甚至?xí)?lái)一定的環(huán)境污染；此外這些方法制備獲得的細(xì)晶鋁基復(fù)合材料塑性較差，限制了其使用性能。上述問(wèn)題都對(duì)實(shí)際生產(chǎn)造成了很多不便，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具有顯著的超細(xì)晶化組織、材料性能顯著提高的新型鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其特殊之處是其是以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金作為基體材料，通過(guò)在所述基體材料上開(kāi)設(shè)槽或孔，并向上述的槽或孔中填入與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金作為細(xì)化因子，然后對(duì)上述填加有細(xì)化因子的槽或孔進(jìn)行攪拌摩擦加工得到，細(xì)化因子的填加量為基體材料的1 IOwt%，攪拌摩擦加工參數(shù)為攪拌工具的轉(zhuǎn)速為500-1000rpm、下壓力為10 20MPa、行進(jìn)速度為40 150mm/min。本發(fā)明中采用的攪拌摩擦加工技術(shù)來(lái)源于現(xiàn)有的攪拌摩擦焊技術(shù)。其原理是通過(guò)攪拌摩擦加工設(shè)備的攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、混合、破碎，實(shí)現(xiàn)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。本發(fā)明中，在攪拌摩擦加工過(guò)程中，受攪拌摩擦設(shè)備的作用，在高應(yīng)變、應(yīng)變速率的影響下，材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，使材料晶粒得到初步細(xì)化，同時(shí)在細(xì)化因子非晶態(tài)合金材料相變過(guò)程中與基體材料發(fā)生相變或部分冶金反應(yīng)，促使基體材料獲得顯著的超細(xì)晶化組織，實(shí)現(xiàn)在基體材料表面至攪拌頭端面深度范圍內(nèi)，制備具有超細(xì)晶化的、大塊體的新型鋁基復(fù)合材料。超細(xì)晶化組織使得復(fù)合材料的性能得到了顯著的提高。本發(fā)明中，細(xì)化因子的選擇，是基于與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金材料的物理性能，例如其晶化溫度范圍可處于其加工過(guò)程所處于的摩擦加工溫度范圍，利于非晶合金充分地進(jìn)行晶化，進(jìn)而促使其基體材料的超細(xì)晶化。
為了便于細(xì)化因子在攪拌摩擦加工中更好地被分散到基體材料中并與基體材料充分反應(yīng)，所述細(xì)化因子為粒度為IOOnm 50 μ m的粉狀材料或厚度為35 100 μ m的帶狀材料。帶狀材料的長(zhǎng)度和寬度以及細(xì)顆粒狀細(xì)化因子的尺寸可依據(jù)基體材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。所述細(xì)化因子為Al-Ni-La鋁基非晶態(tài)合金或Al-Ni-Ce鋁基非晶態(tài)合金或!^e基非晶態(tài)合金或Ni基非晶態(tài)合金。其中Al-Ni-La和Al-Ni-Ce系鋁基非晶態(tài)合金具有與基體材料鋁合金相近的物理化學(xué)特征，且上述非晶態(tài)合金的主要成分為Al，而基體材料也主要是鋁合金，制備過(guò)程中其更加容易與基體材料進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變或相變，利于超細(xì)晶組織的產(chǎn)生；此外其晶化溫度相對(duì)較低，也利于其充分完成晶化。而狗基或M基非晶態(tài)合金材料具有明顯低于鋁合金攪拌摩擦加工最高溫度的晶化溫度，在促使基體材料超細(xì)晶化的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加一定量的狗或附元素為主的非晶合金可提高制備的超細(xì)晶材料的力學(xué)性能，如硬度、抗拉強(qiáng)度以及超塑性能等。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制備具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的固態(tài)加工方法。其所采用的技術(shù)方案是具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特殊之處是采用攪拌摩擦設(shè)備制備，其步驟如下(1)以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金作為基體材料，在所述基體材料上開(kāi)設(shè)槽或孔，向上述的槽或孔中填入與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金作為細(xì)化因子， 細(xì)化因子的填加量為基體材料的1 IOWt% ；(2)利用攪拌摩擦設(shè)備對(duì)上述填加有細(xì)化因子的槽或孔進(jìn)行攪拌摩擦加工得到具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其中，攪拌摩擦加工參數(shù)為攪拌工具的轉(zhuǎn)速為 500-1000rpm、下壓力為10 20MPa、行進(jìn)速度為40 150mm/min。所述細(xì)化因子為粒度為IOOnm 50 μ m的粉狀材料或厚度為35 100 μ m的帶狀材料。所述細(xì)化因子為Al-Ni-La鋁基非晶態(tài)合金或Al-Ni-Ce鋁基非晶態(tài)合金或!^e基非晶態(tài)合金或M基非晶態(tài)合金。本發(fā)明所采用的攪拌摩擦加工設(shè)備為現(xiàn)有技術(shù)。其通過(guò)在基體材料內(nèi)填加細(xì)化因子，通過(guò)攪拌摩擦加工使細(xì)化因子材料被分散分布于基體材料間，并與基體材料發(fā)生顯著的相變過(guò)程或部分冶金反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在基體材料表面至探針端面深度范圍內(nèi)，制備具有超細(xì)晶化、大塊體的新型鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)在基體材料內(nèi)填加細(xì)化因子，并通過(guò)攪拌摩擦加工使材料晶粒得到初步細(xì)化，同時(shí)細(xì)化因子在相變過(guò)程中與基體材料發(fā)生相變或部分冶金反應(yīng)，使得基體材料獲得了顯著的超細(xì)晶化組織，從而使復(fù)合材料的性能得到了顯著的提高；同時(shí)本發(fā)明的方法是固態(tài)加工方法，避免了環(huán)境污染，加工過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的操作和控制。特別對(duì)金屬材料的表面改性、制備超細(xì)晶、大塊體、宏觀(guān)范圍的鋁基復(fù)合材料方面提供了一個(gè)新的方法，克服了因熔化過(guò)程帶來(lái)的種種不利的因素。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中通過(guò)攪拌摩擦加工制備具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的示意4
圖中1、攪拌摩擦工具，2、基體材料，3、軸肩，4、攪拌針，5、加工區(qū)域。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)非限定性的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1如附圖所示是利用攪拌摩擦加工制備具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的示意圖。本實(shí)施例是以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金板作為基體材料2，在基體材料板上開(kāi)設(shè)槽或孔，形成加工區(qū)域5，將與基體材料2具有相近物理化學(xué)特征的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態(tài)合金材料作為細(xì)化因子，以基體材料1 IOwt%的細(xì)顆粒狀或粉狀或帶狀形式填充入基體材料2開(kāi)槽處或孔中，然后利用攪拌摩擦設(shè)備進(jìn)行攪拌摩擦加工。其中，細(xì)化因子采用顆粒狀或粉狀時(shí)，其粒度為IOOnm 50 μ m，采用帶材時(shí)，帶材的厚度為35 100 μ m。 本實(shí)施例中，所采用的攪拌摩擦工具1為現(xiàn)有技術(shù)，其下部具有軸肩3，攪拌摩擦工具1的中央裝配有攪拌針4。本實(shí)施例中所采用的變形鋁合金可采用5A06變形鋁合金，或采用其他的變形鋁合金，Al-Mg系鑄造鋁合金可采用ZAlMg5Sil鑄造鋁合金或其他的Al-Mg系鑄造招合金ο具體加工時(shí)，攪拌摩擦工具1固定在被加工的基體材料2上方，被加工的基體材料 2被固定后，攪拌摩擦工具1在被加工的基體材料2上面以轉(zhuǎn)速500rpm高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工基體材料2表面，以IOMPa的下壓力壓入基體材料2表面，停留3s后，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時(shí)，攪拌摩擦工具再以50mm/min的速度從被開(kāi)槽部位，即填加了非晶態(tài)細(xì)化因子的加工區(qū)域5上壓過(guò)，則在被加工的基體材料2上形成一定的具有超細(xì)晶化組織的新型鋁基復(fù)合材料。為了獲得大塊體的具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，可按照上述工藝，在第1道加工區(qū)域兩側(cè)設(shè)計(jì)多條細(xì)化因子填滿(mǎn)區(qū)，來(lái)獲得大塊體的超細(xì)晶鋁基復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)上述實(shí)施例得到的材料進(jìn)行取樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新的鋁基復(fù)合材料在性能上得到了顯著的提高，其性能指標(biāo)如表1所示。表1塊體超細(xì)晶鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能及平均晶粒尺度(基體為5A06變形鋁合金)
試樣編弓1平均顯微硬度/HV抗拉強(qiáng)度/MPa平均晶粒尺寸/μπι基體復(fù)合材料基體復(fù)合材料基體復(fù)合材料182 145340.4 383.321-100.152132410.410.116
3115363.560.2154128351.050.226
本發(fā)明的其他部分采用現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于本實(shí)施例中，攪拌摩擦工具1在被加工的基體材料2上面以轉(zhuǎn)速700rpm高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工基體材料2表面，以15MPa的下壓力壓入基體材料2表面，停留^后，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時(shí)，攪拌摩擦工具再以70mm/min的速度從被開(kāi)槽部位上壓過(guò)，則在被加工的基體材料2上形成一定的具有超細(xì)晶化組織的新型鋁基復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)上述實(shí)施例得到的材料進(jìn)行取樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新的鋁基復(fù)合材料在性能上得到了顯著的提高，其性能指標(biāo)如表2所示。表2塊體超細(xì)晶鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能及平均晶粒尺度(基體為5A06變形鋁合金)
權(quán)利要求
1.一種具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其特征是其是以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金作為基體材料，通過(guò)在所述基體材料上開(kāi)設(shè)槽或孔，并向上述的槽或孔中填入與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金作為細(xì)化因子，然后對(duì)上述填加有細(xì)化因子的槽或孔進(jìn)行攪拌摩擦加工得到，細(xì)化因子的填加量為基體材料的1 IOwt %，攪拌摩擦加工參數(shù)為攪拌工具的轉(zhuǎn)速為500-1000rpm、下壓力為10 20MPa、行進(jìn)速度為40 150mm/min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其特征是所述細(xì)化因子為粒度為IOOnm 50 μ m的粉狀材料或厚度為35 100 μ m的帶狀材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其特征是所述細(xì)化因子為Al-Ni-La鋁基非晶態(tài)合金或Al-Ni-Ce鋁基非晶態(tài)合金或!^e基非晶態(tài)合金或Ni基非晶態(tài)合金。
4.一種具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是采用攪拌摩擦設(shè)備制備，其步驟如下(1)以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金作為基體材料，在所述基體材料上開(kāi)設(shè)槽或孔，向上述的槽或孔中填入與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金作為細(xì)化因子，細(xì)化因子的填加量為基體材料的1 IOwt% ；(2)利用攪拌摩擦設(shè)備對(duì)上述填加有細(xì)化因子的槽或孔進(jìn)行攪拌摩擦加工得到具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，其中，攪拌摩擦加工參數(shù)為攪拌工具的轉(zhuǎn)速為500-1000rpm、 下壓力為10 20MPa、行進(jìn)速度為40 150mm/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是所述細(xì)化因子為粒度為IOOnm 50 μ m的粉狀材料或厚度為35 100 μ m的帶狀材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述細(xì)化因子為Al-Ni-La鋁基非晶態(tài)合金或Al-Ni-Ce鋁基非晶態(tài)合金或！^基非晶態(tài)合金或Ni基非晶態(tài)合金。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料及其制備方法，屬于材料超細(xì)晶化及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其是以變形鋁合金或Al-Mg系鑄造鋁合金作為基體材料，通過(guò)在所述基體材料上開(kāi)設(shè)槽或孔，并向上述的槽或孔中填入與基體材料具有較好相容性的非晶態(tài)合金作為細(xì)化因子，然后對(duì)上述填加有細(xì)化因子的槽或孔進(jìn)行攪拌摩擦加工得到具有超細(xì)晶組織的鋁基復(fù)合材料，細(xì)化因子的填加量為基體材料的1～10wt％，攪拌摩擦加工參數(shù)為攪拌工具的轉(zhuǎn)速為500-1000rpm、下壓力為10～20MPa、行進(jìn)速度為40～150mm/min。本發(fā)明可使基體材料獲得顯著的超細(xì)晶化組織，使復(fù)合材料的性能得到顯著提高；同時(shí)，由于是固態(tài)加工方法，加工過(guò)程簡(jiǎn)單，避免了環(huán)境污染。
文檔編號(hào)C23C24/00GK102212817SQ20111012006
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者任國(guó)成, 劉鵬, 張?jiān)? 范小紅, 董再勝, 霍玉雙 申請(qǐng)人:山東建筑大學(xué)