[发明专利]超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法，所述铝锂基复合材料包括基体合金和增强相；所述基体合金包括如下质量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2.5％、Mg 0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0～0.2％、杂质元素总含量小于0.2％以及余量为Al；所述增强相为TiB₂。所述制备方法包括：利用原位自生反应制备TiB₂/Al母材合金；然后将TiB₂/Al母材合金、纯铝与Al‑Cu、Al‑Li等中间合金熔炼得到复合材料，再经特定的固溶、时效处理，即得。本发明复合材料具有更高的强度和弹性模量及更低的密度，同时成本更低廉。

技术领域

本发明涉及金属材料类及冶金领域，具体地，涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天领域的飞速发展对材料的比强度、比刚度以及损伤容限提出了更高的要求，进一步减轻航空航天产品结构质量、提高其综合力学性能已经成为该领域的重大课题。其中一种理想材料即为：铝锂合金。锂作为自然界最轻的金属元素，其密度只有0.53g/cm³，仅为铝的1/5；锂元素也因此成为实现铝合金构件减重最为有效的金属元素。研究表明，在铝合金中每添加1％wt.％的锂，可使合金密度降低约3％，而弹性模量提高约6％，而且合金在固溶和时效后硬化效果良好。其中，变形铝锂合金具有较高的强度和塑性被广泛应用于航空航天领域，然而由于变形材料存在不可避免的短板：各向异性严重，Li含量较低，不能充分发挥Li的减重作用，且受到零件形状的限制，某些复杂构件只能采用铸造成型的方法生产，因此，近年来对铸造铝锂合金的研究逐渐兴起。目前，与铸造铝锂合金相关的研究较少。上海交通大学陈安涛等人研究了合金元素对铸造铝锂合金性能的影响，并开发出了一种性能较为优异的Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr-0.2Sc合金，但其屈服强度仅为300Mpa，严重制约了铸造铝锂合金的进一步推广应用。

另一类在航空航天领域得到广泛关注的材料为陶瓷颗粒增强铝基复合材料，这类材料展现出低密度、高比强度和比刚度、高弹性模量、良好耐磨性能、高热导率和低的热膨胀系数等优异性能。结合改善材料性能的两种途径(添加Li元素及陶瓷颗粒)，通过铝锂合金与铝基复合材料的优势互补、优势加强，人们开发出了陶瓷颗粒增强铝锂基复合材料。但是，传统的复合材料中，增强体经常是在复合材料铸造前准备，因此传统的复合材料可称为非原位(ex situ)复合材料。因而非原位复合材料中增强相的尺寸与形貌取决于最初粉末的状态，这些粉末的粒径的尺度通常为几微米到几十微米，很少出现纳米级。此外，需要克服的主要缺点还包括，颗粒与基体之间的界面反应及因外加颗粒的表面污染造成的颗粒与基体之间的润湿性差等。目前非原位生产方法中需克服诸多的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，为了克服非原位生产方法中的诸多问题，本发明所使用的铝锂基复合材料主要由原位自生(in situ)的方法生产，与传统的非原位生产方法相比较，原位自生法制备的复合材料表现出以下优势，(a)原位自生增强颗粒在基体中热力学稳定性好，减慢了材料在高温服役过程中的退化；(b)增强体与基体的接触界面整洁干净，使界面结合更加稳定；(c)原位自生可制备微纳尺度颗粒增强铝基复合材料且颗粒在基体中的分布更加均匀，得到复合材料的综合性能更佳。其次，TiB₂具有高硬度、高模量、化学稳定等优点；采用原位自生方法制备的铝基复合材料中的陶瓷颗粒为亚微米级，形状圆整，与界面结合良好。因此，在铝锂合金中原位合成纳米陶瓷颗粒，其弹性模量、屈服强度和压缩微蠕变抗力等力学性能有望在铝锂合金的基础上得到大幅提高。

本发明的目的是提供一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。通过添加合金化元素(Li，Cu，Mg，Sc，Zr，Cd)以及后续的固溶时效处理，获得了力学性能优异的铸造铝锂基复合材料，该复合材料具备比基体铝锂合金更高的弹性模量和更高的强度，工艺操作简单，成本低，适合批量生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：