[发明专利]一种高性能双相混杂增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能双相混杂增强铝基复合材料及其制备方法。该方法包括复合粉末的制备和激光选区熔化成形两个部分。该复合粉末包括如下质量百分比含量的各物质：微米AlSi10Mg合金粉末96‑98％、纳米TiB₂陶瓷颗粒1‑2％、纳米TiC陶瓷颗粒1‑2％。这两种纳米陶瓷颗粒均能有效促进铝基复合材料在激光选区熔化成形过程中熔池的非均匀形核，本发明制备的铝基复合材料内部未观察到明显的孔洞或裂纹,晶粒明显细化，强度、塑性、硬度、耐磨性等性能显著提高，综合力学性能明显优于单一颗粒增强的AlSi10Mg基复合材料，并且生产成本较低,生产效率较高,在航空航天等领域有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于铝基复合材料及增材制造技术领域，具体地，涉及高性能双相混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

在汽车和航空航天领域，某些关键结构部件需要综合性能优异材料的支撑例如轻量化、高强度、高导热、高耐磨等，但常用的钢、钛等材料的密度大且导热性能较差，而轻质铝合金的刚度和耐磨性又不足。铝基复合材料综合了铝合金和陶瓷等增强相的优点，具有低密度、高强度、高塑性、优异的耐磨性以及更高的抗疲劳性能，而纳米SiC、Al₂O₃、TiN、TiC和TiB₂颗粒等是其广泛使用的增强相。激光选区熔化技术具有高效低成本、无需模具、近净成形等特点，被广泛用作铝基复合材料的制备方法，并且激光选区熔化制备出的铝基复合材料比传统方法(如铸造)制备的材料的晶粒更细、力学性能更高。

AlSi10Mg合金具有优良的焊接性、高比强、高热导率和良好的耐腐蚀性等等，可用作铝基复合材料的基体材料。近些年来，报道了很多颗粒增强的AlSi10Mg基复合材料的相关研究，但多数均为单一颗粒增强的AlSi10Mg基复合材料，这些单一颗粒增强的AlSi10Mg基复合材料强度的提高有限，而且还往往造成塑性或者其它性能的显著下降，例如，ZHOU SY制备的TiC颗粒增强的AlSi10Mg基复合材料，其抗拉强度从410MPa提高到470MPa,但其伸长率却由8.9％降至4.0％(ZHOU S Y,WANG Z Y,SU Y,et al.Effects of Micron/Submicron TiC on Additively Manufactured AlSi10Mg:A Comprehensive Study fromComputer Simulation to Mechanical and Microstructural Analysis[J].JOM,2020,72(10):3693-3704.)。且以往的单一颗粒增强AlSi10Mg复合材料的抗拉强度几乎没有突破500MPa的。其中，只有LI X P等人采用激光选区熔化技术制备的TiB₂/AlSi10Mg复合材料，其抗拉性能突破500MPa,达到530MPa(LI X P,JI G,CHEN Z,et al.Selective lasermelting of nano-TiB₂ decorated AlSi10Mg alloy with high fracture strength andductility[J].Acta Materialia,2017,129:183-193.)。但其工序复杂，且纳米TiB₂的添加量为11wt.％,成本较高，难以实现大批量生产和工业应用。

在AlSi10Mg基复合材料中，纳米TiB₂和颗粒TiC颗粒是最佳的增强相。TiB₂颗粒可作为异质形核剂，显著细化晶粒，材料的强度和塑性均有所提高。TiB₂作为常见的颗粒增强相，其结构稳定，当纳米TiB₂颗粒添加较少时，力学性能提高有限，但添加量过多时，纳米TiB₂会发生严重的团聚，材料的综合力学性能下降。TiC与Al具有相同的面心立方结构，与Al基体具有较高的晶体结构匹配度，是异质形核剂，也可以作为颗粒增强相。但由于TiC本身的非化学计量特征，其结构不稳定，易与铝发生界面反应，形成Al₄C₃脆性相，过多的脆性相也会恶化材料的综合力学性能，因此也不宜过多添加。