一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

1.本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.颗粒增强铝基复合材料是以铝或铝合金为基体，以金属或非金属颗粒为增强体的复合材料，凭借其密度低、比强度高、比模量高等优点，颗粒增强铝基复合材料广泛应用于航空航天、交通运输、仪器仪表、军事、汽车等领域。
3.增强体是决定颗粒增强铝基复合材料性能的重要因素之一，同时增强体-基体界面之间的润湿性和应力状态会显著影响颗粒增强铝基复合材料的性能，氧化物、氮化物、碳化物、陶瓷和金属间化合物等增强体在铝基复合材料中被广泛使用，它们具有硬度高等优点。然而，这些颗粒与铝基体润湿性差，且可能与基体生成脆性的界面产物，导致界面结合强度较低，使得颗粒-基体界面不可避免地成为材料断裂过程的薄弱环节；再者，这些颗粒与基体的弹性模量和线膨胀系数差异较大，使得颗粒-基体界面处易产生明显的应力集中，导致裂纹易在界面处萌生和扩展。此外，这些颗粒自身变形能力差，在应力的作用下极易发生断裂。上述问题都会导致复合材料的强塑性急剧下降。
4.多主元合金具有强度高、硬度高、大的弹性应变极限等优点，以多主元合金颗粒作为增强体的铝基复合材料是一种极具潜力的结构材料，具有广阔的应用前景。目前，已有一些多主元合金颗粒增强铝基复合材料的案例报道，如专利文件cn114807712a公开一种高熵合金增强铝基复合材料及其制备方法。然而，目前的报道也存在如下问题：
5.(1)仅仅是机械地将多主元合金增强体颗粒添加到铝基体中，对增强体颗粒的选择并未加以限制。然而，并非所有的多主元合金与铝基体都具有良好的界面润湿性和界面相容性，需要筛选出适当的多主元合金体系以保证颗粒-基体之间的润湿性和相容性。
6.(2)即使已选择合适的多主元合金体系，仍然需要进一步开发出其他手段来改善多主元合金颗粒-基体之间的润湿性和相容性，降低增强体颗粒和基体界面处的应力集中，提高增强体颗粒和基体界面抵抗变形和破坏的能力，以最大限度地提升复合材料的性能，现有报道中未见提及。


技术实现要素：

7.为克服现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料，选用的多主元合金增强体颗粒含有铝元素或在铝中具有较高固溶度或扩散能力的元素，加入表面活性元素提高增强体和基体界面之间的润湿性和相容性。
8.本发明的另一目的是提供一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过高温热处理在增强体和基体界面处形成溶质过饱和的过渡层，并避免界面处形成脆性金属间化合物，进一步提高增强体和基体界面之间的润湿性和相容性，缓解界面处的应力集中，并通过低温热处理在上述过渡层中析出纳米析出物，进一步强化增强体和基体界面，从
而在提高复合材料强度的同时使材料保持良好的塑性。
9.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.本发明的第一方面提供一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其包括增强体和基体；
11.所述增强体为多主元合金颗粒，质量含量为0.1％-30％，组成元素包含铝元素、或在铝中具有高固溶度或高扩散能力的元素，选自albefesiti系、alcrfemnti系、alcrtiv系、mg
x
(mnalzncu)
100-x
系、almgzncusi系、allimgzncu系、allimgznsn系、allimgscti系、alnbtiv系、alfemgtizn系、allimgcasi系、alcucrfesi系、alcacunisiti系、alfecucrmg系、alcumnniznsi系高熵合金和(cocrni)
100-x
al
x
系熵合金中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％；
12.所述基体为铝合金，质量含量为70％-99.9％，选自铸造铝合金和/或变形铝合金；
13.还包括表面活性元素，选自be、sr、ca以及稀土元素la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的一种或两种以上组合。
14.作为优选，所述多主元合金选自albefesiti系(如al
20
be
20
fe
10
si
15
ti
35
合金)、alcrfemnti系(如al2crfemnti合金)、alcrtiv系(如alcrtiv合金)、mg
x
(mnalzncu)
100-x
系(如mg
20
(mnalzncu)
80
合金)、almgzncusi系(如al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1合金)、allimgzncu系(如alli
0.5
mgzn
0.5
cu
0.5
合金)、allimgznsn系(如allimgznsn合金)、allimgscti系(如al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
合金)、alnbtiv系(如alnbtiv合金)、alfemgtizn系(如alfemgtizn合金)、allimgcasi系(如al
15
li
35
mg
48
ca1si1合金)、alcucrfesi系(如al
40
cu
15
cr
15
fe
15
si
15
合金)、alcacunisiti系(如al
50
ca5cu5ni
10
si
20
ti
10
合金)、alfecucrmg系(如alfecucrmg
1.7
合金)、alcumnniznsi系(如al8cu3mnnisi4zn3合金)高熵合金和(cocrni)
l00-x
al
x
系熵合金中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％。
15.作为优选，所述多主元合金选自allimgscti系、allimgznsn系、almgzncusi系、mg
x
(mnalzncu)
100-x
系、alcrtiv系、alfecucrmg系、alcrfemnti系、alcumnniznsi系、alnbtiv系、(cocrni)
l00-x
al
x
系中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％。
16.作为更优选，所述多主元合金选自allimg
0.5
scti
1.5
、allimgznsn、al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1、mg
50
(mnalzncu)
50
、alcrtiv、alfecucrmg
1.7
、alcrfemnti
0.25
、al8cu3mnnisi4zn3、alnbtiv、(cocrni)
20
al
80
中的一种或两种以上合金组合。
17.本发明中选择的增强体为多主元合金，其含有铝元素、或含有大量在铝中具有高固溶度、或在铝中扩散速率高的元素，有助于元素在增强体和基体界面之间进行双向扩散，从而提高界面的润湿性和相容性。
18.作为优选，所述铸造铝合金选自al-si系、al-cu系、al-mg系、al-zn系、al-稀土系铝合金和铸造al-li系铝合金中的一种或两种以上组合。
19.作为优选，所述变形铝合金选自1xxx系、2xxx系、3xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系、8xxx系铝合金中的一种或两种以上组合。
20.作为更优选，所述铝合金选自zl101、zl305、zl205a、zl401铸造铝合金中的一种或两种以上组合，和aa2014、aa3003、aa4032、aa5083、aa6061、aa7075变形铝合金中的一种或两种以上组合。
21.作为优选，所述表面活性元素的质量含量为0.01％-0.5％，优选0.05％-0.2％。加
100h。低温热处理过程中，增强体-基体界面处的溶质过饱和过渡层中会析出纳米级析出相，这些纳米析出相能够有效地阻碍位错运动，从而有效地强化过渡带，使过渡带不再是复合材料中最薄弱的位置，提升复合材料的整体性能。
32.本发明的原理可以归纳为：从增强体材料本身，表面活性元素和热处理三个方面同时提升增强体-基体界面的润湿性和相容性，改善增强体-基体的界面微观结构。首先，本发明选择的多主元合金颗粒本身即具有一定的变形能力，且由于多主元合金增强体颗粒中存在大量在铝中具有高固溶度或高扩散能力的元素，因此增强体与基体天然具有界面结合特性，界面的润湿性和相容性良好。进一步地，通过表面活性元素进一步提升增强体颗粒和基体界面的润湿性。再次，在高温热处理过程中，增强体和基体之间通过界面进行双向的元素扩散，通过合理调控高温热处理的温度和时间，在增强体颗粒和基体之间形成溶质过饱和的过渡带，由于此过渡带的成分仍然处于多主元合金的成分范围内，因此避免脆性金属间化合物的形成。最后，在低温热处理过程中，过渡带中析出纳米级析出物，从而提高增强体-基体界面抵抗变形和破坏的能力。通过以上措施，极大地提升增强体和基体界面之间的润湿性和相容性，缓解界面的应力集中，并强化界面，从而提升复合材料整体的强韧性。
33.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
34.1、本发明选用的多主元合金颗粒增强体的组成元素为铝合金中的常见元素，这些元素在铝中具有高的固溶度或者良好的扩散能力，从根本上保证增强体颗粒-铝基体界面的润湿性和相容性。
35.2、在复合材料制备过程中添加表面活性元素，从而进一步改变增强体颗粒-铝基体界面的润湿性。
36.3、通过热处理使得增强体颗粒-基体界面处形成溶质过饱和的过渡带，随后通过低温热处理在过渡带中析出纳米级析出物，缓解增强体颗粒-铝基体界面的应力集中，同时强化界面。
37.4、本发明制备的含铝多主元合金颗粒增强铝基复合材料在保证高的强度和硬度的同时还具有良好的塑性。
38.5、本发明提供的含铝多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法可操作性强，效率高。
具体实施方式
39.下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
40.实施例1：allimg
0.5
scti
1.5
多主元合金颗粒增强zl101基复合材料，不添加表面活性元素，也不热处理
41.本实施例所用增强体颗粒为al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金，基体材料为zl101铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：硅：7％，镁0.35％，钛：0.1％，其余为铝。具体实施步骤如下：
42.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、镁粉、镁锂中间合金、铝锂中间合金、钪粉和钛粉。由于li元素非常活泼，因此本发明使用镁锂中间合金、铝锂中间合金。使用质量分数为3％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为10：1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈
钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行球磨，转速为500r/min，每球磨25min，间歇10min。总球磨时间为30h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为45μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为300℃。
43.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl101合金锭，然后将熔体温度调整为710℃，按照熔体质量0.5％和0.4％的比例加入al-5ti-1 b和al-10sr中间合金，对基体合金进行细化和变质处理。然后按照质量分数为5％的比例，将预热后的al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金压入熔体底部，并以400r/min的转速搅拌10min。随后，将熔体静置10min后，将熔体温度调整至700℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
44.将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭空冷至室温，然后采用单轴拉伸实验确定复合材料的强度和延伸率，实验表明，复合材料的抗拉强度为220.4mpa，延伸率为2.3％。
45.实施例2：allimg
0.5
scti
1.5
多主元合金颗粒增强zl101基复合材料，添加表面活性元素，不热处理
46.本实施例所用增强体颗粒为al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金，基体材料为zl101铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：硅：7％，镁0.35％，钛：0.1％，其余为铝，表面活性元素为ca元素，具体实施步骤如下：
47.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、镁粉、镁锂中间合金、铝锂中间合金、钪粉和钛粉。由于li元素非常活泼，因此本发明使用镁锂中间合金、铝锂中间合金。使用质量分数为3％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为10:1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行球磨，转速为500r/min，每球磨25min，间歇10min。总球磨时间为30h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为90μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为300℃。
48.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl101合金锭，然后将熔体温度调整为710℃，按照熔体质量0.5％和0.4％的比例加入al-5ti-1 b和al-10sr中间合金，对基体合金进行细化和变质处理。随后按照ca的目标含量为0.1％的比例加入al-10ca中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得ca在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为5％的比例，将预热后的al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金压入熔体底部，并以400r/min的转速搅拌10min。随后，将熔体静置10min后，将熔体温度调整至700℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
49.将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭空冷至室温，然后采用单轴拉伸实验确定复合材料的强度和延伸率，实验表明，复合材料的抗拉强度为252.7mpa，延伸率为6.3％。
50.实施例3：allimg
0.5
scti
1.5
多主元合金颗粒增强zl101基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
51.本实施例所用增强体颗粒为al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金，基体材料为zl101铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：硅：7％，镁0.35％，钛：0.1％，其余为
铝，表面活性元素为ca元素，具体实施步骤如下：
52.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、镁粉、镁锂中间合金、铝锂中间合金、钪粉和钛粉。由于li元素非常活泼，因此本发明使用镁锂中间合金、铝锂中间合金。使用质量分数为3％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为10:1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行球磨，转速为500r/min，每球磨25min，间歇10min。总球磨时间为30h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为38μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为300℃。
53.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl101合金锭，然后将熔体温度调整为710℃，按照熔体质量0.5％和0.4％的比例加入al-5ti-1 b和al-10sr中间合金，对基体合金进行细化和变质处理。随后按照ca的目标含量为0.1％的比例加入al-10ca中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得ca在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为5％的比例，将预热后的al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
多主元合金压入熔体底部，并以400r/min的转速搅拌10min。随后，将熔体静置10min后，将熔体温度调整至700℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
54.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在535℃下保温10h后，水冷至室温，然后在175℃下保温3h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为297.6mpa，延伸率为6.1％。
55.实施例4：allimgznsn多主元合金颗粒增强zl305基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
56.本实施例所用增强体颗粒为allimgznsn多主元合金，基体材料为zl305铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：镁：8％，锌1.2％，钛：0.15％，其余为铝，表面活性元素为sr元素，具体实施步骤如下：
57.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、镁粉、镁锂中间合金、铝锂中间合金、锌粉和锡粉。由于li元素非常活泼，因此本发明使用镁锂中间合金、铝锂中间合金。使用质量分数为3.5％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为9:1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行球磨，转速为600r/min，每球磨20min，间歇15min。总球磨时间为30h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为53μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为320℃。
58.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl305合金锭，然后将熔体温度调整为680℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照sr的目标含量为0.05％的比例加入al-10sr中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得sr在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为10％的比例，将预热后的allimgznsn多主元合金压入熔体底部，并以500r/min的转速搅拌15min。随后，将熔体静置5min后，将熔体温度调整至660℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
59.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在450℃下保温12h
后，空冷至室温，然后在150℃下保温4h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为340mpa，延伸率为14％。
60.实施例5：al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1多主元合金颗粒增强zl205a基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
61.本实施例所用增强体颗粒为al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1多主元合金，基体材料为zl205a铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：铜：5.1％，锰0.4％，钛：0.28％，镉：0.19％，锆：0.11％，其余为铝，表面活性元素为sr元素，具体实施步骤如下：
62.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、纯镁、纯锌、铝铜和铝硅中间合金，用中频感应炉熔炼得到al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1多组元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为60μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为350℃。
63.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl205a合金锭，然后将熔体温度调整为730℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照sr的目标含量为0.3％的比例加入al-10sr中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得sr在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为15％的比例，将预热后的al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1多主元合金颗粒压入熔体底部，并以600r/min的转速搅拌10min。随后，将熔体静置10min后，将熔体温度调整至720℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
64.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在530℃下保温15h后，空冷至室温，然后在155℃下保温8h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为603mpa，延伸率为6.5％。
65.实施例6：mg
50
(mnalzncu)
50
多主元合金颗粒增强zl401基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
66.本实施例所用增强体颗粒为mg
50
(mnalzncu)
50
多主元合金，基体材料为zl401铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：硅：7.2％，镁：0.2％，锌：12.3％，钛：0.15％，其余为铝，表面活性元素为be元素，具体实施步骤如下：
67.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、镁粉、锌粉、铜粉和锰粉。使用质量分数为3％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为10:1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行简写球磨，转速为550r/min，每球磨30min，间歇15min。总球磨时间为35h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为48μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为350℃。
68.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化zl401合金锭，然后将熔体温度调整为730℃，按照熔体质量0.5％和0.4％的比例分别加入al-5ti-1 b和al-10sr中间合金，对基体合金进行细化和变质处理。随后按照be的目标含量为0.15％的比例加入al-3be中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得be在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为20％的比例，将预热后的mg
50
(mnalzncu)
50
多主元合金压入熔体底部，并以550r/min的转速搅拌15min。随后，将熔体静置15min后，将熔体温度调整至710℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得
复合材料铸锭。
69.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在550℃下保温6h后，空冷至室温，然后在120℃下保温3h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为310mpa，延伸率为2.4％。
70.实施例7：alcrtiv多主元合金颗粒增强aa2014基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
71.本实施例所用增强体颗粒为alcrtiv多主元合金，基体材料为aa2014铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：镁：0.62％，铜：4.4％，钛：0.15％，硅：0.96％，锰：0.8％，其余为铝，表面活性元素为la元素，具体实施步骤如下：
72.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、铝铬、铝钛、铝钒中间合金，用中频感应炉熔炼得到alcrtiv多主元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为27μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为450℃。
73.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa2014合金锭，然后将熔体温度调整为730℃，随后按照la的目标含量为0.12％的比例加入al-10la中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得la在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为15％的比例，将预热后的alcrtiv多主元合金压入熔体底部，并以520r/min的转速搅拌15min。将熔体静置15min后，熔体温度调整至690℃。使用挤压铸造方法实现复合材料铸锭的成形，将熔体浇铸至金属型模具中，然后使用液压机对熔体施加70mpa的压力，保压60s后即得复合材料铸锭。
74.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在502℃下保温24h后，空冷至室温，然后在170℃下保温10h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为520mpa，延伸率为9.8％。
75.实施例8：alfecucrmg
1.7
多主元合金颗粒增强aa3003基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
76.本实施例所用增强体颗粒为alfecucrmg
1.7
多主元合金，基体材料为aa3003铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：锰：1.3％，铜：0.17％，铁：0.7％，硅：0.6％，锌：0.1％，钛：0.15％，其余为铝，表面活性元素为ce元素，具体实施步骤如下：
77.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取铝粉、铬粉、铁粉、铜粉、镁粉。使用质量分数为3.5％的硬脂酸作为该过程控制剂。球磨介质采用不锈钢球，球料比为8:1。将称量好的合金粉末、球磨介质和过程控制剂倒入不锈钢磨罐中混合均匀，密封好后充入高纯氩气。然后使用行星式球磨机进行简写球磨，转速为530r/min，每球磨30min，间歇15min。总球磨时间为35h。然后使用标准目数的筛子筛分得到平均粒径为23μm的多主元合金颗粒既得所需的增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为375℃。
78.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa3003合金锭，然后将熔体温度调整为750℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照ce的目标含量为0.21％的比例加入al-20ce中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得ce在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为25％的比例，将预热后的alfecucrmg
1.7
多主元
合金压入熔体底部，并以550r/min的转速搅拌20min。随后，将熔体静置15min，并调整熔体温度至710℃。将熔体浇铸至液压机中的金属型模具内，然后采用150mpa的压力对合金熔体进行挤压铸造，保压50s后即得复合材料铸锭。
79.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在600℃下保温2h后，空冷至室温，然后在180℃下保温3h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为150mpa，延伸率为20.8％。
80.实施例9：alcrfemnti
0.25
多主元合金颗粒增强aa4032基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
81.本实施例所用增强体颗粒为alcrfemnti
0.25
多主元合金，基体材料为aa4032铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：硅：12.8％，铁：0.8％，铜：0.9％，镁：1.1％，镍：0.6％，其余为铝，表面活性元素为sc元素，具体实施步骤如下：
82.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、铝铬、铝铁、铝锰、铝钛中间合金，用中频感应炉熔炼得到alcrfemnti
0.25
多主元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为13μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为470℃。
83.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa4032合金锭，然后将熔体温度调整为730℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照sc的目标含量为0.5％的比例加入al-2sc中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得sc在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为29％的比例，将预热后的alcrfemnti
0.25
多主元合金压入熔体底部，并以540r/min的转速搅拌35min。随后，将熔体静置15min后，调整熔体温度至690℃，将熔体浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
84.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在515℃下保温10h后，空冷至室温，然后在180℃下保温3.5h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为382.7mpa，延伸率为8.4％。
85.实施例10：al8cu3mnnisi4zn3多主元合金颗粒增强aa5083基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
86.本实施例所用增强体颗粒为al8cu3mnnisi4zn3多主元合金，基体材料为aa5083铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：镁：4.6％，锌0.1％，钛：0.12％，，锰：0.6％，硅：0.2％，铬：0.2％，其余为铝，表面活性元素为gd元素，具体实施步骤如下：
87.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、铝铜、铝锰、铝镍、铝硅中间合金，用中频感应炉熔炼得到al8cu3mnnisi4zn3多主元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为21μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为420℃。
88.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa5083合金锭，然后将熔体温度调整为690℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照gd的目标含量为0.15％的比例加入al-10gd中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得gd在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为1％的比例，将预热后的al8cu3mnnisi4zn3多主
元合金压入熔体底部，并以505r/min的转速搅拌30min。随后，将熔体静置15min后，调整熔体温度至670℃后浇铸至金属型模具中，熔体凝固后即得复合材料铸锭。
89.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在450℃下保温20h后，空冷至室温，然后在140℃下保温3h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为400mpa，延伸率为16％。
90.实施例11：alnbtiv多主元合金颗粒增强aa6061基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
91.本实施例所用增强体颗粒为alnbtiv多主元合金，基体材料为aa6061铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：镁：1.1％，锌：0.2％，钛：0.15％，铜：0.3％，硅：0.6％，锰：0.1％，其余为铝，表面活性元素为er元素，具体实施步骤如下：
92.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、铝铌、铝钛、铝钒中间合金，用中频感应炉熔炼得到alnbtiv多主元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为33μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为460℃。
93.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa6061合金锭，然后将熔体温度调整为720℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照er的目标含量为0.15％的比例加入al-20er中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得er在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为15％的比例，将预热后的alnbtiv多主元合金压入熔体底部，并以480r/min的转速搅拌30min。随后，将熔体静置15min后，再将铝熔体冷却至500℃形成半固态浆料，然后在50mpa的压力下使浆料在金属型模具中完全凝固得到复合材料铸锭。
94.(3)热处理。将所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在530℃下保温15h后，空冷至室温，然后在180℃下保温3h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为341mpa，延伸率为11％。
95.实施例12：(cocrni)
20
al
80
多主元合金颗粒增强aa7075基复合材料，添加表面活性元素，并热处理
96.本实施例所用增强体颗粒为(cocrni)
20
al
80
多主元合金，基体材料为aa7075铝合金，基体材料的具体成分按照重量百分比分别为：镁：2.6％，锌：5.7％，钛：0.13％，铜：1.6％，硅：0.2％，锰：0.2％，铬：0.21％，其余为铝，表面活性元素为sr元素，具体实施步骤如下：
97.(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理。按照所需多主元合金的名义成分，称取适量纯铝、铝钴、铝铬、铝镍中间合金，用中频感应炉熔炼得到(cocrni)
20
al
80
多主元合金铸锭。然后以此多组元合金铸锭为原料，采用真空气雾法制备出平均粒径为38μm的多主元合金增强体颗粒。随后，按照复合材料的配比称取所需重量的多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，预热温度为450℃。
98.(2)搅拌铸造。使用坩埚电阻炉熔化aa7075合金锭，然后将熔体温度调整为720℃，按照熔体质量0.5％的比例加入al-5ti-1 b中间合金，对基体合金进行细化处理。随后按照sr的目标含量为0.13％的比例加入al-10sr中间合金，待其完全熔化后，缓慢搅动熔体使得
sr在熔体中均匀分布，然后按照质量分数为16％的比例，将预热后的(cocrni)
20
al
80
多主元合金压入熔体底部，并以510r/min的转速搅拌35min。随后，将熔体静置15min后，将熔体温度调整至700℃后浇铸至金属型模具中，然后在50mpa的压力下使熔体完全凝固，即得复合材料铸锭。
99.(3)热处理。将浇铸所得的多主元合金颗粒增强铝基复合材料铸锭在470℃下保温24h后，空冷至室温，然后在150℃下保温12h，随后空冷至室温。拉伸实验表明，复合材料的抗拉强度为658mpa，延伸率为9.3％。
100.以上实施例1-12所得铝基复合材料的力学性能如表1所示：
101.表1：实施例中所涉及的铝基复合材料的力学性能
[0102][0103][0104]
从实施例1-3和表1可知，添加表面活性元素能够同时提升复合材料的强度和塑性，而经过后续的高温和低温热处理后，复合材料能够在保持塑性不降低的前提下，进一步大幅度提升强度，从实施例3-12和表1可知，本发明所述的方法对于不同类别的多主元合金和铝合金基体材料均具有良好的适用性。
[0105]
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，包括增强体和基体；所述增强体为多主元合金颗粒，质量含量为0.1％-30％，组成元素包含铝元素、或在铝中具有高固溶度或高扩散能力的元素，选自albefesiti系、alcrfemnti系、alcrtiv系、mg
x
(mnalzncu)
100-x
系、almgzncusi系、allimgzncu系、allimgznsn系、allimgscti系、alnbtiv系、alfemgtizn系、allimgcasi系、alcucrfesi系、alcacunisiti系、alfecucrmg系、alcumnniznsi系高熵合金和(cocrni)
100-x
al
x
系熵合金中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％；所述基体为铝合金，质量含量为70％-99.9％，选自铸造铝合金和/或变形铝合金；还包括表面活性元素，选自be、sr、ca以及稀土元素la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的一种或两种以上组合。2.根据权利要求1所述的多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述多主元合金选自al
20
be
20
fe
10
si
15
ti
35
合金、al2crfemnti合金、alcrtiv合金、mg
20
(mnalzncu)
80
合金、al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1合金、alli
0.5
mgzn
0.5
cu
0.5
合金、allimgznsn合金、al
20
li
20
mg
10
sc
20
ti
30
合金、alnbtiv合金、alfemgtizn合金、al
15
li
35
mg
48
ca1si1合金、al
40
cu
15
cr
15
fe
15
si
15
合金、al
50
ca5cu5ni
10
si
20
ti
10
合金、alfecucrmg
1.7
合金、al8cu3mnnisi4zn3合金和(cocrni)
l00-x
al
x
系熵合金中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％。3.根据权利要求1所述的多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述多主元合金选自allimgscti系、allimgznsn系、almgzncusi系、mg
x
(mnalzncu)
100-x
系、alcrtiv系、alfecucrmg系、alcrfemnti系、alcumnniznsi系、alnbtiv系、(cocrni)
l00-x
al
x
系中的一种或两种以上合金组合，其中x＝0-30％。4.根据权利要求3所述的多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述多主元合金选自allimg
0.5
scti
1.5
合金、allimgznsn合金、al
63
mg
27
zn
4.5
cu
4.5
si1合金、mg
50
(mnalzncu)
50
合金、alcrtiv合金、alfecucrmg
1.7
合金、alcrfemnti
0.25
合金、al8cu3mnnisi4zn3合金、alnbtiv合金、(cocrni)
20
al
80
合金中的一种或两种以上合金组合。5.根据权利要求1所述的多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铸造铝合金选自al-si系、al-cu系、al-mg系、al-zn系、al-稀土系铝合金和铸造al-li系铝合金中的一种或两种以上组合；和/或所述变形铝合金选自1xxx系、2xxx系、3xxx系、4xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系、8xxx系铝合金中的一种或两种以上组合。6.根据权利要求1所述的多主元合金颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，所述铝合金选自zl101、zl305、zl205a、zl401铸造铝合金中的一种或两种以上组合；和/或aa2014、aa3003、aa4032、aa5083、aa6061、aa7075变形铝合金中的一种或两种以上组合。7.权利要求1-6任一项所述多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)多主元合金增强体颗粒制备和预处理：按照设计的多主元合金成分配料制备多主元合金颗粒，按照配比称取多主元合金颗粒，用铝箔包好后，进行预热处理，得到多主元合金增强体颗粒；(2)搅拌铸造：根据配比称取基体和表面活性元素中间合金，熔炼，获得基体材料的熔体，熔炼期间熔体过热度保持在20-100℃，随后以中间合金的形式加入表面活性元素，待中间合金完全熔化后，缓慢搅拌熔体以使表面活性元素在熔体中均匀分布，并加入al-5ti-1b
中间合金细化基体合金的晶粒，对于含共晶硅的基体材料加入al-sr中间合金变质共晶硅；随后将步骤(1)中所得多主元合金增强体颗粒压入基体熔体底部，并以转速为60-600r/min的速度搅拌熔体10-30min，以保证增强体颗粒在熔体中均匀分布；将熔体调整至纯液态或半固态后浇铸至模具中，合金常压凝固或高压凝固，得到复合材料铸锭；(3)热处理：对步骤(2)中所得复合材料铸锭进行高温热处理，高温热处理温度为基体材料的固相线温度以下5-50℃，高温热处理时间为4-50h，在增强体颗粒和基体之间形成一层溶质过饱和过渡层；随后进行低温热处理，低温热处理的温度为100-200℃，低温热处理的时间为4-100h，即得多主元合金颗粒增强铝基复合材料。8.根据权利要求7所述多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用雾化法、机械合金化、旋转电极法或球化法制备多主元合金颗粒，筛分，得到粒径为10-100微米的多主元合金颗粒。9.根据权利要求7所述多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，浇铸前熔体温度调整至液相线温度上下80℃内，熔体凝固时的压力控制在0-150mpa，保压时间为1-180s。10.根据权利要求7所述多主元合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，高温热处理温度为基体材料的固相线温度以下10-30℃，高温热处理时间为10-50h；低温热处理的温度为120-180℃，低温热处理的时间为10-100h。

技术总结
本发明公开了一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，增强体为多主元合金颗粒，质量含量为0.1％-30％，组成元素包含铝元素或在铝中具有高固溶度或高扩散能力的元素；基体选自铸造铝合金和/或变形铝合金，质量含量为70％-99.9％，还加入表面活性元素，通过多主元合金增强体颗粒制备和预处理、搅拌铸造和热处理等步骤制备得到。本发明中含有铝元素或在铝中具有较高固溶度或扩散能力的元素，表面活性元素可以提高增强体和基体界面之间的润湿性和相容性，高温热处理在增强体和基体界面处形成溶质过饱和的过渡层，低温热处理在过渡层中析出纳米析出物，强化增强体和基体界面，提高复合材料强度的同时使材料保持良好的塑性。塑性。


技术研发人员：王渠东 雷川 蔡会生 胡经纬
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/21