一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法

摘要

一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法，涉及一种提高铝基复合材料力学性能的方法。本发明是为了解决现有的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的力学性能差的技术问题。本发明：一、基体合金元素的添加；二、制备铝镁合金铸锭；三、制备硼酸铝晶须预制件；四、挤压铸造。本发明向纯铝中加入合金元素锌或镁，利用形成的二元合金作为复合材料的基体。在复合材料的制备过程中通过基体合金元素的变化以及含量的变化来改变复合材料的界面结构与状态，改善界面润湿性，同时提高晶须与基体的界面结合，复合材料的力学性能得到显著的提高。本发明应用于制备铝基复合材料。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种提高铝基复合材料力学性能的方法。

背景技术：

金属基复合材料具有许多优异特性，在过去的几十年里，已发展成为一类重要的结构 材料，特别是其性能的高度可设计性，令人们期望利用这一特点使具有优异综合性能的复 合材料在航天航空、汽车工业以及体育器材等领域中得到重要应用。

硼酸铝晶须低廉的价格解决了因晶须成本高而制约晶须/铝基复合材料应用的重大难 题，为硼酸铝晶须增强铝基复合材料的大面积应用奠定了坚实的基础。然而硼酸铝晶须与 铝合金之间较差的润湿性以及严重的界面反应严重影响了其力学性能，成为限制该种复合 材料在实际应用中的最大障碍。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的力学性能差的技术 问题，而提供一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法。

本发明的一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法是按以下步骤进行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化，得到熔 融的纯铝，在温度为700℃～800℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯镁块，得到二元合金熔 液；所述的纯镁块在二元合金熔液中的质量分数为2.5％～10％；

二、制备铝镁合金铸锭：在温度为700℃～800℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气 剂，在温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌10s～20s，得到脱完气的二元 合金熔液，然后在温度为700℃～800℃的条件下加入铝镁合金覆盖剂，至在脱完气的二元 合金熔液表面均匀覆盖一层铝镁合金覆盖剂，并在温度为700℃～800℃的条件下保温 5min，然后浇注入模具中，自然冷却，脱模，得到铝镁合金铸锭；步骤二所述的脱气剂 与二元合金熔液的质量比为1:(200～500)；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，然后在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h， 在温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条 件下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝镁合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝镁合 金液体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为500℃～600℃的条件下加 热30min～60min，得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制 件的模具中注入温度为700℃～800℃的铝镁合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件 下保压15min，得到硼酸铝晶须增强铝镁基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝镁合金液体的质量比为1:20.83。

本发明的另一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法是按以下步骤进 行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化，得到熔 融的纯铝，在温度为700℃～800℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯锌块，得到二元合金熔 液；所述的纯锌块在二元合金熔液中的质量分数为5.6％～30％；

二、制备铝锌合金铸锭：在温度为700℃～800℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气 剂，在温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌10s～20s，在温度为700℃～800℃ 的条件下保温5min，然后浇注入模具中，自然冷却，脱模，得到铝锌合金铸锭；步骤二 所述的脱气剂与二元合金熔液的质量比为1:(200～500)；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h，在 温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条件 下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝锌合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝锌合 金液体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为500℃～600℃的条件下加 热30min～60min，得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制 件的模具中注入温度为700℃～800℃的铝锌合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件 下保压15min，得到硼酸铝晶须增强铝锌基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝锌合金液体的质量比为1:20.83。

本发明向纯铝中加入合金元素锌或镁，利用形成的二元合金作为复合材料的基体。在 复合材料的制备过程中通过基体合金元素的变化以及含量的变化来改变复合材料的界面 结构与状态，改善界面润湿性，同时提高晶须与基体的界面结合，复合材料的力学性能得 到显著的提高，本发明制备的硼酸铝晶须增强铝镁基复合材料最高的抗拉强度为 544MPa，本发明制备的硼酸铝晶须增强铝锌基复合材料最高的抗拉强度为540MPa。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方 法，具体是按以下步骤进行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化，得到熔 融的纯铝，在温度为700℃～800℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯镁块，得到二元合金熔 液；所述的纯镁块在二元合金熔液中的质量分数为2.5％～10％；

二、制备铝镁合金铸锭：在温度为700℃～800℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气 剂，在温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌10s～20s，得到脱完气的二元 合金熔液，然后在温度为700℃～800℃的条件下加入铝镁合金覆盖剂，至在脱完气的二元 合金熔液表面均匀覆盖一层铝镁合金覆盖剂，并在温度为700℃～800℃的条件下保温 5min，然后浇注入模具中，自然冷却，脱模，得到铝镁合金铸锭；步骤二所述的脱气剂 与二元合金熔液的质量比为1:(200～500)；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，然后在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h， 在温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条 件下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝镁合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝镁合 金液体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为500℃～600℃的条件下加 热30min～60min，得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制 件的模具中注入温度为700℃～800℃的铝镁合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件 下保压15min，得到硼酸铝晶须增强铝镁基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝镁合金液体的质量比为1:20.83。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的纯镁块 在二元合金溶液中的质量分数为6％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤二中所述的脱 气剂为六氯乙烷。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式为一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方 法，具体是按以下步骤进行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化，得到熔 融的纯铝，在温度为700℃～800℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯锌块，得到二元合金熔 液；所述的纯锌块在二元合金熔液中的质量分数为5.6％～30％；

二、制备铝锌合金铸锭：在温度为700℃～800℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气 剂，在温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌10s～20s，在温度为700℃～800℃ 的条件下保温5min，然后浇注入模具中，自然冷却，脱模，得到铝锌合金铸锭；步骤二 所述的脱气剂与二元合金熔液的质量比为1:(200～500)；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h，在 温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条件 下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝锌合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝锌合 金液体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为500℃～600℃的条件下加 热30min～60min，得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制 件的模具中注入温度为700℃～800℃的铝锌合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件 下保压15min，得到硼酸铝晶须增强铝锌基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝锌合金液体的质量比为1:20.83。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤一所述的纯锌块在 二元合金溶液中的质量分数为20％。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五的不同点是：步骤二中所述的脱 气剂为六氯乙烷。其他与具体实施方式四或五相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验为一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法，具体是按 以下步骤进行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为750℃的条件下加热熔化，得到熔融的纯 铝，在温度为750℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯镁块，得到二元合金熔液；所述的纯 镁块在二元合金熔液中的质量分数为5％；

二、制备铝镁合金铸锭：在温度为750℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气剂，在 温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌520s，得到脱完气的二元合金熔液， 然后在温度为750℃的条件下加入铝镁合金覆盖剂，至在脱完气的二元合金熔液表面均匀 覆盖一层铝镁合金覆盖剂，并在温度为750℃的条件下保温5min，然后浇注入模具中， 自然冷却，脱模，得到铝镁合金铸锭；步骤二所述的脱气剂与二元合金熔液的质量比为 1:400；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，然后在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h， 在温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条 件下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝镁合金铸锭在温度为750℃的条件下加热熔化至铝镁合金液 体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为550℃的条件下加热50min， 得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制件的模具中注入温 度为750℃的铝镁合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件下保压15min，得到硼酸 铝晶须增强铝镁基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件与温度为700℃～800℃的 铝镁合金液体的质量比为1:20.83。

步骤二中所述的脱气剂为六氯乙烷。

试验一制备的硼酸铝晶须增强铝镁基复合材料最高的抗拉强度为544MPa。

试验二：本试验为一种提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料力学性能的方法，具体是按 以下步骤进行：

一、基体合金元素的添加：将纯铝在温度为750℃的条件下加热熔化，得到熔融的纯 铝，在温度为750℃的条件下向熔融的纯铝中添加纯锌块，得到二元合金熔液；所述的纯 锌块在二元合金熔液中的质量分数为20％；

二、制备铝锌合金铸锭：在温度为750℃的条件下向二元合金熔液中加入脱气剂，在 温度为750℃的条件下精炼至无气泡产生为止，搅拌20s，在温度为750℃的条件下保温 5min，然后浇注入模具中，自然冷却，脱模，得到铝锌合金铸锭；步骤二所述的脱气剂 与二元合金熔液的质量比为1:400；

三、制备硼酸铝晶须预制件：将硼酸铝晶须与去离子水均匀混合，搅拌超声30min， 压滤，阴干48h，在温度为40℃的条件下烘干10h，在温度为50℃的条件下烘干10h，在 温度为80℃的条件下烘干4h，在温度为100℃的条件下烘干2h，在温度为900℃的条件 下煅烧1h，随炉冷却至室温，得到硼酸铝晶须预制件；

四、将步骤二得到的铝锌合金铸锭在温度为750℃的条件下加热熔化至铝锌合金液 体；将步骤三制备的硼酸铝晶须预制件放入模具中在温度为550℃的条件下加热50min， 得到加热后的硼酸铝晶须预制件，然后向装有加热后的硼酸铝晶须预制件的模具中注入温 度为750℃的铝锌合金液体，用压力机在压力为100MPa的条件下保压15min，得到硼酸 铝晶须增强铝锌基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件与温度为700℃～800℃的 铝锌合金液体的质量比为1:20.83。

步骤二中所述的脱气剂为六氯乙烷。

试验二制备的硼酸铝晶须增强铝锌基复合材料最高的抗拉强度为540MPa。