專利名稱：鋁合金復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高的強(qiáng)度、硬度和良好延展性的鋁合金材料。該材料是鋁-鋰合金為基帶有強(qiáng)化物的復(fù)合材料，借助噴涂沉積而形成。
為發(fā)展應(yīng)用于航空(航天)領(lǐng)域的高硬度鋁基合金，人們已經(jīng)作了很大的努力。獲得這種材料的嘗試已經(jīng)集中于發(fā)展傳統(tǒng)的鑄錠鑄造技術(shù)來生產(chǎn)含鋰量達(dá)3%(重量)的鋁合金。這種合金的彈性模量改善了約10%(達(dá)約80GPa)，同時(shí)密度降低了約10%(達(dá)約2.54Mg/m3)。眾所周知，Al-Li合金的延展性很差。事實(shí)上，脆性問題使用鑄造冶金法生產(chǎn)的鋁合金中的鋰含量被限制在大約3%(重量)。其它可選擇的生產(chǎn)途徑，如粉末冶金法，由于其所需的加工費(fèi)用較昂貴，故很少被人注意。
第二種可獲得這種具有良好的強(qiáng)度/硬度與重量之比的材料的途徑是制備金屬基復(fù)合材料。這類材料與AL-Li合金相比對于彈性模量的提高有更大的潛力(可達(dá)150GPa以上)。這類材料的發(fā)展已主要集中在生產(chǎn)含須或纖維的強(qiáng)化合金上。這類方法要求有復(fù)雜的工藝路線，若再考慮到原材料的價(jià)格昂貴問題，既便其在彈性模量上有很大的改善，但還是帶來了巨大的成本負(fù)擔(dān)。高長度/直徑比的強(qiáng)化物的使用還可導(dǎo)致顯著的各向異性。近來，更多的注意力被吸引到顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料上來。雖然，比較地講，其在彈性模量上的改進(jìn)只屬中等，但它具有各向同性。這類金屬基復(fù)合材料的生產(chǎn)方法已有多種，報(bào)導(dǎo)最多的是粉末混合法。眾所周知，在鋁合金中加入強(qiáng)化物不僅能增加彈性模量，而且會(huì)降低延展性。加入10%(體積)的顆粒狀強(qiáng)化物，一般地講，會(huì)使鋁合金的延展性降至原有數(shù)值的25%左右。因此，通常金屬基復(fù)合材料的延展性較低，不適于用在對延展性要求較高的場合。
例如，D.Webster(冶金文摘1982年第13A卷，第1511頁-Met.Trans.，13A，P1511，1982)借助粉末冶金技術(shù)制備了用SiC須強(qiáng)化的Al-Li(合金)基復(fù)合材料。但除一例外，所有實(shí)例均被報(bào)導(dǎo)說是脆性的，而且在達(dá)到0.2%拉伸屈服強(qiáng)度(σ0.2)之前就發(fā)生斷裂。例外的一例(未說明其延展性)是以低強(qiáng)度二元Al-Li合金為基的。
EP-45622A是關(guān)于經(jīng)機(jī)械合金化的彌散強(qiáng)化鋁-鋰合金。彌散體的尺寸為亞微米級且是于現(xiàn)場形成。
VonBradskyG.等在《材料科學(xué)雜志》(JournalofMaterialsScience)1987年第22期，1469～1476頁闡述了一種借助氣體霧化生產(chǎn)10微米以下的Al-Li合金速固化粉末的方法。
用噴鑄的方法制備金屬沉積產(chǎn)品(如鋁)的方法在一系列專利中均有描述，其中以GB-1379261和GB-1472939最有代表性。該技術(shù)包括通過將融熔金屬流霧化以形成熱金屬粒子霧;將顆粒霧噴到模體上以便在其上形成所需要的沉積層;確定氣體的溫度和流速以便在(金屬粒子)飛行及沉積期間從霧化的金屬顆粒中吸收足夠的、可以控制的熱量，由此，使沉積物的固化不依賴于模體的溫度和/或模體的熱性能。融熔金屬滴的平均直徑超過10微米，一般為50～200微米。用這種方法得到的沉積層基本上是非顆粒性的，無偏折，致密程度超過95%，且具有基本上是均勻分布的封閉內(nèi)核(closedinternalpore)結(jié)構(gòu)。
英國專利說明書2172825和2172827描述了噴鑄技術(shù)在制造金屬基復(fù)合材料上的使用。
本發(fā)明是建立于幾個(gè)令人感興趣的發(fā)現(xiàn)之上。首先，已知的噴鑄技術(shù)可以用于Al-Li合金，這種材料的生產(chǎn)非常容易。該合金并不像原先所預(yù)料的那樣會(huì)在噴鑄過程中堵塞噴咀。其次，在噴鑄材料中加入強(qiáng)化物不但增加硬度而且還使沉積物獲得了顯著的機(jī)加工延展性，(一般情況下，加入10%(體積)的強(qiáng)化物顆粒至少可使產(chǎn)品的延展性比沒有強(qiáng)化物的合金提高0.5倍)。再者，用噴涂沉積生產(chǎn)的鑄錠沒有表現(xiàn)出由殘余應(yīng)力引起開裂的跡象。由于這種開裂是傳統(tǒng)技術(shù)鑄造的Al-Li鑄錠存在的主要問題，因而，這種效果就特別令人感興趣(見JournaldePhysique，Colloq.C3，9增刊，48卷，1987年9月，第26頁，P.E.Bretz的報(bào)告，及GB-1605035。后者指出傳統(tǒng)噴鑄工藝會(huì)在最外側(cè)的金屬沉積層中產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，而這種殘余應(yīng)力容易引起沉積層的開裂或基體的變形)。
本發(fā)明提供了一種通過噴鑄方法生產(chǎn)的由Al-Li合金基體和強(qiáng)化物所構(gòu)成的金屬基復(fù)合物，它經(jīng)擠壓和時(shí)效硬化處理后，具有下述性質(zhì)0.2%屈服強(qiáng)度-≥400MPa拉伸強(qiáng)度-≥440MPa延伸率-≥2.0%彈性模量-≥85GPa密度-≤2.75Mg/m3(噸/立方米)
本發(fā)明包括鑄態(tài)復(fù)合材料，(可能有一定程度的疏松)，以及由此所生產(chǎn)出的所有產(chǎn)品，包括鍛件，擠壓件，鑄件，軋制產(chǎn)品(片和板)及管材。上述性質(zhì)是對經(jīng)擠壓和時(shí)效硬化處理的材料而言?？梢哉J(rèn)識到，本發(fā)明還包括那些不必具有這些性質(zhì)的產(chǎn)品，但對于這些產(chǎn)品，上述性質(zhì)可通過擠壓和時(shí)效硬化處理而得到。
該金屬基復(fù)合物可含陶瓷強(qiáng)化物1-50%(體積)，一般為5%～30%(體積)，最好為10～15%(體積)。如果強(qiáng)化物含量太低，復(fù)合材料將不具備要求的彈性模量。如果強(qiáng)化物含量太高，則復(fù)合材料就可能不具有要求的延展性。
強(qiáng)化物最好是粒狀的，其縱橫比不超過5∶1。顆粒平均直徑可以在1～100微米范圍內(nèi)，一般為5～40微米，最好為5～15微米。強(qiáng)化物也可以是連續(xù)的或不連續(xù)的纖維，或須或絲(staple)，其平均(纖維)直徑通常是0.1～500微米，最好是1～50微米。但顆粒強(qiáng)化物最好，因?yàn)轭w粒材料比其它形式的材料更為便宜，且能得到性能優(yōu)良的各向同性復(fù)合材料。
選擇的強(qiáng)化物應(yīng)具有比基體合金更高的模量，其可以是高彈性模量的碳化物，氧化物，硼化物或氮化物，如碳化硅、氧化鋁或碳化硼。這些用于金屬基復(fù)合材料的陶瓷強(qiáng)化物在本領(lǐng)域是為人熟知的。
該金屬基體中鋰的含量可達(dá)10%(重量)，含量一般是1.0～3.0%(重量)。盡管鋰確能提高合金的強(qiáng)度，但它的主要作用是降低密度?？紤]到還有其它合金成分和陶瓷強(qiáng)化物，因此需要足夠的鋰以保持(完全致密的)復(fù)合物的密度低于2.75Mg/m3，當(dāng)所用的鋰量較多時(shí)，需要注意復(fù)合物的配比以獲得所需的延展性。
金屬基體可含其它組份，如傳統(tǒng)的Al-Li合金中所含的那些組份，見下所示(重量%)銅≤5.0，最好1.0～2.2%鎂≤10.0最好0.5～1.3%鋯≤0.20最好0.04～0.16%鐵≤0.5%硅≤0.5%鋅≤5.0%鈦≤0.5%錳≤0.5%鉻≤0.5%其它各種元素均≤0.5%其它各種元素的總量≤1.0%為獲得期望的強(qiáng)度性能，須(向基體)加入Cu、Mg和Zr中的至少一種，最好加入三種。
本發(fā)明的金屬基復(fù)合物可借助英國專利說明書2172825和2172827所述的噴鑄技術(shù)來制備。一般地講，這種技術(shù)包括下列步驟通過將熔融合金(流)引入到相對較冷的氣體(其射向熔融合金流)中使熔融Al-Li合金流霧化，形成熱金屬顆粒霧;將細(xì)小的強(qiáng)化物固體顆粒置于熔融合金流或霧中;以及沉積含有細(xì)顆粒的金屬流或霧。在實(shí)施中，強(qiáng)化物可于室溫下注入或于噴涂金屬的過熱溫度以下(的溫度)注入，并可于多個(gè)區(qū)段向熔融金屬中送料。然而，最好是在熔融金屬開始分化形成霧之前或就在其之后將強(qiáng)化物加入到所謂“霧化區(qū)”?。雾化气体可以收埐或氮，其温秳耜J９嬗κ鞘椅攏謔凳┲芯Ｊ塹陀謁繽康腁l-Li合金之熔點(diǎn)的某一溫度。如果需要，強(qiáng)化物可以由霧化氣體攜帶或由氣體的一支分流攜帶，或者借助重力或震動(dòng)被注入到霧化區(qū)中。
最終的沉積金屬基復(fù)合物可經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)的金屬成型技術(shù)處理，如機(jī)加工、鍛造、擠壓、軋制和鑄造，并可按需要加熱并加工以產(chǎn)生所需要的性能。在擠壓及時(shí)效硬化狀態(tài)下，該復(fù)合物具有下述性能(a)0.2%屈服強(qiáng)度≥400MPa，最好≥440MPa，極限抗拉強(qiáng)度≥440MPa，最好≥480MPa，這些性質(zhì)主要是通過采用本領(lǐng)域熟知的技術(shù)對金屬基體中的鋰和其它合金組分的濃度進(jìn)行控制而獲得。
(b)彈性模量≥85GPa，最好≥93GPa，這一性能主要是通過采用本領(lǐng)域熟知的方法對強(qiáng)化物的性質(zhì)、形態(tài)和成分進(jìn)行選擇而獲得。
(c)密度≤2.75Mg/m3，最好≤2.70Mg/m3。這一點(diǎn)是由控制合金中的鋰含量而獲得。
(d)至斷裂的延伸率≥2.0%，最好≥2.3%。令人吃驚的是，這一性質(zhì)是由于所用的(形成復(fù)合物的)噴鑄技術(shù)而產(chǎn)生。
實(shí)施例1噴鑄設(shè)備購自O(shè)spreyMetals，Neath并在Alcan國際有限公司的Banbury實(shí)驗(yàn)室得到進(jìn)一步改進(jìn)。該設(shè)備包括1個(gè)4.5mm內(nèi)徑的耐熱氧化物噴咀，用來借助重力輸送熔融金屬流。圍繞著噴咀的是帶有小孔的第一氣體噴咀，用以引入第一輔助氣體流，該氣流平行且圍繞著金屬流，將熔融金屬圍罩在其中。圍繞著第一氣體噴咀的是第二氣體噴咀，其具有多個(gè)噴孔，用來將第二霧化氣體流引入熔融金屬流中。第二氣體流在噴咀下方h處與熔融金屬接觸，并將其霧化成金屬顆粒霧。
第二霧化氣體流限定了一個(gè)高度為h，半徑等于金屬流到(氣體)噴咀的距離的圓錐。由運(yùn)載氣體攜帶的強(qiáng)化物顆粒，經(jīng)一管子引入到該圓錐中。
噴涂的熔融金屬有下列組分(重量百分比)Li-2.3;Cu-1.08;Mg-0.50;Zr-0.12;Fe-0.08;Si-0.04;Al為余量。此成分是鋁協(xié)會(huì)合訂年鑒(AluminumAssociationInc.Register)中合金8090限定成分范圍的下限。所用的陶瓷強(qiáng)化物是碳化硅粒料(F600，Sika3級)，平均直徑為13微米。熔化噴霧的溫度為700～705℃。所用的霧化氣是氮?dú)猓谝粴怏w的壓力為0.3MPa，第二氣體的壓力為0.6MPa。一次持續(xù)大約80秒的噴霧沉積操作將產(chǎn)生重8.3Kg的沉積物。
沉積物經(jīng)機(jī)加工成直徑80毫米，長228毫米的擠壓坯料。通過緩慢加熱坯錠至540℃并保溫24小時(shí)以實(shí)現(xiàn)均勻化。按大約20∶1的擠壓比進(jìn)行拉拔(擠壓)，得到直徑為18毫米的圓棒。將所得的棒于535℃在空氣爐中進(jìn)行15分鐘的固溶處理，然后用冷水
火。棒在時(shí)效前拉長2%，然后于150℃下進(jìn)行40小時(shí)的時(shí)效處理。這一處理可獲得近于最好的性能。
噴涂后的沉積物中，碳化硅是均勻分布的。所形成的相均勻分布在整個(gè)基體中而不是集中伴生在基體和碳化硅的界面上。相分布與傳統(tǒng)的鑄造8090合金相比明顯改善。對于產(chǎn)品晶粒尺寸的觀察證實(shí)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了細(xì)化，其尺寸大約為50微米。
均勻化處理是成功的，其結(jié)果導(dǎo)致了除含鐵金屬間化合物外的所有生成相發(fā)生溶解。復(fù)合物中的碳化硅的總體積分?jǐn)?shù)是11.8%。
在擠壓棒中，碳化硅是均勻分布的，然而，擠壓過程會(huì)導(dǎo)致顆粒沿?cái)D壓方向形成直線排列。在初生錠中所觀察到的疏松在擠壓過程中發(fā)生閉合，而在擠壓過程中出現(xiàn)的附加沉淀物也能夠在固溶熱處理中被很容易地溶解掉。
在經(jīng)過固溶、冷水
火、拉伸和150℃時(shí)效40小時(shí)的處理后，擠壓棒的機(jī)械性能如下(根據(jù)帶有40毫米標(biāo)距的試樣所得的結(jié)果)0.2%屈服強(qiáng)度-486MPa拉伸強(qiáng)度-529MPa延伸率-2.6%彈性模量-100.1GPa密度 -2.62Mg/m3(噸/立方米)不論所研究的材料本質(zhì)如何，該復(fù)合物的一般性能要比傳統(tǒng)的鑄造和擠壓(非強(qiáng)化)的8090合金為好，主要區(qū)別在于彈性模量的顯著增大。其彈性模量比常規(guī)鋁合金的增加30%以上，硬度/密度比增加了大約50%，且在獲得這些性質(zhì)的同時(shí)并未過多地?fù)p失其延展性。用碳化硅須和氧化鋁作為Al-Li合金的強(qiáng)化物可使產(chǎn)品具有高的彈性模量，但延展性和斷裂韌性很差。
可以預(yù)料，向上述Al-Li合金添加更高比例的碳化硅(或其它強(qiáng)化物)會(huì)導(dǎo)致彈性模量的進(jìn)一步改善，但這是以延展性的稍微降低為代價(jià)的。
實(shí)施例2用類似于實(shí)施例1的方法所生產(chǎn)的擠壓產(chǎn)品，其進(jìn)一步的機(jī)械性能被測定。所有這些(性能)均與時(shí)效前的拉伸量有關(guān)，并涉及拉伸量對該產(chǎn)品性能的影響。
(時(shí)效前的)拉伸程度0.2%屈服程度拉伸程度延伸率(MPa)(MPa)(%)(GPa)0%451.2508.42.794.42%499.4539.83.195.25%518.8555.93.495.6上述性能表明該材料的強(qiáng)度較初始情況有所改善，延展性也更高。所用的合金成分為(重量百分比)2.43-Li1.12-Cu0.61-Mg0.15-Zr0.036-Ti0.06-Fe0.06-Si余量-Al實(shí)施例3對Al-Li合金來說，與SiC相比，碳化硼B(yǎng)4C可能是潛在的更好的強(qiáng)化物?？梢灶A(yù)料，將B4C而不是SiC加入到Al-Li合金中可導(dǎo)致類似的彈性模量和機(jī)械性能，但由于該強(qiáng)化物的密度較低(B4C為2.5克/立方厘米，SiC為3.2克/立方厘米)，因此會(huì)使最終復(fù)合物的密度減少到將近2.52克/立方厘米。
B4C被加入到Al-Li合金中。所用的合金其成分是在8090合金的規(guī)定范圍內(nèi)。該強(qiáng)化物是購自西德ESK，為F600級粒狀體，與前述實(shí)施例所用的SiC相比其具有更好的等軸結(jié)構(gòu)。
在加入前，將B4C在190℃干燥24小時(shí)。使用的熔化噴涂溫度是748℃。霧化氣體是N2，第一氣體壓力為0.17MPa，第二氣體壓力為6.09MPa。噴涂大約115秒，形成的沉積物重7.8公斤。沉積物的尺寸近似為直徑140毫米，長200毫米。B4C的含量為6.7%(體積)。
權(quán)利要求
1.一種用噴涂沉積方法生產(chǎn)的金屬基復(fù)合物包括Al-Li合金基體和強(qiáng)化物，其在擠壓和時(shí)效硬化狀態(tài)下具有下列性質(zhì)0.2%屈服強(qiáng)度≥400MPa拉伸強(qiáng)度≥440MPa延伸率 ≥2.0%彈性模量≥85GPa密度 ≤2.75Mg/m3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合物，其中含5～30%(體積)的強(qiáng)化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的復(fù)合物，其中強(qiáng)化物是平均直徑為5～40微米的顆粒體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)的復(fù)合物，其中所說的強(qiáng)化物是碳化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)的復(fù)合物，其中所說的強(qiáng)化物是碳化硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)的復(fù)合物，其中金屬基中的鋰含量為1～3%(重量)
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)的復(fù)合物，其中合金基體還含有下列成份之一種或多種1.0～2.2%的銅;0.5～1.3%的鎂;0.04～0.16%的鋯(以上均為重量百分比)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的復(fù)合物，其制備方法包括通過將熔融金屬流置于相對冷的并指向該金屬流的氣體中，將熔融Al-Li合金流霧化以形成熱金屬顆粒霧，在金屬流或噴霧中加入細(xì)小的強(qiáng)化物固體，以及沉積上述帶有細(xì)顆粒的金屬。
全文摘要
一種金屬基復(fù)合物，可用下述方法制備通入相對冷的氣體并使其指向熔融金屬，以使熔融鋁-鋰合金流霧化并形成熱金屬顆粒霧；在金屬流或霧中加入細(xì)小的固體強(qiáng)化物顆粒，如碳化硅；沉積所說的帶有細(xì)顆粒的金屬。所得的復(fù)合物在擠壓和時(shí)效狀態(tài)下有下列性質(zhì)
文檔編號C23C4/12GK1030259SQ88104500
公開日1989年1月11日 申請日期1988年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月9日
發(fā)明者理查德·邁克爾·喬丹, 約翰·懷特, 特里維·考特尼·韋利斯 申請人:艾爾坎國際有限公司