專利名稱：：霧化皮米復(fù)合物鋁合金及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明主要涉及鋁合金領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明致力于應(yīng)用粉末冶金技術(shù)以形成即使是在升高的溫度也能保持其高性能特征的鋁復(fù)合物合金。本發(fā)明通過將納米技術(shù)應(yīng)用到在該鋁合金內(nèi)混為一體的微粒材料來實現(xiàn)此目的。由此產(chǎn)生的合金復(fù)合物具有高溫穩(wěn)定性和獨特的線性的性能/溫度曲線。通過將納米尺寸的氧化鋁微粒均勻分布在一超細晶的、納米尺度的鋁基材中來達到該合金的高溫機械性能，該基材是通過使用超細霧化的鋁粉或鋁合金粉作為用于生產(chǎn)路線的原材料而形成的。所述基材可以是純鋁或者是如下所公開的一種或多種超A仝口龍。
背景技術(shù)：
：常規(guī)鋁材料在室溫表現(xiàn)出很多令人滿意的性質(zhì)，例如輕質(zhì)和耐腐蝕性。而且，它們可被相對容易地剪裁用于各種應(yīng)用。因此，鋁合金在飛行器、導(dǎo)彈、船舶、運輸、包裝和其它工業(yè)中占據(jù)顯著地位。盡管眾所周知常規(guī)鋁合金的優(yōu)點，但是在高溫時，例如高于25(TC時，它們的物理性能會劣化。其強度下降特別明顯，并且這種強度下降是造成在需要高溫的應(yīng)用中通常不用鋁合金的一個主要原因。為了代替鋁，本領(lǐng)域被迫使用那些更為昂貴的合金，例如含鈦或者鉤作為主要煉制合金金屬的那些合金。已有各種嘗試以期克服鋁合金在高溫時的不足之處。例如，美國專利No.5,053,085涉及"高強度耐熱鋁基合金"，其具有選自包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Ti、Mo、W、Ca、Li、Mg和Si的M組中的至少一種元素和選自包括Y、La、Ce、Sm、Nd、Hf、Ta和Mm(混合稀土金屬)的X組中的至少一種元素混合成各種原子百分比。這些不同的合金組合通過快速固化熔融的鋁產(chǎn)生非晶的、微晶相、或者微晶復(fù)合物分散相。鋁的快速固化可通過產(chǎn)生帶或絲進料的熔融紡絲工藝來完成。通過常規(guī)的擠出、鍛造或軋制工藝，該帶或絲進料(ribbonorwirefeedstock)可被粉碎和被合并到用于構(gòu)成各種產(chǎn)品的坯中。機械煉制合金是另一種嘗試以生產(chǎn)高強度鋁合金。金屬基材料的納米顆粒增強是在高能球磨中通過將微粒減小到增強該基體合金的細小分散體而完成的。這種技術(shù)的一個主要問題在于該微粒的不均衡加工。一給定量的材料被過失地(grossly)或高或低地處理，其導(dǎo)致在最終結(jié)構(gòu)中的缺陷。美國專利No.5,688,303涉及一種結(jié)合了使用軋機工藝的機械煉制合金方法，以聲稱改進了該機械煉制合金的均勻化。某些對于機械煉制合金工藝的最大障礙包括缺乏延展性和粉末處理問題。由于從鋁粉除去了保護性的氧化物然后其變成為自燃的，所以處理機械煉制合金粉末是危險的。當暴露在大氣中時，沒有保護性氧化物的鋁粉會瞬時燃燒，因此在處理該粉末混合期間需要特別小心。此外，高能球磨的使用是非常昂貴的和費時的，這會導(dǎo)致更高的材料加工成本。其它改進高溫物理性能的嘗試包括混入添加劑。美國專利No.6，287，714涉及"用于納米結(jié)構(gòu)材料的晶粒生長抑制劑"。加入氮化硼(BN)作為納米結(jié)構(gòu)材料的晶粒生長抑制劑。這種BN添加是以一種無機的聚合物，按照約1%重量被添加，并被均勻地分散在晶粒邊界，其在所述納米結(jié)構(gòu)材料的熱處理溫度時被分解。美國專利No.6,398,843涉及用于分散體增強的陶瓷顆粒鋁或者鋁合金的"分散體-增強的鋁合金"。這個專利是基于混合粒度小于lOOnm的陶瓷顆粒(氧化鋁、碳化硅、氧化鈦、碳化鋁、氧化鋯、氮化硅、或二氧化硅)。美國專利No.6,630,008涉及"納米晶金屬基復(fù)合物，及制備方法"，其包括使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝來流化鋁粉，該鋁粉被氧化鋁、碳化硅或碳化硼包覆然后使用加熱的沙子作為壓力傳遞媒介在固態(tài)條件下被熱壓實。美國專利No.6,726,741涉及基于一鋁粉、一中子吸收材料及一第三顆粒的鋁復(fù)合材料和制備。在該制備過程中使用機械煉制合金。美國專利No.6,852,275涉及一種用于制備金屬間(inter-metallic)化合物基的復(fù)合材料的方法。這種技術(shù)是基于制備一金屬粉末預(yù)制品和加壓滲透鋁，其引起一自燃反應(yīng)以形成金屬間化合物?？焖俟袒庸?RSP)技術(shù)是被用來制備細金屬粉的另一種方法。然而，為了保持非晶相和納米尺寸微結(jié)構(gòu)而所需的高可溶的合金元素的霧化、粉末生產(chǎn)速率、化學(xué)控制和回收步驟，使得RSP具有很高的成本。RSP的其它主要障礙是制備這種材料的難點。雖然希望，但這些方法迄今還未能解決長期以來大家所需要的以工業(yè)規(guī)模制備高溫鋁合金。因此傳統(tǒng)的、非鋁基合金繼續(xù)在高溫合金市場占有優(yōu)勢。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過利用在制備鋁粉的霧化工藝期間自然形成的氧化物被覆和通過利用處理粒度分布低于30pm的粉末，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。眾所周知，不管制備所用何種霧化氣體的種類，氧化物總存在于被霧化的鋁粉上。參見，AlcoaLabs的"金屬手冊，第9版巻7-粉末冶金術(shù)"(圖1)。通過測量鋁粉的氧含量可以估算氧化物含量示數(shù)。無論是空氣還是氮氣或氬氣被用于制備該粉末，通常氧含量都不會顯著地變化。隨著鋁粉表面積增加(鋁粉尺寸減少)，氧含量顯著地增加，即表明一較大的氧化物含量。不管是何種類型的霧化氣體，但是也不取決于合金組成和粒度，鋁粉上的氧化物被覆的平均厚度為平均約5nm。該氧化物主要是氧化鋁(AbO0與其它不穩(wěn)定的化合物，例如Al(OH)和AIOOH。該氧化鋁含量主要是受控于該粉末的比表面積。粒度和顆粒形態(tài)是兩個主要的參數(shù)，它們影響該粉末的比表面積(>表面積)，分別地，越不規(guī)則(>表面積)，氧化物含量越高。常規(guī)鋁粉尺寸具有〈400iim的粒度分布(PSD)，該顆粒的形狀/形態(tài)成為對控制氧化物含量非常重要的一個因素，這是因為越不規(guī)則的顆粒形狀導(dǎo)致較大的表面積從而導(dǎo)致較高的氧化物含量。當顆粒尺寸<30Mm時，顆粒形態(tài)的這種作用較小地影響氧化物含量，這是因為該顆粒實際上更接近球形或者甚至就是完美的球形。通常，對于不同的被霧化鋁的粒度，氧化物含量在介于約0.01%至高達約4.5%氧化鋁間變化。本發(fā)明以粒度〈30^im的起始鋁或鋁合金粉為目標，其將提供介于0.1-4.5W/0氧化鋁含量。本發(fā)明提供熱加工所需PSD的鋁或鋁合金粉末，其原位生成橫向納米晶粒尺寸在約200rnn范圍內(nèi)(晶粒尺寸降低10倍)。其次，該熱加工操作原位生成均勻分布的、至多3-7nm厚度的納米氧化鋁顆粒(前者顆粒的氧化物外殼),導(dǎo)致與常規(guī)鋁錠冶金材料相比特別高強度/高溫的材料。這種特別優(yōu)良的機械性能是晶粒尺寸的大幅下降和在超細晶鋁基材中的納米氧化鋁的均勻分布的結(jié)果。因此本發(fā)明的一個方面是在各種各樣的市場應(yīng)用中使用這種0.1-4.5w/o納米顆粒氧化鋁增強的鋁復(fù)合材料作為用于較高強度和較高溫度的結(jié)構(gòu)材料。這種納米鋁/氧化鋁復(fù)合物結(jié)構(gòu)無需通過使用機械煉制合金來制備，而是僅僅使用粒度分布〈30Mm的鋁或鋁合金粉末，在熱加工之后得到一納米尺寸的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一個方面是通過添加陶瓷微粒材料到納米鋁復(fù)合物基材料中來獲得額外的強度，以得到甚至更大的強度、更高的彈性模量(硬度)、更低的熱膨脹系數(shù)(CTE)、改良的耐磨損性和其它重要的物理性能。這種陶瓷微粒添加物可以包括尤其諸如氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氧化鈦、二氧化鈦、硼化鈦、二硼化鈦、硅、氧化硅、二氧化硅和其它工業(yè)耐火組合物之類的陶瓷化合物。本發(fā)明的另一個方面是添加碳化硼微粒到這種納米鋁復(fù)合物基中用于用過的核燃料存儲的中子吸收，如在1999年10月12日公布的美國專利No.5,965,829題為"放射物吸收耐火組合物"中所述，該專利在此被全部引入作為參考。本發(fā)明的另一個方面包括其它的鋁合金例如高溶解性元素的組合物，以便通過細小金屬間化合物的沉淀來具有雙重增強的材料，其通過過飽和的合金元素'熔體與納米尺寸的氧化鋁顆粒一起快速固化(在原位)，所述氧化鋁顆粒在產(chǎn)生終產(chǎn)物的熱加工操作之后均勻地分散遍布該微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一個方面是提供基于雙峰粒度分布的技術(shù)，其無需使用機械煉制合金技術(shù)即可表現(xiàn)出均勻的微結(jié)構(gòu)控制。微結(jié)構(gòu)尺寸和均勻性的控制限定(dictate)該復(fù)合材料的高性能。本發(fā)明的另一個方面是通過改變納米鋁/氧化鋁復(fù)合物基的合金組成、陶瓷微粒添加物的類型和陶瓷微粒添加物在缺米鋁/氧化鋁金屬基復(fù)合材料中的含量來適應(yīng)對于不同市場應(yīng)用所需的機械和物理性能。這些方面和其它下述方面是通過一種用于制備納米鋁/氧化鋁金屬基復(fù)合物的方法來實現(xiàn)的，該方法的特征在于步驟提供一鋁粉，其具有一固有的氧化物形成層(anaturaloxideformationlayer)，介于約0.1和約4.5wt.。/。的氧化鋁含量，以及約0.3到約5.0m々g的比表面積；熱加工該鋁粉，和因此形成一超細晶基鋁合金，和通過重新分布所述的氧化鋁同時在原位形成基本上均勻分布的、遍及所述合金的氧化鋁納米顆粒，其中所述合金具有基本上線性的性能/溫度曲線。本發(fā)明的這些方面還可通過一超細鋁粉來實現(xiàn)，該鋁粉的特征在于約0.1到約4.5wt，。的氧化鋁含量以及約0.3到約5.0m2/g的比表面積，取決于一具體的鋁合金組合物的重結(jié)晶溫度，于約10(TC到約525'C的溫度熱加工該鋁粉以精制晶粒大小和均質(zhì)化該金屬基復(fù)合物體系的納米顆粒增強相。為了比較完整的理解本發(fā)明，應(yīng)結(jié)合附圖閱讀下面各種實施方式的詳細描述，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的氧化物厚度對霧化氣體類型的曲線圖，摘自"金屬手冊，第9版巻7-粉末冶金術(shù)"；圖2(a)、2(b)和2(c)是關(guān)于在微結(jié)構(gòu)上lpm、10pm和<400拜粉末尺寸分別對應(yīng)的效果的TEM顯微鏡照片(于350。C坯溫"被擠出，R=11:1);圖3是一關(guān)于對細小的扭曲氧化物的均勻分布的誘導(dǎo)作用效果的TEM顯微鏡照片；圖4是一d50和比表面積間的不利相關(guān)性的曲線圖5是一機械性能和比表面積間的相關(guān)性的曲線圖6(a)和6(b)分別是機械性能和比表面積間的相關(guān)性的表格和曲線圖7是一典型的HTA霧化鋁粉的粒度分布的曲線圖8是一HTA霧化鋁粉的SEM照片；圖9是一壓實的(CIP)HTA霧化鋁粉的TEM照片；圖10是一線性的性能/溫度曲線的曲線圖；和圖11(a)和1l(b)是關(guān)于擠出溫度重要性的TEM顯微鏡照片。'具體實施方式在實施本發(fā)明時，第一步是鋁粉尺寸的選擇。本發(fā)明聚焦于霧化鋁粉的粒度分布(PSD)，這一霧化鋁粉不被用于常規(guī)粉末金屬技術(shù)。事實上，由于霧化生產(chǎn)率、回收、較低的成本、較高的模具填充或者均勻的壓實密度以及期望具有低的氧化物粉末，在鋁P/M工業(yè)中趨于使用PSD的較粗的部分一一典型的是d50尺寸為5(Vm-400pm范圍。大多商業(yè)應(yīng)用尋求減少氧化物含量，特別是在壓緊和燒結(jié)用于汽車和其它高體積應(yīng)用的近凈尺寸(near-iiet-shape)的鋁P/M部分中。粉末的制造商和終端用戶都希望較低的氧化物鋁粉，因為它很難進行液相燒結(jié)和得到一冶金顆粒對顆粒的結(jié)合，而這種結(jié)合是得到理論密度和在該粉末晶粒邊界上有氧化物時具有可接受的延性值的高機械性能所必需的。已有的晶粒邊界氧化物網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致低的斷裂韌性、低的強度和邊緣延性。已作出努力去減少氧化鋁，但是位于鋁粉上的這種氧化物被覆在所有環(huán)境下都是非常穩(wěn)定的和不溶解于任何溶劑中。這一事實使得壓緊和燒結(jié)近凈尺寸的工業(yè)和高性能宇航工業(yè)鋁PM工業(yè)需購買低氧化物粉末材料。與上述工業(yè)標準截然相反，本發(fā)明使用超細鋁粉PSD(按照工業(yè)定義PSD<3(Him)，其導(dǎo)致氧化鋁含量在0.1-4.5w/o的范圍內(nèi)，該PSD在粒度范圍的另一邊(opposesideofthespectrum)。本發(fā)明包括采用超細粉末和在低于該合金的重結(jié)晶溫度下熱加工該材料，其進一步將橫向晶粒尺寸降低10倍至一典型的晶粒尺寸，例如約200nm。起始粉末粒度的影響示于圖2,其示出了于350。C被擠出的lnm、10Hm和<400^11鋁粉的效果。熱加工操作均勻分布了納米尺寸的氧化鋁顆粒(前者鋁粉的3-7nm氧化物外殼)均勻遍布該微結(jié)構(gòu)，如圖3所示和在顯微照片中所圈出。這種超細晶粒尺寸和納米尺寸氧化鋁顆粒的結(jié)合導(dǎo)致雙重增強機制。納米尺寸氧化鋁顆粒固定了晶粒邊界和抑制晶粒生長，以便維持住該組合物基材料的提高的機械性能改進。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一個具體類型粉末的氧化鋁含量增加50%不會引起比原來的粉末更高的機械性能。100%或更高的增加氧化物含量可能在固化工藝期間導(dǎo)致一些問題。在增加氧化鋁含量的粉末處理期間，僅僅是氧化物層的厚度可能被增加，其導(dǎo)致熱加工之后在基體中較大的分散。為了增加晶粒邊界固定的增強機制，需要引入更細的顆粒到該結(jié)構(gòu)中，所述的晶粒邊界固定被指定沿著該微結(jié)構(gòu)的晶粒邊界布置納米尺寸分散體(氧化鋁顆粒，前者起始粉末的氧化物層)。這可通過使用較細的起始粉末或具有較高比表面積的粉末來實現(xiàn)。通過考慮起始粉末的粒度分布和比表面積，可以預(yù)計熱加工后材料的機械性能。相較于具有較低比表面積、的粉末，具有較高比表面積的粉末將產(chǎn)生較好的機械性能。從圖4可以看出，盡管樣品#9的PSD比樣品#5的PSD更為粗糙，但是粉末樣品#9具有與樣品#5大致一樣的比表面積。機械性能與比表面積相關(guān)聯(lián)，與粉末的PSD無關(guān)(圖5)。這一圖示出了UTS對粒度分布和比表面積(在含9%碳化硼微粒的測試樣品上測得的機械性能的測試結(jié)果)。機械性能(UTS)與BET相關(guān)聯(lián)，與d50無關(guān)。實施例對具有介于0.3-5.0mVg范圍比表面積的不同粉末進行熱加工，于40(TC擠出成直徑6mm的棒，其被用于制備張力測試的測試樣品。在表以及圖6(a)和6(b)中分別示出結(jié)果。這證明了，微粒分布越細(表面積越高)，機械性能就越好。通過使用狹窄的噴嘴系統(tǒng)的氣體霧化和經(jīng)由氣體分級被分類到所需的PSD來制備粉末。然后，通過于40(TC，Rll:l的擠出來壓實。于測試溫度浸泡30分鐘后進行高溫張力測試。圖7示出了一個開發(fā)所用的鋁粒度的實例。這一曲線圖示出了PSD并可以看出，d50是約1.27拜，d90是約2.27pm，其非常細。后附的是一掃描電子顯微鏡(SEM)照片(圖8)"超細霧化Al粉D50-1.2pm的照片"和發(fā)射電子顯微鏡(TEM)。參見圖9，"超細霧化Al粉D50-1.3^m的照片"，其圖示了該粉末的球形外形。如圖中所示，lpm標尺(SEM)和0.2nm標尺(TEM)分別是驗證粉末粒度的參考。因為在該粒度范圍的鋁粉被認為是球形的，所以其較為容易建立數(shù)學(xué)模型和預(yù)測氧化物含量。當模擬該氧化物厚度和通過溶解該基材合金比較該氧化物的真實值時，良好的關(guān)聯(lián)性證明了本發(fā)明的目標氧化鋁含量。該粉末的另一個特征是所得PSD的非常高的表面積和作為起始原料總氧化物含量的指示的氧含量。為確保較高性能的購買規(guī)程應(yīng)包括該合金化學(xué)、粒度分布、表面積和氧含量需求。圖10圖示了本發(fā)明的高溫納米復(fù)合鋁合金的獨特的線性的性能/溫度曲線。這一圖示出了UTS(Rm)對溫度，1.27pm(d50)粉末等級，通過于35(TC，R=11:1直接擠出來壓實，在測試前于測試溫度浸泡30分鐘。z制備本發(fā)明的材料的典型加工路線為，用優(yōu)選粒度的鋁粉填充彈性袋，將該彈性袋頂部收口在鑄模袋中，排空該彈性鑄模組件以除去空氣并密封該空氣管道，使用25-60,000psi壓力的冷等靜壓(CIP)，在壓力下保壓45秒最小時間，將CIP單元解壓回到大氣壓。然后將該彈性鑄模組件從"生"壓實坯移開。將該坯真空燒結(jié)以除去霧化鋁粉上的氧化物表面的自由態(tài)的水和化學(xué)鍵結(jié)的水/水汽。為了防止晶粒生長和得到最優(yōu)的機械性能，必需小心不要過熱該坯或接近液相燒結(jié)溫度。最后的操作是熱加工該坯以便得到理論密度(foildensity)，達到顆粒對顆粒的結(jié)合，以及最重要地分散該納米氧化鋁顆粒均勻地遍布該微結(jié)構(gòu)。一個優(yōu)選的熱加工方法是使用常規(guī)擠出技術(shù)來得到理論密度、均勻分散的納米顆粒鋁/氧化鋁復(fù)合物微結(jié)構(gòu)。也可使用直接鍛造或直接粉末壓實軋制技術(shù)作為從該粉末除去氧化物和均勻地分散氧化鋁遍布該鋁金屬基的一個方法。為了得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的機械性能，特別推薦保持擠出溫度低于該合金的重結(jié)晶溫度。圖ll(a)和ll(b)是SEM顯微照片，其說明了為了增加流動壓力以便機械加工該材料而得到所需的微結(jié)構(gòu)時擠出溫度的重要性。在顯微照片圖ll(a)中，明顯可見在新形成的晶粒中的均勻分散的納米氧化鋁顆粒。甚至在晶粒內(nèi)部和在晶粒邊界，納米顆粒氧化鋁顆粒也是明顯的，這通常是通過機械煉制合金工藝方法做到的。第二個顯微照片圖ll(b)顯示了較大的晶粒尺寸和該結(jié)構(gòu)沒有表現(xiàn)出同樣的加工程度或者在晶粒內(nèi)部的納米顆粒。為了進一步證實在得到用于最優(yōu)機械性能的所需微結(jié)構(gòu)時的擠出溫度的重要性，下面概括了于室溫和350'C測試溫度的張力數(shù)據(jù)上不同擠出溫度的納米鋁/氧化鋁復(fù)合物材料的典型的機械性能。室溫y各種坯擠出溫度機械性能350。C400°C450。C500°CUTS-Mpa/(KSI)310(44.95)305(44.25)290(42.05)280(40.60)收率-Mpa/(psi)247(35.82)238(34.51)227(32.91)213(30.88)伸長率％1100鋁/UTS35(TC測試溫度機械性能UTS-Mpa/(KSI)收率-Mpa/(psi)伸長率％9.0%124(18.00)350°C10.0%10.0o/oN/AN/A各種坯擠出溫度400。C450。C10.9%N/A500。C186(26.97)156(22.62)10.7%160(23.20)145(21.00)10.4%169(24.50)150(21.75)9.5%160(23.20)150(21.75)10.0%與常規(guī)錠鐵冶金1100系列鋁工藝相比，4.5%納米氧化鋁顆粒增強的1100系列超細晶鋁材料具有卓越的機械性能。此外，這些結(jié)果證實了相較于各種常規(guī)合金，結(jié)合了小量納米顆粒鋁/氧化鋁材料的超細晶微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，和證實了在鋁基材中添加其它陶瓷微?；蜻^飽和合金元素的快速固化的想法。如上所述，本發(fā)明的方面之一在于添加陶瓷微粒到納米鋁/氧化鋁復(fù)合物基中。發(fā)展這種新技術(shù)的驅(qū)動力之一是對于高溫基材料需要添加碳化硼顆粒以擴展美國專利No.5,965,829的應(yīng)用領(lǐng)域。一個目標是研發(fā)高溫鋁硼碳化物金屬基復(fù)合材料，適合于從美國核調(diào)整委員會接受結(jié)構(gòu)性信貸，用于作為籃設(shè)計(abasketdesign)用來干法儲存已用核燃料的應(yīng)用。由于鋁硼碳化物復(fù)合物的高溫機械性能，相較于工業(yè)標準不銹鋼籃設(shè)計，設(shè)計者可以利用鋁金屬基復(fù)合物的輕質(zhì)/高熱量熱容。在歐洲，設(shè)計者通常使用硼化的不銹鋼但是相較于鋁基復(fù)合物，其面密度(arealdensity)低，BIO同位素的上限是1.6%含量，合金密度高，且熱傳導(dǎo)和熱量熱容低。本發(fā)明的鋁基復(fù)合物沒有這些不足之處。除了市場對這種材料的需求外，在發(fā)展了鋁硼碳化物金屬基較高溫度復(fù)合物之后的另一個驅(qū)動力是，在制備環(huán)境中擠出高達33wt。/。的碳化硼復(fù)合材料的經(jīng)驗，包括在2000年3月28日公布的美國專利No.6,042,779題為"用于不連續(xù)的碳化物微粒金屬基復(fù)合物和超過共晶Al/Si合金的擠出制備方法"('779專利)中所述的技術(shù)，且該專利在此被全部引入作為參考。這一擠出技術(shù)可使得設(shè)計者自由設(shè)計以擠出凈尺寸的各種空心管外形，以便使得填裝密度最大化、添加助熔劑閥(addfluxtraps)和降低制造成本。一個將陶瓷微粒添加到納米顆粒鋁/氧化鋁高溫基合金中的具體應(yīng)用是添加核級碳化硼微粒。所有用于合金基材料的雜質(zhì)元素(trampelement)，例如Fe、Zn、Co、Ni、Cr等，受到同樣嚴密的限制，和根據(jù)如在上述美國專利No.5,965,829中所述的ASTMC750，碳化硼微粒是容易獲得的。該碳化硼微粒粒度分布是類似于在'829專利中所述的。對'829專利的教導(dǎo)的一個例外是使用具有如上所述的新粒度分布的高純鋁粉。用于本發(fā)明復(fù)合物的典型的制備路線是首先混合鋁粉和碳化硼微粒材料，接著使用如上參考專利中所述的CIP加上真空燒結(jié)技術(shù)而固結(jié)到坯中。在一優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)美國專利No.6，042，779('779專利)的教導(dǎo)進行擠出，該專利在此被全部引入作為參考。由于這是一個升溫鋁金屬基復(fù)合材料，所以發(fā)現(xiàn)必需改變擠出模具的溫度、容器的溫度和坯溫以便維持所需的性能。通常，希望模具表面壓力比以前所使用的標準金屬基復(fù)合材料增加約25%。為了克服該納米顆粒鋁/氧化鋁復(fù)合物基合金的較高的流動壓力，擠出壓力必需加大約25%以便擠出該材料。擠出模具技術(shù)是能夠承受這些較高擠出壓力而不會經(jīng)歷擠出模具崩塌的故障。下面列出了該新高溫納米顆粒鋁/氧化鋁加碳化硼(9%碳化硼增強濃度)的一個實例和所得到的典型的機械性能和物理性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注意張力試樣是根據(jù)ASTME8&ASTME21加工和測試的。根據(jù)ASTME1225測試熱傳導(dǎo)率。根據(jù)ASTME1461測試比熱。權(quán)利要求1.一種用于制備納米鋁/氧化鋁金屬基復(fù)合物的方法，包括步驟a)提供一鋁粉，其具有一固有的氧化物形成層和介于約0.1和約4.5wt％的氧化鋁含量以及約0.3到約5.0m2/g的比表面積；b)熱加工該鋁粉，并因此形成一超細晶基鋁合金；和c)通過重新分布所述的氧化鋁，同時在原位形成一基本上均勻分布的氧化鋁納米顆粒遍布所述的合金；其中，所述合金具有一基本上線性的性能/溫度曲線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化鋁粉具有一小于約30pm的粒度分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的超細基鋁合金具有一約200nm的粒度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱加工步驟是在低于所述合金的熔點溫度下進行的。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該鋁粉被霧化，并具有一直徑小于約3(Him的粒度，不管在粉末霧化制備過程中是何種霧化氣體類型和合金類型，其都帶有一厚度介于3-7nm的、固有出現(xiàn)的氧化物層。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法利用霧化鋁粉，不管在形成所述粉末中所用的是何種霧化氣體或者合金組成，該霧化粉末都具有100%粉末小于約3(Vm的粒度分布(PSD)和介于約1和約20pm的d50。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的方法是非機械煉制合金。8.—種納米鋁粉，包括約0.1至約4.5wt^的氧化物含量以及約0.3到約5.0m"g的比表面積，取決于具體鋁合金組合物的重結(jié)晶溫度，于約10(TC到約525'C的溫度熱加工該鋁粉，以精制晶粒大小和均質(zhì)化該金屬基復(fù)合物體系的納米顆粒增強相。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米鋁粉，包括選自二氧化硅、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氧化鈦、二硼化鈦和其混合物的陶瓷微粒，將該陶瓷微粒按體積計介于約5至40%添加并固化，熱加工至理論密度，得到高達約4%的納米3-7mn氧化鋁微粒與少于約200pm陶瓷微粒顆粒的雙峰分布，其改善了至少一種選自耐磨損性、彈性模量、較低CTE和增強強度中的機械和物理材料性10.—種納米鋁/氧化鋁復(fù)合材料，具有一純鋁粉，所述鋁粉具有一介于約0.1至約4.5%的氧化物含量和約0.3到約5.0m2/g的比表面積，所述鋁粉與約5至約40%核級碳化硼微粒根據(jù)ASTMC750說明書進行混合，其中碳化硼微粒具有100%小于約250p尺寸的PSD，該復(fù)合材料被特別地設(shè)計為用于具有較高機械性能的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，用于"干法"儲存核工業(yè)的已用核燃料的應(yīng)用。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米鋁/氧化鋁復(fù)合材料，其中氧化鋁顆粒的分布是均勻地被分散和碳化硼微粒是均勻地被分散遍布超細晶鋁金屬基而無需使用機械煉制合金加工技術(shù)。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米鋁/氧化鋁復(fù)合材料，其中所述的復(fù)合物均勻性(compositeuperiorhomogeneity)已通過大量的中子衰減測試，在PWR和BWR(去離子水和硼酸水)環(huán)境中都具有優(yōu)良的耐腐蝕性而被證實，以及在桶負載模擬測試條件(caskloadingsimulationtestconditions)中沒有表現(xiàn)出溶脹或分層。13.—種納米顆粒鋁/氧化鋁復(fù)合材料，該復(fù)合材料是通過下述步驟形成的將一種或多種高溶解性元素添加物添加到一熔體，使該熔體霧化和快速固化該霧化的熔體到一鋁粉中，其中所得的粉末包括一細小微粒金屬間鋁粉，該鋁粉具有100%小于約3(Him的粒度分布、介于約1至約2(Him的d50、介于約0.1和約4.5%的氧化物含量、以及約0.3到約5.0m2/g的比表面積，和隨后熱加工該粉末和同時將氧化物重新分布到均勻分散的、與金屬間化合物混雜在一起的納米氧化鋁顆粒中。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的納米鋁/氧化鋁復(fù)合材料，其中金屬間化合物具有約2至約3pm的粒度。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的納米鋁/氧化鋁復(fù)合材料，其中該粒度分布的氧化物含量直接與該粉末表面積成比例。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于制備納米鋁/氧化鋁金屬基復(fù)合物和由其生成的復(fù)合材料的方法。該方法的特征在于提供一鋁粉，其具有一固有的氧化物形成層和介于約0.1和約4.5wt.％的氧化鋁含量以及約0.3到約5.0m²/g的比表面積，熱加工該鋁粉，并形成一超細晶基鋁合金。同時，原位形成基本上均勻分布的氧化鋁納米顆粒。該合金具有基本上線性的性能/溫度曲線，以致即使在250℃和更高的溫度時，諸如強度之類的物理性能可以基本上得以保持。文檔編號B22F1/00GK101594952SQ200780039923公開日2009年12月2日申請日期2007年6月14日優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日發(fā)明者托馬斯·G·海恩斯三世,馬丁·巴洛格,馬丁·沃爾切申請人:納米技術(shù)金屬有限公司