[发明专利]具有超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料超细晶化及复合材料制备技术领域，特别涉及具有大块体、大范围超细晶组织的铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料由于具有密度小、熔化温度低、高导热性且成本低等特性，已经在世界范围内得到广泛研究并日趋工业化。同时由于铝基复合材料具有不吸潮、不老化、气密性好、耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点，其在航空航天、汽车、电子、光学等工业领域得到广泛应用，同时对铝基复合材料的组织和性能提出了更高的要求。晶粒细化是获得优良性能的关键所在。目前，对铝合金材料进行晶粒细化或超细晶化的过程较为复杂，例如大塑性变形技术中的等通道角挤压法(equal channel angular pressing，ECAP)和高压扭转法(high-pressure torsion，HPT)，尽管这些方法能够促使铝合金在较大程度上得到超细晶甚至少量非晶组织，但这些方法均需要对基体材料进行复杂的前期处理后才可进行加工，有的需要复杂的操作和控制，其加工时间较长、能源消耗均较大，甚至会带来一定的环境污染；此外这些方法制备获得的细晶铝基复合材料塑性较差，限制了其使用性能。上述问题都对实际生产造成了很多不便，且成本较高。

发明内容

本发明是为了弥补现有技术的不足，提供了一种具有显著的超细晶化组织、材料性能显著提高的新型铝基复合材料。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种具有超细晶组织的铝基复合材料，其特殊之处是：其是以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，通过在所述基体材料上开设槽或孔，并向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，然后对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。

本发明中采用的搅拌摩擦加工技术来源于现有的搅拌摩擦焊技术。其原理是通过搅拌摩擦加工设备的搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。本发明中，在搅拌摩擦加工过程中，受搅拌摩擦设备的作用，在高应变、应变速率的影响下，材料发生了动态再结晶过程，使材料晶粒得到初步细化，同时在细化因子非晶态合金材料相变过程中与基体材料发生相变或部分冶金反应，促使基体材料获得显著的超细晶化组织，实现在基体材料表面至搅拌头端面深度范围内，制备具有超细晶化的、大块体的新型铝基复合材料。超细晶化组织使得复合材料的性能得到了显著的提高。本发明中，细化因子的选择，是基于与基体材料具有较好相容性的非晶态合金材料的物理性能，例如其晶化温度范围可处于其加工过程所处于的摩擦加工温度范围，利于非晶合金充分地进行晶化，进而促使其基体材料的超细晶化。

为了便于细化因子在搅拌摩擦加工中更好地被分散到基体材料中并与基体材料充分反应，所述细化因子为粒度为100nm～50μm的粉状材料或厚度为35～100μm的带状材料。带状材料的长度和宽度以及细颗粒状细化因子的尺寸可依据基体材料进行设计。

所述细化因子为Al-Ni-La铝基非晶态合金或Al-Ni-Ce铝基非晶态合金或Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金。其中Al-Ni-La和Al-Ni-Ce系铝基非晶态合金具有与基体材料铝合金相近的物理化学特征，且上述非晶态合金的主要成分为Al，而基体材料也主要是铝合金，制备过程中其更加容易与基体材料进行组织结构转变或相变，利于超细晶组织的产生；此外其晶化温度相对较低，也利于其充分完成晶化。而Fe基或Ni基非晶态合金材料具有明显低于铝合金搅拌摩擦加工最高温度的晶化温度，在促使基体材料超细晶化的基础上，通过添加一定量的Fe或Ni元素为主的非晶合金可提高制备的超细晶材料的力学性能，如硬度、抗拉强度以及超塑性能等。

本发明的另一个目的是提供一种制备具有超细晶组织的铝基复合材料的固态加工方法。

其所采用的技术方案是：具有超细晶组织的铝基复合材料的制备方法，其特殊之处是：采用搅拌摩擦设备制备，其步骤如下：

(1)以变形铝合金或Al-Mg系铸造铝合金作为基体材料，在所述基体材料上开设槽或孔，向上述的槽或孔中填入与基体材料具有较好相容性的非晶态合金作为细化因子，细化因子的填加量为基体材料的1～10wt％；

(2)利用搅拌摩擦设备对上述填加有细化因子的槽或孔进行搅拌摩擦加工得到具有超细晶组织的铝基复合材料，其中，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为500-1000rpm、下压力为10～20MPa、行进速度为40～150mm/min。