[发明专利]航空发动机叶片用铝基复合材料

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机叶片领域，具体涉及航空发动机叶片用铝基复合材料。

背景技术

航空发动机，尤其是大涵道比商用航空发动机，除了高性能、高可靠性和长寿命的要求，对低排放、低噪音和低成本的要求越来越高，而降低排放和成本以及减少噪音的一个重要途径就是减轻发动机的重量。

发动机中风扇叶片的工作温度为环境温度，目前主要采用钛合金的空心设计或是树脂基复合材料制备。但是无论是空心钛合金风扇叶片还是树脂基复合材料的风扇叶片都存在制备难度大、周期长和成本高的问题。发动机中增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片的工作温度都在150℃以下，目前主要是采用不锈钢和钛合金制造。

对于以上三种发动机叶片，如果采用铝基复合材料制备，要么可以降低制备周期和成本(比如风扇叶片)，要么可以降低零部件的重量(比如增压级第一级静子叶片和转子叶片)。但是要实现铝基复合材料代替发动机中风扇叶片、增压级第一级静子叶片和转子叶片目前在用的材料，必须首先满足使用的性能要求。

传统的陶瓷颗粒增强铝基复合材料普遍采用在铝基体中外加陶瓷颗粒制备而成，这种铝基复合材料存在着陶瓷颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，陶瓷颗粒分布不均匀等缺陷，严重弱化了陶瓷颗粒的强化效果，影响了铝基复合材料的性能。同时采用外加陶瓷颗粒制备铝基复合材料存在着工艺过程复杂，成本较高等问题，不利于推广应用。另外，现有的原位自生的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的综合力学性能还不能完全满足发动机相关叶片的使用要求。

例如，CN103725911A涉及一种氧化铝颗粒增强铝基复合材料的制备方法， 该复合材料是采用外加氧化铝陶瓷颗粒到铝粉末中混合均匀，然后进行热压和热加工制备而成。该方法制备的复合材料中存在着陶瓷颗粒与基体界面结合差、力学性能不突出等问题，同时制备工艺步骤较多，不利于推广应用。

本领域仍然需要满足所需性能要求的铝基复合材料，以能用于制备航空发动机叶片。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种添加稀有元素Sc的原位自生陶瓷颗粒增强铝基复合材料，使其基体和陶瓷颗粒的界面干净，结合良好，陶瓷颗粒分布均匀，复合材料具有高强度和高刚度,能够应用到航空发动机的叶片，例如增压级第一级静子叶片和第一级转子叶片，以及风扇叶片等。

具体而言，本发明第一方面提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其组分及组分的质量百分比为：

Zn：4.0～7.0％，

Mg：0.8～2.5％，

Cu：1.2～2.6％，

Zr：0.05～0.50％，

Sc：0.10～0.40％，

TiB₂陶瓷颗粒：0.1～50.0％，

余量为Al。

在一个或多个实施方案中，Zn的质量百分比为4.0～6.0％、4.5～6.0％、5.0～7.0％或5.0～6.5％。

在一个或多个实施方案中，Mg的质量百分比为0.8～2.0％、1.0～2.0％、1.3～1.8％、1.5～2.5％或1.3～2.0％。

在一个或多个实施方案中，Cu的质量百分比为1.2～2.0％、1.5～2.3％、1.5～2.0％、1.7～2.6％或1.7～2.2％。

在一个或多个实施方案中，Zr的质量百分比为0.05～0.40％、0.10～0.40％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.50％、0.25～0.50％、0.30～0.50％、0.35～0.50％、0.30～0.40％、0.20～0.30％、或0.25～0.35％等。

在一个或多个实施方案中，Sc的质量百分比为0.10～0.35％、0.15～0.35％、0.15～0.40％、0.20～0.40％、0.20～0.35％、0.25～0.40％、0.30～0.40％、0.15～0.30％、0.15～0.25％、0.10～0.30％、0.10～0.25％、或0.20～0.30％等。