纳米铝合金复合材料

2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
• 力学性能
强度提高19% , 塑性提高20% ,冲击韧性也有很大提高
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
• 微观组织
衍射斑点标定结果表明, 这种新生成的复合材料增强 体为A l3T i。A l3T i 相为正方结构, 晶格常数为a =b = 5. 836×10-10m , c = 8. 596×10 – 10 m
增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模量、抗拉强度、 密度、熔点、热稳定性、热膨胀系数、尺寸、形状及其与 基体合金的相容性等。
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 颗粒增强铝基复合材料的制备方法
搅拌铸造
液态工艺法
液态金属浸渗
挤压铸造 制备方法 粉末冶金 固态法 机械合金化 双相 （固液）法 固液）
半固态加工
2.1 颗粒增强铝基复合材料
文献：纳米级SiCp /6066Al复合材料的制备与力学性能的研究 • 近年来,纳米SiC 颗粒增强铝基复合材料因 为兼具金属和非金属的特性,已经成为纳米 复合材料的一个研究热点。
陈永来等， 陈永来等，采用粉末冶金方法制备了纳米 SiCp 增强铝基复合材料,研究了增强相尺寸对 铝基复合材料性能的影响。
目前的机制有：
(1) Kelton 等认为是由于非晶态铝合金中的相分离; (2) Koster 等认为在非晶基体中纳米粒子是以瞬态 非均质形核方式形成； (3) Perepezko 等认为在合金熔体急冷过程中便 形成高密度的“ 淬态” 晶核； (4) 我国的张宏闻等人认为，首先发生“淬态” 晶核的长大, 之后在过冷液态温区发生高密度纳米 粒子的形核, 最终晶核长大过程。
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 颗粒增强铝基复合材料按增强体尺寸 增强体尺寸可分为： 增强体尺寸
（1）纳米级复合材料 纳米级复合材料（增强体粒径为1-100nm） 纳米级复合材料
（2） 微米级复合材料（粒径为1µm-100µm）
（3） 亚微米级复合材料(粒径介于1，2之间)
2.1 颗粒增强铝基复合材料
纳米铝合金复合材料
2011-2-28
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目录
• • • • • • • 1 引言 2 纳米铝合金复合材料 2.1 颗粒增强铝基复合材料 2.2 原位自生纳米铝合金复合材料 2.3 铝基纳米复合材料 3 结语 4 致谢
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
• 微观组织
A l3T i 颗粒均匀弥散地分布在铝基体上。A l3T i 的粒 子尺寸在30～ 50 nm 之间。
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
结论
• 用T iO2 还原反应法能制备纳米级颗粒增强 的A l3T i/L Y12 复合材料,A l3T i 尺寸 尺寸约40 nm , 呈粒状均匀分布于α-A l 基体晶粒内; Al3T i/ LY12 复合材料的强度 塑性 冲击 强度、塑性 强度 塑性和冲击 韧性均比基体L Y12 有较大提高。 韧性
(5) 沉淀强化 沉淀强化：沉淀相阻碍位错的运动。
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 颗粒增强铝基复合材料的复合原则及增强体的选择
• 1）颗粒应高度弥散均匀的分散 均匀的分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的 均匀的分散 位错的运动。 • 2）颗粒直径的大小要适度 大小要适度，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本 大小要适度 身破碎导致强度的降低；颗粒直径过小，则起到的强化作用有限。 • 3）颗粒和基体之间应有一定的粘结 粘结作用（即一定的结合强度）。 粘结 • 4）选择力学性能合适的基体，并选择与之在各方面（如热膨胀性、 润湿性等）匹配的增强颗粒。
2.3 铝基纳米复合材料
• 铝基非晶态合金的研究现状
• 铝基非晶合金发现至今已经有三十多年,取得了很大 的进步,实现了铝合金组织的多极化(非晶、准晶、微 晶) 发展,开发出多种铝基非晶合金,大幅度提高了铝 基非晶态合金的性能。
• 已开发的铝基非晶态合金集中在Al-Ln ( Y、La 、Ce 等稀 土) 二元系,以及Al-TM-Si ( Ge) 、Al-EM-LM 和Al-RE-TM 等几个三元系( 其中TM、EM、LM 和RE 分别代表ⅣB、 ⅤB 和ⅥB 过金属, Ⅶ、Ⅷ族过渡金属及稀土金属) ,所有 这些合金都表现出优良的力学性能。
• 对于颗粒增强铝基复合材料，利用位错理论 位错理论为基 位错理论 础的微观结构强化机制，是目前最常用的。 • 增强相的加入会引起金属微观结构发生重大变化， 如位错密度 位错密度明显增加、基体晶粒细化 晶粒细化、亚晶尺寸 位错密度 晶粒细化 减小等，最终引起复合材料力学性能的变化。 (1) 位错强化 位错强化机制:在制备或热处理过程中，由于增 强体和基体间较大的热膨胀系数产生热错配应变， 热错配应变以产生位错环来松弛，产生的高密度 位错使基体强化；
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
文献：原位自生纳米 文献：原位自生纳米Al3Ti/LY12 复合材料的组织及性能
Ti-Al系金属间化合物密度小，具有较好的高温强度和抗蠕变、抗腐蚀、 抗疲劳性能，弹性模量高，是很好的复合材料增强相。Al3Ti含Ti量低， 易合成，晶体结构与铝合金接近，错配度小，是一种十分理想的铝合 金原位增强体材料。
技术瓶颈：如何制备一定体积分数、颗粒分布均 技术瓶颈 匀的铝基复合材料。
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 参考文献
• [1] 施利毅，纳米材料.[M]华东理工大学出版社， 2007. • [2] 陈永来,吕宏军等，纳米级SiCp /6066Al复合材 料的制备与力学性能的研究[J]，宇航材料工 艺,2005,2:57-59. • [3] 李洪武，亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备、 组织与性能研究，中南大学硕士论文
2.3 铝基纳米复合材料
• 铝基非晶 非晶态合金的制备方法 非晶
熔体旋淬法 快速凝固法 雾化法 表面熔化 强化法
制备方法
机械合金化法
复合工艺
在非晶态Al基合金中通过热处理可形成高密度弥散分布的α-Al纳米 纳米粒子 纳米
2.3 铝基纳米复合材料
• 那么在铝基非晶态合金中高密度α-Al纳米 粒子是如何形成的呢？
• 纳米 纳米颗粒增强铝基复合材料的优势：
(1) 强化效果远高于微米级颗粒； (2)界面结合强度良好；
(3) 同体积分数下，比微米级热膨胀系数小、热
残余应力小，尺寸稳定性高； (4) 细小的晶界滑移可实现高应变速率超塑性变形； (5) 室温塑性和高温蠕变性能提高。
2.1 颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强机制：
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 结果与分析
表1
2.1 颗粒增强铝基复合材料
图1 SiCp/6066Al复合材料显微组织照片
2.1 颗粒增强铝基复合材料
图2 纳米SiCp/
• 结论
细化增强相尺寸使其达到纳米数量级可在提 提 强度的同时改善 塑性 改善其塑性 高复合材料强度 强度 改善 塑性。体积分 数为1%的纳米SiCp /6066AlAl复合材料的强 度与体积分数为12%的尺寸为7µm的强度相 当,并且前者的塑性高于后者。
2.1 颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强机制：
(2) Orowan强化 强化：由于位错绕过增强颗粒运动而产 强化 生的强化；
(3) 晶粒细化强化 晶粒细化强化：增强体会引起亚晶粒尺寸的减小， 超细的亚晶粒尺寸会导致复合材料强度的增加； (4) 加工硬化强化 加工硬化强化：形变时，基体变形，颗粒不变，颗 粒周围产生二次位错；
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
• 测试方法 • 用CN T 25010 电子拉伸机测试材料室温拉 伸性能； • C IEM 230D2CPC 示波冲击实验机测试材料 抗冲击性能； • JEM 2200CX 透射电子显微镜观察复合材 料微观形貌。
2.2 原位自生纳米铝合金复合材料
实验结果及分析
实验材料与实验方法 材料：基体合金LY12，反应物99. 9% T iO2, 覆盖剂为99. 9% N a3A lF6。
—— 升温（10001100oC）熔化 —— 压入混合料 —— 降温至 740oC —— 除气精 炼 ——金属型浇注——热轧 ——— 热处理
方法： LY12基体+（ T iO2+ N a3A lF6 ）混合粉料覆盖
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 试验过程 • 材料：6066Al合金粉末：粒度为15µm ， 材料 SiCp ： 粒度分别为7µm和纳米级, 体积分数分别为12%和1% • 制备 ： 6066Al合金粉末与增强相混合均匀 ——热挤
压——固溶热处理(固溶490℃、时效175℃,保温8h)； • 分别截取热挤压和固溶热处理拉伸试样， • 力学测试、显微观察
• 制备工艺与原理 • 最佳工艺：温度、T iO2 颗粒含量、T iO2/N a3A lF6 最佳 工艺,即: 1 040℃, 4. 5% 的T iO2, T iO2/N a3A lF6为1∶0. 5。
• 原位反应： 2 T iO 2 + 2 N a3A lF6 = 2N a2T iF6 + N a2O + A l2O 3 N a2T iF6 + 3A l = 2N aF + 2F2 + A l3T i
2.1 颗粒增强铝基复合材料
• 颗粒增强铝基复合材料的应用
• 在航空航天领域，由于颗粒增强铝基复合材料的高比强、 比模量，有望取代部分铝合金、钛合金；如美国空军将 粉末冶金法制备的SiCp/6092Al复合材料用于F-16战斗机 的腹鳍，代替2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，寿命提 高幅度达17倍。 • 高体积分数颗粒增强铝基复合材料由于具有高比模量和 低的热膨胀系数，微屈服强度高，尺寸稳定性好，在航 空航天惯性导航系统的惯性器件，遥感卫星的光机结构， 空间光学反射镜镜坯，电子器件及模块的封装壳体或底 座等领域展示了良好的应用前景。