[发明专利]一种中强抗应力腐蚀铝基材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种中强抗应力腐蚀铝基材料及其制备方法。该材料以AlaZnbMgcMndZreXf合金为基体，以微米碳化硅颗粒为增强体，经快速凝固/粉末冶金和适当的热处理工艺制备而成。该材料抗拉强度达到410MPa以上，规定塑性延伸强度超过340MPa，拉伸弹性模量超过80GPa，抗应力腐蚀寿命超过1100min。与传统耐蚀铝合金相比，本发明的材料强度和模量更高，且抗应力腐蚀寿命可以满足特定海洋腐蚀环境中舰载、机载等装备相应结构部件轻量化和高机动化改进升级的要求，属于一种新型中强抗应力腐蚀轻质材料。

技术领域

本发明涉及一种中强抗应力腐蚀铝基材料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

复合材料通常具有良好的可设计性，能够通过调整组成、制备工艺来优化所需要的性能，从而获得拥有不同力学性能和物理性能的材料，可实现不同结构材料、功能材料或结构-功能一体化材料的制备。以金属为基体制备的复合材料，在保持金属良好塑韧性的同时，可以通过添加性能优异的第二相颗粒/纤维等增强体来改善基体材料的强度、硬度、模量、热膨胀、耐磨性、导热性、导电性等方面的性能。例如，以铝合金为基体、添加陶瓷颗粒制备的复合材料通常具有高比强度、高比刚度、良好的耐磨性、低热膨胀系数等特点，在航空航天、汽车船舶、电子工业等领域拥有广阔的应用前景。这类铝基材料的研发始于20世纪60年代，国外学者率先在该领域开展研究工作。20世纪90年代起，国内各科研院所和高校亦投入精力通过添加第二相增强体制备铝基材料，并对其组织和性能进行研究。

铝基材料通过基体合金成分、增强体种类、含量和尺寸等的调整和搭配来获得所需综合性能。考虑到铝合金基体比重轻，有利于获得高比强度和高比刚度的材料，容易实现减重和降低能耗；另一方面，通过添加高硬度、高刚度的陶瓷颗粒，使铝基材料的强度、刚度和耐磨性能比基体铝合金显著提高，有利于在部分领域替代传统钛合金或钢或现有铝合金材料，实现材料迭代升级，提高材料服役寿命和可靠性。

经过几十年的积累和发展，铝基材料已实现在各领域的应用，例如直升机旋翼连接件、飞机腹鳍、导流叶片、汽车刹车盘、活塞、活塞环、连杆、电子封装材料等。在这些领域中使用的铝基材料要求具有高强度、高刚度、良好的耐热性能或耐磨性能、或低的热膨胀性能。而面对海洋腐蚀环境的情况下，一方面要求材料具有较好的强度和刚度，能够承受一定的冲击载荷；另一方面要求材料具有较高的抗应力腐蚀阳极寿命，具备良好的抗应力腐蚀能力。目前，报道或公开的陶瓷颗粒增强铝基材料大多关注强度，其抗应力腐蚀性能的则研究较少。例如发明专利CN 107287480报道的TiB₂颗粒增强铝基复合材料，其抗拉强度可达630MPa～790MPa。发明专利CN 109576526公开的原位多相混杂尺度混杂尺度陶瓷强化铝基复合材料，其抗拉强度达到690MPa以上。发明专利CN 109022873公布的7XXX-SiC铝基复合材料及其制备方法中碳化硅添加量仅为1～3％，通过对碳化硅进行表面镀铜改善其分散问题，按照HB 5254-1983测试铝基复合材料在3.5％盐水或硅油中的恒载荷拉伸应力腐蚀寿命达到14h(840min)以上。传统耐蚀轻质结构材料大多采用耐腐蚀的变形铝合金制造，如防锈铝合金系列LF3、LF5、LF6、LF15、LF16等。参考《铝合金应用手册》(林刚，林慧国，赵玉涛主编.北京：机械工业出版社，2006.1)，这类传统耐蚀铝合金材料退火态具有良好的耐腐蚀能力，但室温拉伸强度和模量均相对较低，其抗拉强度大约为150～370MPa，规定塑性延伸强度约为100～270MPa，弹性模量约70GPa左右。而根据GJB 1472-1993的规定，对于舰用LF15、LF16铝合金材料的抗应力腐蚀性能要求其阳极寿命大于300min。随着海洋环境的复杂化和装备高机动性和高可靠性的升级换代，对材料的要求也日益提高，主要体现为要求材料的强度和刚度提高、抗应力腐蚀寿命延长等。因此，研发新型具有较高强度、刚度和良好抗应力腐蚀寿命的、综合性能良好的铝基材料显得尤为重要。