高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料，具體涉及一種高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：
Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金為代表的7xxx系鋁合金具有高的比強(qiáng)度，良好的加工性能，較高的韌性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、軍用與民用工業(yè)等領(lǐng)域。然而隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)、電子技術(shù)、建筑等行業(yè)的發(fā)展，特別是航空航天、武器裝備、新能源等尖端行業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)不能滿足其性能需求，但由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料所組成的復(fù)合材料因具有顯著優(yōu)于單一材料的性能而成為材料技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。從拓展Al-Zn-Mg-Cu系合金應(yīng)用領(lǐng)域的角度出發(fā)，在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件應(yīng)用工況下，其運(yùn)行中在高溫（工作溫度頂部高達(dá)約430℃）、高壓（3~5MPa）及腐蝕工況（含SO2、SO3、NOx等）下承受反復(fù)交變載荷，且在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度很高（10~14m/s），導(dǎo)致其承受包括腐蝕、摩擦和磨損等破壞。油膜的破壞、局部溫度過高（如爆發(fā)面處）均會(huì)導(dǎo)致活塞產(chǎn)生粘著磨損，甚至發(fā)生拉缸現(xiàn)象。因此在該嚴(yán)酷工況下，發(fā)揮7075Al合金較高的韌性和優(yōu)良的可加工性，將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等寬溫域復(fù)雜氣氛耐磨材料領(lǐng)域，有望為7075Al合金的工業(yè)化應(yīng)用開拓一扇希望之窗。TixBy、TiC增強(qiáng)相因具有高硬度、高熔點(diǎn)、良好的耐磨耐蝕性及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，且與鋁基體有良好的界面物理化學(xué)相容性等特征，因此TixBy、TiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、制動(dòng)盤等高溫耐磨件領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能主要由增強(qiáng)相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)、分布以及增強(qiáng)相與基體相的界面結(jié)合等決定的。但是，傳統(tǒng)的外來(lái)添加法因存在顆粒表面有污染、彌散性差、添加量受限、界面結(jié)合差且易生成脆弱性副產(chǎn)物而嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，而Khodaei等人研究工作表明，原位自生法則因增強(qiáng)相是從金屬基體中原位生成的而具有熱穩(wěn)定性好、增強(qiáng)體表面潔凈無(wú)污染且與基體界面相容性好以及界面結(jié)合強(qiáng)度高、晶粒分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，成為鋁基復(fù)合材料研究中的一個(gè)重要方向。蘭曄峰等利用TiO2和B2O3與ZL102鋁合金通過熔體反應(yīng)法制備出（TiB2+Al2O3）雙相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明利用Al-TiO2-B2O3體系原位制備的顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的硬度較ZL102鋁合金提高了37.3%。機(jī)械合金化（MechanicalAlloying，簡(jiǎn)稱MA）作為一項(xiàng)固態(tài)非平衡加工技術(shù)，不僅可以使粉末混合均勻，形成超細(xì)粉末顆粒，與此同時(shí)，粒度的減小誘發(fā)粉末原子間相互擴(kuò)散或產(chǎn)生固態(tài)反應(yīng)從而完成合金化過程。自蔓延高溫合成（SelfPropagatingHighTemperatureSynthesis，簡(jiǎn)稱SHS）主要利用外部提供的能量來(lái)誘發(fā)強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，所釋放出的強(qiáng)大能量會(huì)使反應(yīng)以燃燒波的形式自動(dòng)蔓延下去，從而得到所需材料，但這一過程需要滿足一定的熱力學(xué)條件，通常以絕熱溫度（AdiabaticTemperature，簡(jiǎn)稱Tad）的大小來(lái)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Schaffer等通過試驗(yàn)證明，采用MA誘發(fā)SHS，只需Tad大于1300K。而熱壓燒結(jié)技術(shù)（HotPressedSintering，簡(jiǎn)稱HP）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種晶粒細(xì)小、高致密度、良好機(jī)械和電學(xué)性能產(chǎn)品的制備方法，且通過降低燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間可保持預(yù)合金粉末的超細(xì)結(jié)構(gòu)。因此，可用來(lái)制備高強(qiáng)超細(xì)(TixBy-TiC)/7075Al復(fù)合材料。而傳統(tǒng)的加工工藝，如鑄造，難以得到高致密超細(xì)晶塊體材料；而采用MA-SHS-HP制備方法較傳統(tǒng)增強(qiáng)相顆粒添加法制備的(TixBy-TiC)/7075Al中，當(dāng)TixBy-TiC含量大于50%后，其仍保持良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料及其制備方法，TixBy-TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35-80%。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取20-65%7075Al粉、25-58%Ti粉和10-22%B4C粉；步驟二：按料：磨球=1：20的質(zhì)量比將上述原料粉末裝入抽真空并充入氬氣的球磨罐中進(jìn)行機(jī)械合金化球磨至少20h，使Ti粉和B4C粉發(fā)生自蔓延反應(yīng)生成TixBy和TiC粉，且與7075Al均勻混合，得到細(xì)小均勻的（TixBy、TiC）和7075Al的混合物；步驟三：將機(jī)械合金化后的TixBy、TiC和7075Al的混合物填入石墨模具中，通過熱壓燒結(jié)即形成所需的塊體復(fù)合材料；其中，燒結(jié)溫度為650℃-720℃，燒結(jié)壓力為30MPa。步驟二中，球磨罐和磨球均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，磨球直徑為10mm。步驟三中，熱壓燒結(jié)條件為：真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至燒結(jié)溫度并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。如所述的高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料的制備方法制得的高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明TixBy、TiC增強(qiáng)相是在機(jī)械合金化過程中發(fā)生自蔓延反應(yīng)生成，增強(qiáng)相顆粒表面無(wú)污染，與基體結(jié)合較其他方法更好，分布更均勻。2、在機(jī)械合金化過程中根據(jù)7075Al粉的添加來(lái)調(diào)節(jié)(TixBy-TiC)/7075Al復(fù)合材料中TixBy-TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所以制備的(TixBy-TiC)/7075Al復(fù)合材料中，TixBy-TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35-80%。3、在機(jī)械合金化過程中多余的Ti粉固溶至7075Al粉中或與其發(fā)生反應(yīng)形成AlTi化合物，避免了因成分偏析所造成的性能不均勻性以及多余Ti粉存在致使界面結(jié)合強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)，可得高致密且分布均勻的(TixBy-TiC)/7075Al燒結(jié)體。4、將機(jī)械合金化技術(shù)誘發(fā)自蔓延反應(yīng)技術(shù)與熱壓燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合（MA-SHS-PAS），研制的新型(TixBy-TiC)/7075Al復(fù)合材料可解決寬溫域腐蝕氣氛下高速磨損工況下活塞材料的安全應(yīng)用問題。附圖說明圖1是實(shí)施例1機(jī)械合金化后65%7075Al+35%（TixBy-TiC）混合物的掃描電鏡照片及元素分布圖。圖2是實(shí)施例1熱壓燒結(jié)后塊體復(fù)合材料掃描電鏡照片。圖3是實(shí)施例2機(jī)械合金化后50%7075Al+50%（TixBy-TiC）復(fù)合粉體的掃描電鏡照片。圖4是實(shí)施例實(shí)施例2制得復(fù)合材料塊體的X射線衍射分析結(jié)果。圖5是實(shí)施例3制得復(fù)合材料塊體的背散射掃描電鏡照片。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明涉及的高強(qiáng)超細(xì)（TixBy-TiC）/7075Al復(fù)合材料的制備方法，是高純度且TixBy-TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35-80%的高強(qiáng)超細(xì)(TixBy-TiC)/7075Al復(fù)合材料的制備方法，采用Ti粉、B4C粉機(jī)械合金過程中自蔓延反應(yīng)生成TixBy-TiC，再通過熱壓燒結(jié)得到復(fù)合材料，以解決現(xiàn)有工藝添加TixBy-TiC含量過大后使材料致密度和界面結(jié)合強(qiáng)度大幅下降的缺陷。包括以下步驟：步驟一：按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取20-65%7075Al粉、25-58%Ti粉和10-22%B4C粉；步驟二：按料：磨球=1：20的質(zhì)量比將上述原料粉末裝入抽真空并充入氬氣的球磨罐中進(jìn)行機(jī)械合金化球磨至少20h，使Ti粉和B4C粉發(fā)生自蔓延反應(yīng)生成TixBy和TiC粉，且與7075Al均勻混合，得到細(xì)小均勻的（TixBy、TiC）和7075Al的混合物；步驟三：將機(jī)械合金化后的TixBy、TiC和7075Al的混合物填入石墨模具中，通過熱壓燒結(jié)即形成所需的塊體復(fù)合材料；其中，燒結(jié)溫度為650℃-720℃，燒結(jié)壓力為30MPa。步驟二中，球磨罐和磨球均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，磨球直徑為10mm。步驟三中，熱壓燒結(jié)條件為：真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至燒結(jié)溫度并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。實(shí)施例1：按原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：65%7075Al粉、25.3%Ti粉和9.7%B4C粉稱取純度99.5%的7075Al粉(氮?dú)忪F化法制備7075Al粉,其實(shí)質(zhì)為Al（Zn,Mg,Cu）固溶體)65g、純度99.9%的Ti粉25.3g和純度99.9%的B4C粉9.7g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為10mm的不銹鋼磨球2000g，球磨前需用O型密封圈密封后對(duì)球磨罐抽真空并充入氬氣，在轉(zhuǎn)速為300r·min-1和球磨時(shí)間為30h下進(jìn)行混合球磨，制得混合物粉末成分為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：(TixBy-TiC)35%，7075Al65%。從圖1可看出，所得7075Al和TixBy-TiC的混合粉末為均勻的混合物，還可看出，由C、B元素分布可以推斷出Al-Ti-B4C體系粉末反應(yīng)進(jìn)行較為完全。稱取按實(shí)施例1制取的混合物粉末30g，裝入高強(qiáng)度石墨模具，在上海晨華電爐有限公司生產(chǎn)熱壓燒結(jié)爐(ZT-40-20Y)中進(jìn)行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)壓力30MPa，真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至650℃并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)體經(jīng)過機(jī)械切割加工成一定尺寸，按照實(shí)驗(yàn)拋光的具體操作，首先在砂紙上磨光后，再在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，處理后的試樣采用Hitachi5-2500掃描電鏡對(duì)其微觀組織形貌進(jìn)行觀察。圖2為實(shí)施例1制得復(fù)合材料塊體的背散射掃描電鏡照片，7075Al為連續(xù)的基體相，而TixBy-TiC為非連續(xù)相，且分布較均勻。其致密度經(jīng)測(cè)試為99.2%，硬度為179.8HRC。實(shí)施例2：按原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：50%7075Al粉、36.1%Ti粉和13.9%B4C粉稱取純度99.5%的7075Al粉(氮?dú)忪F化法制備7075Al粉，其實(shí)質(zhì)為Al（Zn,Mg,Cu）固溶體)50g、純度99.9%的Ti粉36.1g和純度99.9%的B4C粉13.9g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為10mm的不銹鋼磨球2000g，球磨前需用O型密封圈密封后對(duì)球磨罐抽真空并充入氬氣，在轉(zhuǎn)速為300r·min-1和球磨時(shí)間為25h下進(jìn)行混合球磨，制得混合物粉末成分為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：(TixBy-TiC)50%，7075Al50%。圖3是實(shí)施例2機(jī)械合金化后50%7075Al+50%（TixBy-TiC）復(fù)合粉體的掃描電鏡照片，可看出基體Al（Zn,Mg,Cu）固溶體與均勻分布的納米級(jí)及微米級(jí)(TixBy-TiC)增強(qiáng)相。稱取按實(shí)施例2制取的混合物粉末30g，裝入高強(qiáng)度石墨模具，在上海晨華電爐有限公司生產(chǎn)熱壓燒結(jié)爐(ZT-40-20Y)中進(jìn)行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)壓力30MPa，真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至670℃并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)體經(jīng)過機(jī)械切割加工成一定尺寸，按照實(shí)驗(yàn)拋光的具體操作，首先在砂紙上磨光后，再在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，處理后的試樣采用日本島津X射線衍射儀（XRD-7000）對(duì)其相組成分析。圖4為實(shí)施例2制得復(fù)合材料塊體的X射線衍射分析結(jié)果。MA+SHS+HP制得的材料主要由Al（Zn,Mg,Cu）固溶體和(TixBy-TiC)相組成，少量AlTi相。燒結(jié)體致密度經(jīng)測(cè)試為97.3%，硬度為201.1HRC。實(shí)施例3：按原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：35%7075Al粉、46.9%Ti粉和18.1%B4C粉稱取純度99.5%的7075Al粉(氮?dú)忪F化法制備7075Al粉，其實(shí)質(zhì)為Al（Zn,Mg,Cu）固溶體)35g、純度99.9%的Ti粉46.9g和純度99.9%的B4C粉18.1g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為10mm的不銹鋼磨球2000g，球磨前需用O型密封圈密封后對(duì)球磨罐抽真空并充入氬氣，在轉(zhuǎn)速為300r·min-1和球磨時(shí)間為25h下進(jìn)行混合球磨，制得混合物粉末成分為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：(TixBy-TiC)65%，7075Al35%。稱取按實(shí)施例3制取的混合物粉末30g，裝入高強(qiáng)度石墨模具，在上海晨華電爐有限公司生產(chǎn)熱壓燒結(jié)爐(ZT-40-20Y)中進(jìn)行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)壓力30MPa，真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至690℃并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)體經(jīng)過機(jī)械切割加工成一定尺寸，按照實(shí)驗(yàn)拋光的具體操作，首先在砂紙上磨光后，再在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，處理后的試樣采用Hitachi5-2500掃描電鏡對(duì)其微觀組織形貌進(jìn)行觀察。圖5為實(shí)施例3制得復(fù)合材料塊體的背散射掃描電鏡照片。7075Al為連續(xù)相，而TixBy-TiC為非連續(xù)相，且存在較多孔洞。燒結(jié)體致密度經(jīng)測(cè)試為92.3%，硬度為254.1HRC。實(shí)施例4：按原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：20%7075Al粉、57.8%Ti粉和22.2%B4C粉稱取純度99.5%的7075Al粉(氮?dú)忪F化法制備7075Al粉,其實(shí)質(zhì)為Al（Zn,Mg,Cu）固溶體)20g、純度99.9%的Ti粉57.8g和純度99.9%的B4C粉22.2g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為10mm的不銹鋼磨球2000g，球磨前需用O型密封圈密封后對(duì)球磨罐抽真空并充入氬氣，在轉(zhuǎn)速為300r·min-1和球磨時(shí)間為25h下進(jìn)行混合球磨，制得混合物粉末成分為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：(TixBy-TiC)80%，7075Al20%。稱取按實(shí)施例4制取的混合物粉末30g，裝入高強(qiáng)度石墨模具，在上海晨華電爐有限公司生產(chǎn)熱壓燒結(jié)爐(ZT-40-20Y)中進(jìn)行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)壓力30MPa，真空度為6.67×10-3Pa，熱壓燒結(jié)30min后以10℃/min的升溫速率升溫至720℃并保溫90min，然后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)體致密度經(jīng)測(cè)試為86.1%，硬度為236.8HRC。本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。