[发明专利]原位合成具有分级结构的铝基复合材料的方法

说明书

本发明公开原位合成具有分级结构的铝基复合材料的方法,包括如下步骤：(1)原位反应，形成LevelⅠ分级结构；(2)近液相线铸造，形成LevelⅡ分级结构。本发明采用原位合成技术，直接在金属熔体当中进行高温热爆反应，生成原位颗粒，并形成LevelⅠ分级结构，随后冷却凝固完成LevelⅠ分级结构与基体合金之间的再次复合过程，构成LevelⅡ分级结构。从而在常规铸造条件下制备增强相与基体合金分级细化、分级复合的分级结构。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备。具体地说是原位合成具有分级结构的铝基复合材料的方法。

背景技术

弥散强化和细晶强化是提高结构材料综合性能、开发新材料的重要手段。在金属材料的研究领域，采用原位合成(反应)方法，可以同步实现二者。选择合适的反应体系，在金属熔体当中进行化学反应生成原位颗粒，通过后续的凝固后，能够制备出原位颗粒增强的金属基复合材料，其中原位铝基复合材料已经得到广泛关注与应用。目前原位反应生成的增强相有TiC、TiB₂、Al₂O₃、AlN等陶瓷相和Al₃Ti、Al₃Ni、Al₃Nb、Mg₂Si等金属间化合物。

原位金属基复合材料在加工变形过程中由于位错塞积引起的应力集中等原因，有的增强相会发生脆裂。如图1a和图1b所示，申请人在前期研究工作中发现，采用Ti–C–Al反应体系，在铝合金熔体中进行原位反应时容易生成条块状的较大尺寸的Al₃Ti(图1(a)中灰色条块状物相)，而且在拉伸过程中发生了脆裂(图1(b))。虽然Al₃Ti与Al基体属于不同的结构类型(Al₃Ti晶体结构为正方晶格，晶格常数a＝b＝0.543nm、c＝0.859nm；Al为面心立方晶格，a＝0.405nm)，但是当(001)_Al3Ti∥(001)_Al时，Al的晶格只要旋转45°，即[100]_Al3Ti∥[110]_Al时，可与Al₃Ti较好对应，从而有效地细化铝的晶粒组织。因此，优化原位增强相Al₃Ti的形貌与尺寸，克服其脆性带来的负面影响、利用它的细化作用是十分必要的。

内晶颗粒或复合颗粒的提出与研究，使得材料的细化与复合化进一步深入了一层，不仅能够细化基体的晶粒组织，而且还要细化增强相的晶粒，实现了金属基复合材料的分级细化与强化，更加令人寻味。如果采用原位合成技术，在基体合金中直接生成内晶颗粒，则其表面无污染、界面干净、结合强度高，其增强效果会更好。因此，如何设计与控制原位反应，获得结构、尺寸、分布、数量等特征适宜的原位颗粒，是制备原位金属基复合材料重要的研究分支。

设计何种复合材料，才能获得增强相与基体合金均被细化的晶粒组织，从而有效地阻碍裂纹的萌生、扩展，进一步提高增强效果呢？从大自然植物或生物中存在的独特结构—分级结构得到启发。如人体中的筋强而韧，它是由胶原微丝形成第一级胶原纤维束，再通过筋内膜依次形成二级、三级纤维束，最后由筋膜包裹而成的分级结构。分级结构(Hierarchical structure)，一般是指不同尺度或不同形态的多相物质相对有序排列所形成的结构。分级结构已被应用于生物材料、高分子材料和陶瓷材料等领域。E.Munch等人在Science上发表的文章表明，分级结构能够使得陶瓷基复合材料的强度和韧性显著并且同步提高。当然，分级结构还可用于金属基复合材料。Meisam K.等人将Al₂O₃颗粒通过球磨镶入Al颗粒中制成Al₂O₃/Al复合颗粒(见图2LevelⅠ)，再与镁粉混合、压块、烧结，制备出具有分级结构的镁基复合材料(见图2LevelⅡ与图3(a)、图3(b))。这样，通过细晶强化和奥罗万强化，使其屈服强度和拉伸强度分别提高了96％和80％。