一种提高硼酸铝晶须增强铝铜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铜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、制备铝铜合金铸锭；三、制备硼酸铝晶须预制件；四、挤压铸造；五、热处理。本发明向纯铝中加入合金元素铜，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，提高晶须与基体的界面结合，同时通过对复合材料进行后续热处理调整复合材料的微观组织结构进一步提高复合材料的抗拉强度与断裂延伸率。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：

铝基复合材料具有许多优异特性，例如高比强度、高比模量、优良的耐磨性能和高温 性能。因此，它们被广泛应用在航天航空、汽车工业以及体育器材等领域中。而硼酸铝晶 须增强铝基复合材料由于具有优异的性能和低廉的价格而备受关注。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严重的界面反应以及较差的润湿性严重影响了其力学 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铜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铜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铝铜中间合金，得到二元 合金熔液；所述的铝铜中间合金中铜的质量分数为50％；所述的铝铜中间合金在二元合 金熔液中的质量分数为5％～20％；

二、制备铝铜合金铸锭：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，得到铝铜合金铸锭；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、将步骤二得到的铝铜合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝铜合 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℃的铝铜合金液体，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铜基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝铜合金液体的质量比为1:20.83；

五、热处理：将步骤四制备的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料在温度为495℃～540℃ 的条件下保温20min～40min，然后在温度为180℃～200℃的条件下时效处理1h～10h，在空 气中冷却至室温，得到热处理后的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料。

本发明向纯铝中加入合金元素铜，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，提高晶须与基体的界面结合，同时通过对复合材料进行后续热处理调整复合 材料的微观组织结构进一步提高复合材料的抗拉强度与断裂延伸率。本发明制备的热处理 后的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料最高的抗拉强度为588MPa。

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铜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铝铜中间合金，得到二元 合金熔液；所述的铝铜中间合金中铜的质量分数为50％；所述的铝铜中间合金在二元合 金熔液中的质量分数为5％～20％；

二、制备铝铜合金铸锭：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，得到铝铜合金铸锭；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、将步骤二得到的铝铜合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝铜合 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℃的铝铜合金液体，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铜基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件 与温度为700℃～800℃的铝铜合金液体的质量比为1:20.83；

五、热处理：将步骤四制备的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料在温度为495℃～540℃ 的条件下保温20min～40min，然后在温度为180℃～200℃的条件下时效处理1h～10h，在空 气中冷却至室温，得到热处理后的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料。

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：步骤一中所述的铝铜中 间合金在二元合金溶液中的质量分数为10％。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：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：步骤二所述的脱气 剂与二元合金熔液的质量比为1:300。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是：步骤五中将步骤四 制备的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料在温度为500℃的条件下保温30min，然后在温度 为200℃的条件下时效处理5h，在空气中冷却至室温，得到热处理后的硼酸铝晶须增强铝 铜基复合材料。其他与具体实施方式一至四相同。

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铜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铝铜中间合金，得到二元合金熔液；所 述的铝铜中间合金中铜的质量分数为50％；所述的铝铜中间合金在二元合金熔液中的质 量分数为10％；

二、制备铝铜合金铸锭：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，得到铝铜合金铸锭；步骤二所述的脱气剂 与二元合金熔液的质量比为1:300；

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、将步骤二得到的铝铜合金铸锭在温度为700℃～800℃的条件下加热熔化至铝铜合 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℃的铝铜合金液体，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铜基复合材料；所述的加热后的硼酸铝晶须预制件与温度为750℃ 的铝铜合金液体的质量比为1:20.83；

五、热处理：将步骤四制备的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料在温度为500℃的条件 下保温30min，然后在温度为200℃的条件下时效处理5h，在空气中冷却至室温，得到热 处理后的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料。

步骤二中所述的脱气剂为六氯乙烷。

试验一制备的热处理后的硼酸铝晶须增强铝铜基复合材料最高的抗拉强度为 588MPa。