一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法

摘要

一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭；将铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ150mm～Φ500mm的自耗电极，然后进行熔炼，熔炼后获得Φ200mm～Φ600mm的真空自耗铸锭；将真空自耗铸锭送入电阻炉中加热并保温，将真空自耗铸锭进行锻造，获得Φ150mm～Φ500mm铝基复合材料棒材。本发明制得的铝基复合材料棒材经高低倍金相检查，TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密，经超声波检验棒材中无夹杂缺陷，其拉伸强度达到415MPa，断裂延伸率达到2.5％。

权利要求

1.一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭；

步骤二、将步骤一中的铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ150mm～Φ500mm的自耗电极，再将自耗电极装入真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼后获得Φ200mm～Φ600mm的真空自耗铸锭；

步骤三、将真空自耗铸锭送入电阻炉中加热至450℃～490℃并保温，将经过保温后的真空自耗铸锭在450℃～490℃下进行锻造，获得Φ150mm～Φ500mm铝基复合材料棒材；

所述步骤二中熔炼过程中的熔炼电流为5～26KA，熔炼电压28～38V，稳弧电流为5～-1 -1

14A的交流电流，真空度为3×10 ～8×10 Pa；

所述步骤三中锻造具体为2～3火次锻造。

2.根据权利要求1所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭的具体过程如下：按照铝基复合材料的名义化学成分计算该复合材料中合金元素的质量比，然后按照计算出的质量比将KBF4和K2TiF6混合均匀后加入到纯铝液中，反应生成TiB2增强相，然后再向纯铝液中加入中间合金获得液态的铝基复合材料；将液态的铝基复合材料浇注到砂套或者金属模中形成铝基复合材料坯锭。

3.根据权利要求1或2所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料坯锭为长方体状，截面为30mm×30mm～100mm×100mm。

4.根据权利要求2所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料具体为ZL101/TiB2、ZL105/TiB2或ZL201/TiB2铝基复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述步骤二中熔炼前先将自耗电极进行组焊，然后再放入到真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，并且熔炼全过程采用水冷进行冷却。

6.根据权利要求1所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述步骤三中将真空自耗铸锭送入电阻炉中加热前将真空自耗铸锭扒皮至表面光洁，并进行锯切冒口。

7.根据权利要求1所述的一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，其特征在于，所述步骤三中保温时间为12～24小时。

说明书

一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种金属复合材料的制备方法，具体涉及一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法。

背景技术

[0002] 航空航天飞行器、空间装置、空间探测等系统中关键零部件要求所使用的材料同时具有高比强度、高比模量、高导热性、低热膨胀性、高抗热变形能力等综合性能。传统的单一金属、高分子、陶瓷材料已难于满足如此高的综合性能要求，由高性能增强体(颗粒、晶须、短纤维)和铝合金复合而成的非连续增强铝基复合材料，既具有铝合金的优良性能，又可通过选择加入合适的增强体获得所需的优异综合性能，可满足对综合性能要求较高的使用需求。

[0003] 原位自生铝基复合材料由于增强体在基体内部原位合成，增强体颗粒尺寸细小，基体与增强体界面结合较好且界面干净，工艺简便、成本低，从而获得了大量的研究及应用。ZL200310122739.1、ZL200510028209.X介绍了采用混合盐法制备了原位自生铝基复合材料，然而，这些方法仅解决了增强相在复合材料熔融状态下的均匀分布问题。由于熔融状态的复合材料在结晶过程中将增强相排斥到晶界处，使得增强相富集、偏聚，造成复合材料的不均匀性，极大地恶化了材料性能。特别是要生产Φ150mm以上的大棒材时，由于采用砂套等常规铸型成形，熔融状态的复合材料凝固十分缓慢，增强相在复合材料中不均匀的情况显得十分严重，同时由于铸锭偏向于同时凝固，在材料中心易形成缩松、缩孔等缺陷，材料中的夹渣也难以浮出表面，铸锭质量难以控制。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述问题，提供一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，制得的铝基复合材料棒材中TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密、无夹杂缺陷。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

[0006] 步骤一、采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭；

[0007] 步骤二、将步骤一中的铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ150mm～Φ500mm的自耗电极，再将自耗电极装入真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼后获得Φ200mm～Φ600mm的真空自耗铸锭；

[0008] 步骤三、将真空自耗铸锭送入电阻炉中加热至450℃～490℃并保温，将经过保温后的真空自耗铸锭在450℃～490℃下进行锻造，获得Φ150mm～Φ500mm铝基复合材料棒材。

[0009] 所述采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭的具体过程如下：按照铝基复合材料的名义化学成分计算该复合材料的中合金元素的质量比，然后按照计算出的质量比将KBF4和K2TiF6混合均匀后加入到纯铝液中，反应生成TiB2增强相，然后再向纯铝液中加入中间合金获得液态的铝基复合材料；将液态的铝基复合材料浇注到砂套或者金属模中形成铝基复合材料坯锭。

[0010] 所述铝基复合材料坯锭为长方体状，截面为30mm×30mm～100mm×100mm。

[0011] 所述铝基复合材料具体为ZL101/TiB2、ZL105/TiB2或ZL201/TiB2铝基复合材料。

[0012] 所述步骤二中熔炼前先将自耗电极进行组焊，然后再放入到真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，并且熔炼全过程采用水冷进行冷却。

[0013] 所述步骤二中熔炼过程中的熔炼电流为5～26KA，熔炼电压28～38V，稳弧电流-1 -1为5～14A的交流电流，真空度为3×10 ～8×10 Pa。

[0014] 所述步骤三中将真空自耗铸锭送入电阻炉中加热前将真空自耗铸锭扒皮至表面光洁，并进行锯切冒口。

[0015] 所述步骤三中保温时间为12～24小时。

[0016] 所述步骤三中锻造具体为2～3火次锻造。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过将采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭再经过真空自耗电弧熔炼进行重熔，一方面可以获得大尺寸铸锭，另一方面由于真空自耗电弧熔炼有稳弧电流产生的磁场对熔池进行搅拌，使TiB2增强相的分布更为均匀，两方面的作用使得TiB2增强相在真空自耗铸锭中的分布非常均匀。同时，铝基复合材料坯锭中的氧化物、氮化物等杂质会随着磁场搅拌的作用聚集在铸锭表面，这些杂质会在随后的扒皮工序中被去除，从而获得高品质的铝基复合材料铸锭，最后经过锻造，获得铝基复合材料棒材，本发明制得的铝基复合材料棒材经高低倍金相检查，TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密，经超声波检验棒材中无夹杂缺陷，其拉伸强度达到415MPa，断裂延伸率达到2.5％。本发明制备的是Φ150mm～Φ500mm的铝基复合材料棒材，克服了现有技术中制备较大尺寸铝基复合材料棒材质量差的问题。

[0018] 进一步的，同时采用水冷冷却，可以获得很高的凝固速度，TiB2增强相在金属液凝固过程中不易发生偏聚。

具体实施方式

[0019] 下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

[0020] 实施例1

[0021] ZL101/TiB2铝基复合材料棒材的制备

[0022] 步骤一、采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭，具体过程为：按照ZL101/TiB2铝基复合材料的名义化学成分Al-7Si-0.3Mg-15TiB2计算出该铝基复合材料的合金元素质量比，按照计算出的质量比将KBF4和K2TiF6混合均匀后加入到纯铝液中，反应生成TiB2增强相，然后再向纯铝液加入中间合金AlSi12A及纯Mg，获得符合ZL101/TiB2成分要求的液态的铝基复合材料。将液态的铝基复合材料浇注到砂套中形成截面为30mm×30mm的长方体状的铝基复合材料坯锭；

[0023] 步骤二、将铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ150mm的自耗电极，将自耗电极放入坩埚中，再将坩埚装入真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，所述熔炼过程中的熔炼电流-1为5KA，熔炼电压28V，稳弧电流为交流5A，真空度为3×10 Pa，熔炼全过程中采用水冷对坩埚进行冷却，获得Φ200mm的真空自耗铸锭。

[0024] 步骤三、将真空自耗铸锭扒皮至表面光洁无缺陷，锯切冒口后送入电阻炉中加热至450℃保温12小时，将经过保温后的真空自耗铸锭进行2火次锻造，获得Φ150mm铝基复合材料棒材。

[0025] 铝基复合材料棒材经高低倍金相检查，TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密，经超声波检验棒材中无夹杂缺陷，其拉伸强度达到425MPa，断裂延伸率达到3.5％。

[0026] 实施例2

[0027] ZL105/TiB2铝基复合材料棒材的制备

[0028] 步骤一、采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭，具体过程为：按照ZL105/TiB2铝基复合材料的名义化学成分Al-5Si-1.25Cu-0.5Mg-10TiB2计算出该铝基复合材料的合金元素质量比，按照计算出的质量比将将KBF4和K2TiF6混合均匀后加入到纯铝液中，反应生成TiB2增强相，然后再向纯铝液加入AlSi12A、AlCu50A中间合金及纯Mg获得符合成分要求的液态的铝基复合材料。将液态的铝基复合材料浇注到金属模中形成截面为50mm×50mm的长方体状的铝基复合材料坯锭；

[0029] 步骤二、将铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ300mm的自耗电极，将自耗电极放入坩埚中，再将坩埚装入真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，所述熔炼过程中的熔炼电流-1为11KA，熔炼电压32V，稳弧电流为交流9A，真空度为5×10 Pa，熔炼过程中采用水冷对坩埚进行冷却，获得Φ450mm的真空自耗铸锭。

[0030] 步骤三、将真空自耗铸锭扒皮至表面光洁无缺陷，锯切冒口后送入电阻炉中加热至470℃保温16小时，将经过保温后的真空自耗铸锭进行3火次锻造，获得Φ300mm铝基复合材料棒材。

[0031] 成品铝基复合材料棒材经高低倍金相检查，TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密，经超声波检验棒材中无夹杂缺陷，其拉伸强度达到415MPa，断裂延伸率达到2.5％。

[0032] 实施例3

[0033] ZL201/TiB2铝基复合材料棒材的制备

[0034] 步骤一、采用混合盐法制备TiB2增强的铝基复合材料坯锭，具体过程为：按照ZL201/TiB2铝基复合材料的名义化学成分Al-5Cu-0.8Mn-0.25Ti-10TiB2计算出该铝基复合材料的合金元素质量比，按照计算出的质量比将采用KBF4及K2TiF6混合均匀后加入到纯铝液中，反应生成TiB2增强相，然后再向纯铝液加入AlCu50A、AlMn10A、AlTi4BA中间合金获得符合成分要求的液态的铝基复合材料。将液态的铝基复合材料浇注到砂套形成截面为100mm×100mm的长方体状的铝基复合材料坯锭；

[0035] 步骤二、将铝基复合材料坯锭组焊形成截面为Φ500mm的自耗电极，将自耗电极放入坩埚中，再将坩埚装入真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，所述熔炼过程中的熔炼电流-1为26KA，熔炼电压38V，稳弧电流为交流14A，真空度为8×10 Pa，熔炼过程中采用水冷对坩埚进行冷却，获得Φ600mm的真空自耗铸锭。

[0036] 步骤三、将真空自耗铸锭扒皮至表面光洁无缺陷，锯切冒口后送入电阻炉中加热至490℃保温24小时，将经过保温后的真空自耗铸锭进行3火次锻造，获得Φ500mm铝基复合材料棒材。

[0037] 本发明制得的铝基复合材料棒材经高低倍金相检查，TiB2增强相分布十分均匀、组织十分致密，经超声波检验棒材中无夹杂缺陷，其拉伸强度达到515MPa，断裂延伸率达到2.5％。