鋁合金復合材料的制作方法
【專利說明】鍋合金復合材料
[0001] 本發明涉及具有高的強度、硬度和良好延展性的鉛合金材料。改材料是鉛-裡合 金偉基帶有強化物的復合材料，借助噴涂沉積而形成。
[0002] 為發展應用與航空（航天）領域的高硬度鉛合金，人們已經作了很大的努力。獲 得送種材料的嘗試已經集中于發展傳統的駐錠鑄造技術來生產含裡量達3% (重量）的鉛 合金。送種合金的彈性模量改善了約10% (達約80GPa)，同時密度降低了約10% (達約 2. 54Mg/m3)。眾所周知，U-Li合金的延展性很差。事實上，脆性問題使用鑄造冶金法生產 的鉛合金中的裡含量被限制在達約3% (重量）。其它可選擇的生產途徑，如粉末冶金法， 由于其所需的加工費用較昂貴，故很少被人注意。
[0003] 第二種可獲得送種具有良好的強度/硬度與重量之比的材料的途徑是制備金屬 基復合材料。送類材料與AL-Li合金相比對于彈性模量的提高有更大的潛力（可達約 150GPaW上）。送類材料的發展已主要集中在生產含須或纖維的強化合金上。送類方法要 求有復雜的工藝路線，若再考慮到原材料的價格昂貴問題，即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擔。高長度/直徑比的強化物的使用還可導致顯著的各 項異性。進來，更多的注意力被吸引到顆粒強化金屬基復合材料上來。雖然，比較地講，其 在彈性模量上的改進只屬中等，但它具有各項同性。送類金屬基復合材料的生產方法已有 多種，報道最多的是粉末混合法。中所周知，在鉛合金中加入強化物不僅能增加彈性模量， 而且會降低延展性。加入10% (體積）的顆粒狀強化物，一般地講，會使鉛合金的雁陣型降 至原有數值的25%左右。因此，通常金屬基復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。
[0004] 例如，D. Webster (冶金文摘1982年第13A卷，第1511頁--Met. 化ans，13A，P1511，1982)借助粉末冶金技術制備了用SiC須強化的Al-Li (合金）基復合材 料。但除一例外，所有實例均被報道說是脆性的，而且在達到0.2%拉伸屈服強度0.2) 之前就發生斷裂。例外的一例（未說明其延展性）是W低強度二元Al-Li合金為基的。
[0005] EP-45622A是關于經機械合金化的彌散強化鉛-裡合金。彌散體的尺寸為亞微米 級且是于現場形成。
[0006] VONBradskyG.等在《材料科學雜志》（Journal of Materials Science) I987 年第 22期，1469~1476頁闡述了一中借助氣體霧化生產10微米W下的M-Li合金速固化粉末 的方法。
[0007] 用噴鑄的方法制備金屬沉積產品（如鉛）的方法在一系列專利中均有描述，其中 W GB-1379261和GB-1472939最有代表性。該技術包括：通過將烙融金屬流霧化W形成熱 金屬粒子霧；將粒子霧噴到模體上W便在其上形成所需要的沉積層；確定氣體的溫度和流 速W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W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。烙融金屬滴的平局直徑 超過10微米，一般為50~200微米。用送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核（closed internal pore)結 構。
[0008] 英國專利說明書2172825和2172827描述了噴鑄技術在制造金屬基復合材料上的 使用。
[0009] 本發明是建立于幾個令人感興趣的發現之上。首先，已知的噴鑄技術可W用于 A^Li合金，送種材料的生產非常容易。該合金并不像原先所預料的郝種會在噴組過程中堵 塞噴巧。其次，在噴鑄材料中加入強化物不但增加硬度而且還使沉淀物獲得了顯著的機加 工延展性，（一般情況下，加入10% (體積）的強化物顆粒至少可使產品的延展性比沒有強 化物的合金提高0. 5倍）。再者，用噴涂沉積生產的駐錠沒有表現出由殘余應力引起開裂 的跡象。由于送種開裂是傳統技術鑄造的Al-Li鑄釘存在的主要問題，因而，送種效果就特 別令人感興趣（見 Journal de Physique, Colloq. C3, 9 增刊，48 卷，1987 年 9 月，第 26 頁， P. E. Bretz的報告，及GB-1605035。后者指出：傳統噴鑄公益輝在最外側的金屬沉積層中產 生殘余拉伸應力，而送種殘余應力容易引起沉積層的開裂或基體的變形）。
[0010] 本發明提供了一中通過噴鑄方法生產的由M-Li合金基體和強化物構成的金屬 基復合物，它經擠壓和時效硬化處理后，具有下述性質：
[0011] 0. 2 %屈服強度--登400MPa
[001引 拉伸強度--登440MPa
[0013] 延伸率--^ 2. 0%
[0014] 彈性模量--^ 85GPa
[001引 密度--蘭2. 75Mg/m3 (噸/立方米）。
[0016] 本發明包括鑄態復合材料，（可能有一定程度的疏松），W及由此所產生出的所有 產品，包括鍛件，積壓件，鑄件，社制產品（片和板）及管材。上述性質是對經擠壓和時效硬 化處理的材料而言。可W認識到，本發明還包括郝些不必具有送些性質的產品，但對于送些 產品，上述性質可通過擠壓和時效硬化處理而得到。
[0017] 該金屬基復合物可含陶瓷強化物1-50 % (體積），一般為5 %~30 % (體積），最 好為10~15% (體積）。如果強化物含量太低，復合材料將不具備要求的彈性模量。如果 強化物含量太高，則復合材料就可能不具有要求的延展性。
[0018] 強化物最好是粒狀的，其縱橫比不超過5:1.顆粒平均直徑可W再1~100微米范 圍內，一般為5~40微米，最好為5~15微米。強化物也可W使連續的或不連續的前衛， 或須或絲（staple)，其平均（纖維）直徑通常是0. 2~500微米，最好是1~50微米。但 顆粒強化物最好，因為顆粒材料比其它形式的材料更為便宜，且能得到性能優良的各向同 性復合材料。
[0019] 選擇的強化物應具有比基本合金更高的模量，其可W使高彈性模量的碳化物，氧 化物，測化物或氮化物，如碳化娃、氧化鉛或碳化測。送些用于金屬基復合材料的陶瓷強化 物在本領域是為人熟知的。
[0020] 該金屬基本中裡的含量可達10% (重量），含量一般是1.0~3.0% (重量）。盡 管裡確能提高合金的強度，但它的主要作用是降低密度。考慮到還有其它合金成分和陶瓷 強化物，因此需要足夠的裡W保持（完全致密的）復合物的密度低于2. 75Mg/m3,當所用的 裡量較多時，需要注意復合物的配比W獲得所需的延展性。
[0021] 金屬基體可含其它組份，如傳統的M-Li合金中所含的郝些組分，見下所示（重 量％ ):
[002引 銅蘭5. 0,最好1. ο~2. 2%
[0023] 鎮蘭 10. 0,最好 0.5 ~1.3%
[0024] 鉛蘭 0. 20,最好 0. 04 ~0. 16%
[00巧]鐵蘭0.5%
[0026] 娃蘭 0.5%
[0027] 鋒蘭 5.0%
[0028] 鐵蘭 0.5%
[0029] 儘蘭 0.5%
[0030] 館蘭 0.5%
[0031] 其它各種元素均蘭0.5%
[0032] 其它各種元素的總量蘭1.0%
[0033] 為獲得期望的強度性能，須（向基體）加入化、Mg和Zr中的至少一種，最好加入 二種。
[0034] 本發明的金屬基復合物可借助英國專利說明書2172825和2172827所述的噴鑄技 術來制備。一般的講，送種技術包括下列步驟；通過將烙融合金（流）引入到相對較冷的氣 體（其射向烙融合金流）中使烙融Al-Li合金流霧化，形成熱金屬顆粒霧；將細小的強化物 固體顆粒至于烙融合金流貨霧中；W及沉積很有細顆粒的金屬流或霧。在實施中，強化物 可于室溫下注入或于噴涂金屬的過熱溫度一下（的溫度）注入，并可于多個區段烙融金屬 中送料。然而，最好是在烙融金屬開始分化形成霧之前貨就在其之后將強化物加入到所謂 "霧化區"中。霧化氣體可W是氮或氮，其溫度按常規應是室溫，但在實施中經常是低于所噴 涂的M-Li合金之烙點的某一溫度。
[0035] 如果需要，強化物可W有霧化氣體攜帶或由氣體的一支分流攜帶，或者借助重力 或霧化被注入刀霧化區中。
[0036] 最終的沉積金屬基復合物克經受標準的金屬成形技術處理，如機加工，鍛造，擠 壓，社制和鑄造，