[发明专利]原位内生陶瓷相协同增强铝基复合材料及其成形方法

说明书

本发明公开一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料及其成形方法，所述复合材料为微米尺度Al₂O₃陶瓷相、纳米级TiB及TiN陶瓷相跨尺度协同增强的铝基复合材料。基于陶瓷增强铝基复合材料的性能需求，依据铝热反应热力学条件及特点，将铝合金粉末、TiO₂粉末及BN纳米管均匀混合后，利用金属激光增材制造技术，成形微米尺度Al₂O₃陶瓷相、纳米级TiB及TiN陶瓷相协同增强铝基复合材料。本发明充分利用纳米陶瓷颗粒的位错钉扎作用，阻碍位错运动，提高材料的强度和韧性；另一方面，原位生成的微米级Al₂O₃陶瓷相与铝合金基体间大量位错在应力作用易缠结，产生强化效应。本发明提供的工艺方法简单，性能卓著。

技术领域

本发明属于新型金属基复合材料成形领域，涉及一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料及其成形方法，特别是一种基于激光选区熔化增材制造工艺成形高性能铝基复合材料。

背景技术

铝合金具有密度低、比强度高、比模量大、抗热疲劳性高等优异性能，因而在汽车发动机、航天卫星构件等具有轻量化需求的领域，并成为该领域中重要的结构材料之一。但随着我国汽车制造、航空航天等系列重大战略的实施，对铝合金构件的几何结构及性能提出了较高的要求。因陶瓷颗粒具有良好的力学性能，陶瓷增强铝基复合材料已成为当前提升性能不足的最佳途径之一。

目前，陶瓷增强铝基复合材料的制备技术中按增强物类型可以分为连续增强铝基复合材料和非连续增强铝基复合材料。但因长纤维的价格昂贵，且连续增强的复合材料由于存在制备工艺复杂、成本过高、材料各向异性大等不足，从而使得连续增强铝基复合材料的发展应用受到限制。非连续增强铝基复合材料制备工艺简单，已成为目前研究铝基复合材料的热点之一。非连续增强铝基复合材料主要通过外加增强相的方法来制备，该方法虽可制备铝基复合材料，但其本身存在一定的不足，如，增强相表面易被污染，与基体的润湿性相对较差，导致界面的结合性差等成为提升外加增强相制备铝基复合材料性能的障碍。相对于外加增强相工艺，原位内生法能有效避免上述问题，同时原位合成技术工艺简单，成本低廉。

近年来，伴随着汽车制造、航空航天等领域铝合金及其复合材料构件的结构日趋复杂，传统的铸造、锻造及热压烧结等工艺已难以满足其成形需求。另一方面，通过传统工艺制造原位内生陶瓷增强铝基复合材料存在成形区域较大、温度控制困难等问题，极易导致内生陶瓷增强相的反应不充分、界面缺陷、组织粗大、强度较低等现象的产生。

发明内容

发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料，成形微米尺度Al₂O₃陶瓷相、纳米级TiB及TiN陶瓷相协同增强铝基复合材料，综合力学性能显著提升。

本发明还提供一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料的成形方法，采用先进的金属激光增材制造技术，依据铝热反应热力学条件及材料的物理特性，利用高能激光束与复合材料粉末的交互作用，实现微区范围内原位合成跨尺度陶瓷增强相，即，微米尺度Al₂O₃陶瓷相、纳米级TiB及TiN陶瓷相，协同增强铝基复合材料，进而提升铝基复合材料的综合性能。

技术方案：本发明提供了一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料，所述复合材料为微米尺度Al₂O₃陶瓷相、纳米级TiB及TiN陶瓷相跨尺度协同增强的铝基复合材料。

进一步地，所述跨尺度的微米级Al₂O₃陶瓷相是通过铝热原位反应获得、纳米级TiB及TiN陶瓷相是通过BN纳米管与Ti在高能激光束作用下原位反应生成。

本发明还提供了原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料的成形方法，包括以下步骤：