[发明专利]一种高耐热铝合金材料及其制备方法

说明书

本发明属金属材料领域，涉及一种高耐热铝合金材料及其制备方法。该材料由纳米AlN粒子和微米级富铝金属间化合物组成，AlN粒子以孪晶方式联结成三维网状。其制备方法为：将工业纯铝粉、氮质体(ZrN、TiN、CrN中的至少一种)、催化剂(石墨烯、氮化硼纳米片中的至少一种)按比例混合均匀，然后压制成预制体，随后在真空炉中反应，控制温度为480～660℃，保温时间为10～180min，即可得到该耐热铝合金材料。本发明材料在700℃以上温度条件下仍能保持一定强度，可用于制造多种耐热铝合金零部件；所用工艺方法采用常规设备，无需特别装置，成本低，操作简便，适合于规模化工业生产。

技术领域

本发明属金属材料领域，特别涉及一种高耐热铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金密度小、比强度高，是交通运输、航空航天和国防等领域轻量化发展的首选材料，但缺点是熔点低、不耐热，在300℃及以上温度环境下力学性能急剧降低，500℃以上开始熔化。轻量化发展和节能减排的急迫需要对铝材料性能提出了更高要求，目前铝合金材料的耐热温度相对较低，能在660℃以上温度服役使用的高强、耐热、抗疲劳铝合金材料尚属空白。比如，在低压铸造生产中，作为压送铝合金熔体通道的升液管是低压铸造机上的关键部件之一，要求其耐热温度达750℃以上，能抗铝合金熔体长时间的冲刷和侵蚀，具有良好的气密性和耐热疲劳性。目前常用的升液管材料有铸铁和陶瓷两种，铸铁升液管易变形和受腐蚀，且污染合金液，工作寿命短；陶瓷升液管抗冲击力学性能较差、难加工、成本高，且难以回收利用。开发一种耐铝液侵蚀、抗冲击、热稳定性好、加工成本低、可回收利用的耐热铝合金材料可解决上述生产难题，并具有重要的应用价值。此外，在交通运输、航空航天等领域，高耐热铝合金可替代传统钢铁耐热材料，大大减轻动力传动件或飞行器关键零部件的重量。因此，高耐热铝合金材料的开发具有重要意义。

目前，常用的耐热铝合金主要为Al–Cu系、Al–Si系和Al–Fe–TM–Si系。Al–Cu系应用较早，但该系合金在高温下基体中亚稳θ'相粗化，导致高温力学性能及抗蠕变性能下降，且其铸造性能和耐蚀性能均较差，线膨胀系数也较大。Al–Si系耐热铝合金主要为Al–Si–Cu–Ni–Mg合金，多用于制造活塞等发动机零部件，该系耐热铝合金铸造性能优良，缺点是高温强度较低。Al–Fe–TM–Si系耐热铝合金经粉末冶金合成，通过快速凝固获得高合金化的过饱和固溶体，并在随后的加热过程中使固溶体脱溶析出体积分数达15％～40％热稳定性良好的金属间化合物颗粒，充分发挥弥散强化和固溶强化效应。该系铝合金材料高温强度、耐热性能均优越于Al–Cu系和Al–Si系，但加工成本过高、密度较大、加工成型困难。此外，以上三类耐热铝合金，均未见在铝熔点以上(660℃)服役的报道。

利用SiC、Al₂O₃等陶瓷粒子制备复合材料为提升铝合金耐热性能提供了新的可能，如Poletti等人(Poletti C,et al.High–temperature strength of compacted sub–micrometer aluminium powder.Acta Materialia,2010,58(10):3781–3789.)利用冷等静压将铝粉压制成块并在烧结过程中氧化处理，得到了Al₂O₃增强的铝基复合材料，但该材料即使在520℃时也塑性较差，因而难加工成型。申请者[Ma X,et al.A novel Al matrixcomposite reinforced by nano–AlN_p network.Scientific Reports,2016,6:34919.]前期通过液固反应法和挤压成型制备了一种纳米AlN粒子增强铝基复合材料，其350℃的拉伸强度达到193MPa。但该材料以纯铝为基体，不能在铝熔点以上温度服役。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高耐热铝合金材料及其制备方法，该材料在700℃以上温度仍能保持一定强度，可用于制造多种耐热铝合金零部件。

本发明是通过以下方式实现的：