CN108998700A - 超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法，所述铝锂基复合材料包括基体合金和增强相；所述基体合金包括如下质量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2.5％、Mg 0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0～0.2％、杂质元素总含量小于0.2％以及余量为Al；所述增强相为TiB₂。所述制备方法包括：利用原位自生反应制备TiB₂/Al母材合金；然后将TiB₂/Al母材合金、纯铝与Al‑Cu、Al‑Li等中间合金熔炼得到复合材料，再经特定的固溶、时效处理，即得。本发明复合材料具有更高的强度和弹性模量及更低的密度，同时成本更低廉。

Description

超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料类及冶金领域，具体地，涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天领域的飞速发展对材料的比强度、比刚度以及损伤容限提出了更高的要求，进一步减轻航空航天产品结构质量、提高其综合力学性能已经成为该领域的重大课题。其中一种理想材料即为：铝锂合金。锂作为自然界最轻的金属元素，其密度只有0.53g/cm³，仅为铝的1/5；锂元素也因此成为实现铝合金构件减重最为有效的金属元素。研究表明，在铝合金中每添加1％wt.％的锂，可使合金密度降低约3％，而弹性模量提高约6％，而且合金在固溶和时效后硬化效果良好。其中，变形铝锂合金具有较高的强度和塑性被广泛应用于航空航天领域，然而由于变形材料存在不可避免的短板：各向异性严重，Li含量较低，不能充分发挥Li的减重作用，且受到零件形状的限制，某些复杂构件只能采用铸造成型的方法生产，因此，近年来对铸造铝锂合金的研究逐渐兴起。目前，与铸造铝锂合金相关的研究较少。上海交通大学陈安涛等人研究了合金元素对铸造铝锂合金性能的影响，并开发出了一种性能较为优异的Al-3Li-2Cu-0.3Mn-0.2Zr-0.2Sc合金，但其屈服强度仅为300Mpa，严重制约了铸造铝锂合金的进一步推广应用。

另一类在航空航天领域得到广泛关注的材料为陶瓷颗粒增强铝基复合材料，这类材料展现出低密度、高比强度和比刚度、高弹性模量、良好耐磨性能、高热导率和低的热膨胀系数等优异性能。结合改善材料性能的两种途径(添加Li元素及陶瓷颗粒)，通过铝锂合金与铝基复合材料的优势互补、优势加强，人们开发出了陶瓷颗粒增强铝锂基复合材料。但是，传统的复合材料中，增强体经常是在复合材料铸造前准备，因此传统的复合材料可称为非原位(ex situ)复合材料。因而非原位复合材料中增强相的尺寸与形貌取决于最初粉末的状态，这些粉末的粒径的尺度通常为几微米到几十微米，很少出现纳米级。此外，需要克服的主要缺点还包括，颗粒与基体之间的界面反应及因外加颗粒的表面污染造成的颗粒与基体之间的润湿性差等。目前非原位生产方法中需克服诸多的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，为了克服非原位生产方法中的诸多问题，本发明所使用的铝锂基复合材料主要由原位自生(in situ)的方法生产，与传统的非原位生产方法相比较，原位自生法制备的复合材料表现出以下优势，(a)原位自生增强颗粒在基体中热力学稳定性好，减慢了材料在高温服役过程中的退化；(b)增强体与基体的接触界面整洁干净，使界面结合更加稳定；(c)原位自生可制备微纳尺度颗粒增强铝基复合材料且颗粒在基体中的分布更加均匀，得到复合材料的综合性能更佳。其次，TiB₂具有高硬度、高模量、化学稳定等优点；采用原位自生方法制备的铝基复合材料中的陶瓷颗粒为亚微米级，形状圆整，与界面结合良好。因此，在铝锂合金中原位合成纳米陶瓷颗粒，其弹性模量、屈服强度和压缩微蠕变抗力等力学性能有望在铝锂合金的基础上得到大幅提高。

本发明的目的是提供一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。通过添加合金化元素(Li，Cu，Mg，Sc，Zr，Cd)以及后续的固溶时效处理，获得了力学性能优异的铸造铝锂基复合材料，该复合材料具备比基体铝锂合金更高的弹性模量和更高的强度，工艺操作简单，成本低，适合批量生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料，所述铝锂基复合材料包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；以占所述铝锂基复合材料的总重量计，所述基体合金包括如下质量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2.5％、Mg0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0～0.2％、杂质元素总含量小于0.2％以及余量为Al；所述增强相为TiB₂。

优选地，以占所述铝锂基复合材料的总重量计，所述基体合金包括如下质量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2％、Mg 0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0.1～0.2％、杂质元素总含量小于0.2％以及余量为Al。

Li是自然界密度最低的金属，选用Li为主要的合金元素的目的是降低材料的密度且提高材料的刚度，同时时效过程起到析出强化的作用；Cu元素为主要时效析出强化相T₁(Al₂CuLi)、θ(Al₂Cu)的组成元素。加入微量元素Sc、Zr、Cd，主要作用是细化晶粒，改善材料的塑性，还可以在时效阶段与Al₃Li形成Al₃(Sc_x，Zr_y，Li_1-x-y)复合粒子，提高材料的力学性能。另外，Mn虽然是一种能改善铝锂合金塑性的潜在元素，然而Al-Li-Cu合金均匀化析出的Al20Cu2Mn3弥散相不可避免会消耗铝基体中的Cu元素，减少合金时效强化相T1-Al2CuLi及θ-Al2Cu的析出，从而降低合金强度。此外当Mn元素含量超过一定值后，初生硬脆Al20Cu2Mn3会在晶界交界处形成，严重损害合金力学性能。

优选地，所述杂质元素包括Fe、Si、K和Na中的一种或多种。

优选地，所述TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为1～15wt％(相对于铝锂基复合材料而言)。如果含量过低(低于1wt％)，则很难起到有效的强韧化效果；若含量过高(高于15wt％)，则会严重损害合金塑性，且给制备过程增加难度。

第二方面，本发明提供一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过原位自生反应制备TiB₂/Al母材合金，作为原料备用；

S2、按照比例(按照铝锂基复合材料的组成以及各组成的化学计量比)称取Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Li中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cd中间合金、TiB₂/Al母材合金以及纯铝；

S3、将所述TiB₂/Al母材合金和纯铝放入坩埚中融化，在750～760℃条件下(如果温度较低，则会导致中间合金熔化不充分，初生相粗大；如果温度过高，则会加剧烧损，对后续熔炼浇铸带来困难)，依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Cd中间合金，熔化完全后，搅拌均匀并在熔体表面均匀撒入覆盖剂；

S4、在保护气氛下将Al-Li中间合金加入经步骤S3处理后得到的熔体中，待完全熔化后，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂，搅拌均匀；

S5、将经步骤S4处理后所得熔体进行精炼、静置，然后浇铸到模具中得到铸件。

优选地，所述制备方法还包括对步骤S5所得的铸件进行双级固溶处理。

优选地，所述双级固溶处理包括先进行第一级固溶处理，然后再进行第二级固溶处理；其中，第一级固溶处理为460～500℃固溶处理32h，第二级固溶处理为520～540℃固溶24h。460～500℃固溶处理32h是为了消除非平衡凝固过程中析出的粗大的第二相(主要为Al₂Cu和Al₂CuLi)，若温度低于该温度范围，不仅延长固溶时间且得不到较好的固溶效果；若温度高于该温度范围，则会导致过烧现象，极大的损害材料的性能。基于所述材料具有较高的溶质元素含量，为了最大限度地提高固溶体的过饱和度，本发明选择520～540℃固溶24h作为第二级固溶处理，同样的，温度低于该温度范围不能获得较高的过饱和度，温度高于该温度范围则会导致过烧。

优选地，所述制备方法还包括对步骤S5所得的铸件进行双级固溶处理后进行单级时效处理。

优选地，所述单级时效处理的条件为170～190℃下处理24～32h。铝锂基复合材料是时效强化型，其力学性能受时效工艺影响较大。时效温度较低时，达到相同力学性能的时间较高温下长很多，增加时间和经济成本，时效温度较高时，纳米析出相分布不均匀，且极易粗化，损害材料的塑性。而170～190℃温度下长时间时效，不仅增加时间和经济成本，而且促进晶界无析出带的出现，导致材料的过早失效。

优选地，步骤S3中，所述Al-Cu中间合金含Cu量为49～50wt％，所述Al-Li中间合金含Li量为9～11wt％，所述Al-Mg中间合金含Mg量为8.9～10.6wt％，所述Al-Zr中间合金含Zr量为4～5wt％，所述Al-Sc中间合金含Sc量为2～3wt％，所述Al-Cd中间合金含Cd量为9～10wt％。

优选地，步骤S3和步骤S4中，所述覆盖剂包括质量比为3:1的LiCl和LiF。铝锂合金采用覆盖剂为LiCl和LiF的混合物，熔炼过程中，覆盖剂在熔体表面熔化，熔化的覆盖剂在熔体表面形成一层保护膜，将熔体与空气中的氧和水气隔开，从而阻止了熔体与氧气和水气的反应。

优选地，步骤S4中，所述保护气氛为氩气。

优选地，步骤S5中，所述精炼包括不断电用C₂Cl₆或氩气精炼5～8分钟；所述静置的时间为3～5分钟；所述浇铸采用钢制模具预先加热至180～200℃。所述浇铸过程采用氩气保护。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明有效地结合了原位熔体自生制备微纳米颗粒增强铝基复合材料和轻质高模高强铝锂合金的优势。通过原位熔体自生的方法制备出微纳米颗粒增强的铝基复合材料母材，再进一步制备铝锂基复合材料，所得材料兼备二者的优点。

(2)加入微量元素Sc、Zr、Cd，主要作用是细化晶粒，改善材料的塑性，还可以在时效阶段与Al₃Li形成Al₃(Sc_x，Zr_y，Li_1-x-y)复合粒子，提高材料的力学性能。

(3)优化了材料的组分，通过调节增强颗粒的质量分数以及对Li、Cu、Mg、Sc、Zr、Cd等合金元素各种不同组分配比的研究、得出优选方案。

(4)熔炼采用熔剂和氩气的双重保护，浇铸过程采用氩气保护，极大的减少了材料的吸氢和氧化，提高了材料的力学性能。

(5)本发明中，向铝锂合金中引入微纳米陶瓷增强颗粒，还可以起到细化晶粒的作用，较传统细化剂的细化效果更为明显，起到了细晶强化的作用，而且降低了成本。

(6)对材料在不同温度和时间下的固溶和时效行为进行了系统的研究，得到了优选的固溶处理和时效处理方案，得到最大的固溶强化和时效强化效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1中超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的微观照片；其中，图1a为锂基复合材料的微观金相组织照片，放大倍数为200x；图1b为铝锂基复合材料的微观扫描电镜图；图1b的右上插图为纳米级的陶瓷增强颗粒微观形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法具体为：

首先通过原位自生熔盐反应制得TiB₂/Al母材，具体步骤如下：纯铝作为基体材料，NaBF₄和Na₂TiF₆作为反应混合盐，并辅以Na₃AlF₆、LiF₃、LiCl₃作反应助剂，其配比为2:1:1，总量为反应混合盐的10％，反应助剂加入温度760℃，反应时间30min；旋转喷吹氩气施以搅拌，转子转速300r/min，氩气流量10L/min；脉冲磁场强度控制在1.5T，高能超声场强度控制在200W/m²，制备得TiB₂原位增强纯铝复合材料。

随后，将母材、纯铝、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金，预热到200℃左右，随后将TiB₂/Al母材和纯铝放入钼坩埚中融化。铝锭融化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，等待铝液温度重新升到750～760℃后，将Al-Mg中间合金加入到铝液中，待温度稳定后保温5min。保温结束后，在750～760℃依次加入Al-Zr中间合金和Al-Sc中间合金，待其完全融化后搅拌均匀并向熔体表面撒入覆盖剂(3：1＝LiCl：LiF)。随后，在氩气保护环境下将Al-Li中间合金加入熔体，待完全熔化后搅拌均匀，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂。待熔体温度降低到730～740℃后，在氩气保护下分两次将C₂Cl₆精炼剂对熔体进行精炼，精炼5～8分钟，精炼结束后扒去浮渣并撒入覆盖剂，降温到710～720℃，静置5min。静置结束后除去熔体表面覆盖剂，在氩气保护下将熔体浇铸到预热至200℃的模具中得到铸件。

对复合材料铸件进行固溶处理，该固溶处理工艺为460℃/32h+520℃/24h，最后水淬得到得固溶态材料。经化学分析材料成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Sc	Zr	Cd	Ti	B	Al
									3.02	1.47	0.46	0.16	0.18	—	4.23	1.98	余量

其中，TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为6.14wt％。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：332Mpa，屈服强度：191Mpa，延伸率：8％；

弹性模量：91.2Gpa,密度：2.59g/cm³。

Li得收得率为87％。

图1为本实施例超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的微观照片，从图1a中可以看出Al-Cu-Li-x合金基体α-Al枝晶基本球化；此外，部分被凝固前沿推斥至枝晶间隙的TiB₂颗粒会对基体晶粒长大起到阻碍作用，因此可以在一定程度上细化基体组织，平均晶粒尺寸为45μm左右。图1b显示了增强颗粒的空间分布及典型形貌，大部分颗粒聚集在晶界处，颗粒尺寸从几个纳米到数百纳米不等，形状大多为四方及等轴六边形。

实施例2

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法具体为：

首先通过原位自生熔盐反应制得TiB₂/Al母材，将母材、纯铝、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金，预热到200℃左右，随后将TiB₂/Al母材和纯铝放入钼坩埚中融化。铝锭融化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，等待铝液温度重新升到750～760℃后，将Al-Mg中间合金加入到铝液中，待温度稳定后保温5min。保温结束后，在750～760℃依次加入Al-Zr、Al-Sc、Al-Cd中间合金，待其完全融化后搅拌均匀并向熔体表面撒入覆盖剂(3：1＝LiCl：LiF)。随后，在氩气保护环境下将Al-Li中间合金加入熔体，待完全熔化后搅拌均匀，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂。待熔体温度降低到730～740℃后，在氩气保护下分两次将C₂Cl₆精炼剂对熔体进行精炼，精炼5～8分钟，精炼结束后扒去浮渣并撒入覆盖剂，降温到710～720℃，静置5min。静置结束后除去熔体表面覆盖剂，在氩气保护下将熔体浇铸到预热至200℃的模具得到铸件。

对复合材料铸件进行固溶处理，该固溶处理工艺为480℃/32h+535℃/24h，最后水淬得到得固溶态材料。经化学分析材料成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Sc	Zr	Cd	Ti	B	Al
									3.08	1.54	0.46	0.17	0.17	0.19	4.34	2.01	余量

其中，TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为6.3wt％。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：357Mpa，屈服强度：235Mpa，延伸率：7.2％；

弹性模量：90.8Gpa,密度：2.63g/cm³。

Li得收得率为83％。

实施例3

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法具体为：

首先通过原位自生熔盐反应制得TiB₂/Al母材，将母材、纯铝、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金，预热到200℃左右，随后将TiB₂/Al母材和纯铝放入钼坩埚中融化。铝锭融化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，等待铝液温度重新升到750～760℃后，将Al-Mg中间合金加入到铝液中，待温度稳定后保温5min。保温结束后，在750～760℃依次加入Al-Zr、Al-Sc、Al-Cd中间合金，待其完全融化后搅拌均匀并向熔体表面撒入覆盖剂(3：1＝LiCl：LiF)。随后，在氩气保护环境下将Al-Li中间合金加入熔体，待完全熔化后搅拌均匀，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂。待熔体温度降低到730～740℃后，在氩气保护下分两次将C₂Cl₆精炼剂对熔体进行精炼，精炼5～8分钟，精炼结束后扒去浮渣并撒入覆盖剂，降温到710～720℃，静置5min。静置结束后除去熔体表面覆盖剂，在氩气保护下将熔体浇铸到预热至200℃的模具中。

该复合材料得固溶处理工艺为460℃/32h+520℃/24h，水淬后于175℃时效30h。经化学分析材料成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Sc	Zr	Cd	Ti	B	Al
									2.97	1.46	0.44	0.16	0.19	0.20	4.12	1.96	余量

其中，TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为5.98wt％。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：430Mpa，屈服强度：345Mpa，延伸率：2.1％；

弹性模量：91.4Gpa,密度：2.61g/cm³。

Li得收得率为88％。

实施例4

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法具体为：

首先通过原位自生熔盐反应制得TiB₂/Al母材，将母材、纯铝、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金，预热到200℃左右，随后将TiB₂/Al母材和纯铝放入钼坩埚中融化。铝锭融化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，等待铝液温度重新升到750～760℃后，将Al-Mg中间合金加入到铝液中，待温度稳定后保温5min。保温结束后，在750～760℃依次加入Al-Zr、Al-Sc、Al-Cd中间合金，待其完全融化后搅拌均匀并向熔体表面撒入覆盖剂(3：1＝LiCl：LiF)。随后，在氩气保护环境下将Al-Li中间合金加入熔体，待完全熔化后搅拌均匀，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂。待熔体温度降低到730～740℃后，在氩气保护下分两次将C₂Cl₆精炼剂对熔体进行精炼，精炼5～8分钟,精炼结束后扒去浮渣并撒入覆盖剂，降温到710～720℃，静置5min。静置结束后除去熔体表面覆盖剂，在氩气保护下将熔体浇铸到预热至200℃的得模具中。

该复合材料得固溶处理工艺为460℃/32h+520℃/24h，水淬后于175℃时效32h。经化学分析材料成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Sc	Zr	Cd	Ti	B	Al
									3.01	1.55	0.48	0.18	0.15	0.18	4.21	1.97	余量

其中，TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为6.11wt％。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：439Mpa，屈服强度：372Mpa，延伸率：1.2％；

弹性模量：90.9Gpa,密度：2.60g/cm³。

Li得收得率为86％。

实施例5

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法具体为：

首先通过原位自生熔盐反应制得TiB₂/Al母材，将母材、纯铝、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金，预热到200℃左右，随后将TiB₂/Al母材和纯铝放入钼坩埚中融化。铝锭融化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，等待铝液温度重新升到750～760℃后，将Al-Mg中间合金加入到铝液中，待温度稳定后保温5min。保温结束后，在750～760℃依次加入Al-Zr、Al-Sc、Al-Cd中间合金，待其完全融化后搅拌均匀并向熔体表面撒入覆盖剂(3：1＝LiCl：LiF)。随后，在氩气保护环境下将Al-Li中间合金加入熔体，待完全熔化后搅拌均匀，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂。待熔体温度降低到730～740℃后，在氩气保护下分两次将C₂Cl₆精炼剂对熔体进行精炼，精炼5～8分钟，精炼结束后扒去浮渣并撒入覆盖剂，降温到710～720℃，静置5min。静置结束后除去熔体表面覆盖剂，在氩气保护下将熔体浇铸到预热至200℃的得模具中。

该复合材料得固溶处理工艺为460℃/32h+520℃/24h，水淬后于175℃时效32h。经化学分析材料成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Sc	Zr	Cd	Ti	B	Al
									2.56	2.49	0.46	0.15	0.18	0.19	4.27	1.93	余量

其中，TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为6.2wt％。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：447Mpa，屈服强度：388Mpa，延伸率：2.1％；

弹性模量：90.2Gpa,密度：2.66g/cm³。

实施例6

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：将铸件进行固溶处理的工艺为500℃/32h+540℃/24h，水淬后于190℃时效24h。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：426Mpa，屈服强度：394Mpa，延伸率：1.1％；

弹性模量：90.2Gpa,密度：2.66g/cm³。

实施例7

本实施例涉及一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：将铸件进行固溶处理的工艺为480℃/32h+530℃/24h，水淬后于180℃时效28h。

该铸造铝锂基复合材料固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：445Mpa，屈服强度：379Mpa，延伸率：1.6％；

弹性模量：90.2Gpa,密度：2.66g/cm³。

对比例1

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，铝锂基复合材料的成分中Sc的含量为0.1％。

对比例2

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，铝锂基复合材料的成分中Zr的含量为0.13％。

对比例3

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，铝锂基复合材料的成分中Cd的含量为0.22％。

对比例4

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，对铸件不进行固溶处理和时效处理。

对比例5

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，对铸件不进行固溶处理，直接进行时效处理。

对比例6

本对比例提供一种铸造铝锂基复合材料及其制备方法。所述制备方法与实施例3基本一致，不同之处仅在于：在本对比例中，固溶处理工艺为460℃/32h，然后进行时效处理。

性能测试结果

表1对比例1-6的的性能测试结果

根据上表1中结果，比较对比例1和实施例3可知，当铝锂基复合材料中微量元素Sc的含量过低时，会导致抗拉强度和塑性的严重下降；比较对比例2和实施例3可知，当铝锂基复合材料中微量元素Zr的含量过低时，会导致强度和塑性的下降；比较对比例3和实施例3可知，当铝锂基复合材料中微量元素Cd的含量过高时，会导致强度的下降；比较对比例4和实施例3可知，当铝锂基复合材料不进行固溶处理和时效处理时，会导致强度和塑性严重不足；比较对比例5和实施例3可知，当铝锂基复合材料不进行固溶处理，直接进行时效处理时，会导致强度和塑性严重不足；比较对比例6和实施例3可知，当铝锂基复合材料只进行一级固溶处理时，会导致强度和塑性的提升较低。

另外，虽然实施例1-2只经过固溶处理，未经过时效处理，但实施例1-2制备的铝锂基复合材料的综合性能明显优于对比例4-6。同时，实施例3-7制备的铝锂基复合材料的综合性能明显优于对比例1-6。

本发明制备的复合材料由纳米级TiB₂陶瓷颗粒和特定质量百分比含量的Li、Cu、Mg、Sc、Zr、Cd、杂质元素以及余量的Al组成。其特点在于，首先利用原位自生反应制备出TiB₂/Al母材合金；然后以Al-Cu、Al-Li、Al-Mg、Al-Sc、Al-Zr、Al-Cd中间合金、TiB2/Al母材、纯铝熔炼后得到复合材料，再经过特定的双级固溶处理，水淬处理后，进行单级时效处理，得到所述超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料。本发明制备的纳米颗粒铝锂基复合材料相比传统的铝锂合金以及复合材料，具有更高的强度和弹性模量及更低的密度，同时成本低廉，在航空航天领域有巨大的应用前景。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料，其特征在于，所述铝锂基复合材料包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；

以占所述铝锂基复合材料的总重量计，所述基体合金包括如下质量百分比含量的各元素：Li 2.5～3.5％、Cu 1～2.5％、Mg 0.4～0.5％、Sc 0.15～0.2％、Zr 0.15～0.2％、Cd 0～0.2％、杂质元素总含量小于0.2％以及余量为Al；所述增强相为TiB₂。

2.根据权利要求1所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料，其特征在于，所述TiB₂在铝锂基复合材料中的含量为1～15wt％。

3.一种根据权利要求1所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过原位自生反应制备TiB₂/Al母材合金，作为原料备用；

S2、按照比例称取Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Li中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cd中间合金、TiB₂/Al母材合金以及纯铝；

S3、将所述TiB₂/Al母材合金和纯铝放入坩埚中融化，在750～760℃条件下，依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Cd中间合金，熔化完全后，搅拌均匀并在熔体表面均匀撒入覆盖剂；

S4、在保护气氛下将Al-Li中间合金加入经步骤S3处理后得到的熔体中，待完全熔化后，扒去表面浮渣并撒入覆盖剂，搅拌均匀；

S5、将经步骤S4处理后所得熔体进行精炼、静置，然后浇铸到模具中得到铸件。

4.根据权利要求3所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对步骤S5所得的铸件进行双级固溶处理。

5.根据权利要求4所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述双级固溶处理包括先进行第一级固溶处理，然后再进行第二级固溶处理；其中，第一级固溶处理为460～500℃固溶处理32h，第二级固溶处理为520～540℃固溶24h。

6.根据权利要求3或4所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对步骤S5所得的铸件进行双级固溶处理后进行单级时效处理。

7.根据权利要求6所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述单级时效处理的条件为170～190℃下处理24～32h。

8.根据权利要求3所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述Al-Cu中间合金含Cu量为49～50wt％，所述Al-Li中间合金含Li量为9～11wt％，所述Al-Mg中间合金含Mg量为8.9～10.6wt％，所述Al-Zr中间合金含Zr量为4～5wt％，所述Al-Sc中间合金含Sc量为2～3wt％，所述Al-Cd中间合金含Cd量为9～10wt％。

9.根据权利要求3所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4中，所述覆盖剂包括质量比为3:1的LiCl和LiF。

10.根据权利要求3所述的超轻质高模高强铸造铝锂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述精炼包括不断电用C₂Cl₆或氩气精炼5～8分钟；所述静置的时间为3～5分钟；所述浇铸采用钢制模具预先加热至180～200℃。