[发明专利]一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝基复合材料技术领域，具体涉及一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料，同时还涉及一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

航空航天技术的发展对材料性能提出了新的要求和挑战，在普通的单一材料已越来越难以满足新型机械结构对零件性能要求的背景下，集多种材料优点于一身的颗粒增强铝基复合材料由于具有高比模量、高比强度等良好的机械性能，在航空航天仪表上面有着广泛的应用，其高比刚度、比强度、良好的导热性、低热膨胀系数等许多优异特性受到了广泛的关注，在航空、航天、汽车、电子等领域展示了广阔的应用前景，在光学精密构件和惯性仪表上的应用也越来越引起重视。但如何进一步发挥复合材料的性能潜力，仍是材料科学工作者关注的问题。

现有技术中，增强体体积分数超过35%后，铝基复合材料塑韧性及强度迅速降低，加工变得困难。但如果复合材料在提高碳化硅体积分数，保证热稳定性前提下，强度不下降并且塑韧性达到或超过一定值时（如航空航天领域一般要求结构材料的延伸率超过5%），铝基复合材料除了其突出的功能化特性，仍可作为结构材料应用于关键受力部件，将具有更加广泛的应用前景。但是，目前市场上流通的铝基复合材料还不能同时兼顾良好的热稳定性、强度和塑韧性。

热稳定性要求仪表级复合材料的热膨胀系数与钢相匹配。那么，对应于碳化硅增强颗粒体积为中体积分数的铝基复合材料，目前国内外缺乏有效的液态方法进行制造，主要原因是碳化硅预制型困难，铝粉浸渗不充分且氧化严重，因此制备的复合材料性能很差。粉末冶金法制备金属基复合材料（MMCs）具有独特的优点：(1)与液态方法相比，所使用的温度较低，从而减轻了基体与增强体之间的界面反应，减少了界面硬质化合物的生成，所制得的MMCs具有较好的力学性能；(2)增强相的体积分数不受限制，便于调节和设计。但粉末冶金法制造碳化硅颗粒增强铝基复合材料也存在一些问题，如：(1)用粉末冶金法制备MMCs，一般都存在颗粒分布差，内部组织不均匀性；(2)设备及工艺流程合理性对性能的影响极大；(3)增强体颗粒尺寸和铝基体粉末颗粒尺寸的匹配不合理严重影响材料的力学性能；(4)小尺寸金属粉末颗粒易氧化影响与增强颗粒的结合等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料，解决现有铝基复合材料不能兼顾良好的热稳定性、强度和塑韧性的问题。

本发明的第二个目的是提供一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料，由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒1%～8%、微米碳化硅颗粒35%，余量为铝合金粉。

所述纳米碳化硅颗粒的尺寸为：40nm≤D50≤100nm；所述微米碳化硅颗粒的尺寸为：1μm≤D50≤3μm；所述铝合金粉的尺寸为8～12μm。

所述纳米碳化硅颗粒是由以下方法制备的：将微米碳化硅颗粒在-20～20℃条件下进行球磨，所述球磨的磨球为氧化锆，磨球直径为5～15mm，球料比为20:1～80:1，球磨15～35h，即得。

所述铝合金中除铝元素外，还包含以下重量百分比的组分：Cu3.8%～4.9%、Mg1.2%～1.8%、Si0.1%～0.5%、Mn0.2%～0.6%。

所述铝合金为2024铝合金。

一种上述的航空用仪表级碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1）配料：在氩气保护下，取纳米碳化硅颗粒、微米碳化硅颗粒和铝合金粉进行混合，投入密封罐，将密封罐抽真空后再充入氩气，反复操作2～5次，得混合料；

2）球磨：将步骤1）所得混合料在-20～20℃条件下进行球磨，得球磨料；

3）预成型：将步骤2）所得球磨料装入模具，在真空条件下加热进行真空除气后，在120～150MPa压力下预压成型，得预成型件；

4）热压成型：将步骤3）所得预成型件加热到560～600℃，在60～90MPa条件下保温保压2～4h后，先缓慢降温至500℃，再快速降温至150℃以下，得成型件；

5）热锻：将步骤4）所得成型件在氩气保护下进行预热后，在480～510℃条件下进行热锻，得热锻件；

6）热处理：将步骤5）所得热锻件进行固溶处理，水淬后进行时效处理，即得。