本發明屬于金屬合金材料鑄造領域，涉及一種顆粒增強鋁合金，具體為一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。
背景技術：
：為了充分開發和利用顆粒增強金屬基復合材料的潛在性能，正確地進行材料設計，首先應該了解材料的破壞機制及其影響因素。復合材料的強度和破壞與組分、界面及其隨機缺陷密切相關，并且尚無確切的力學模型和相應的規律，具體地匹配、工藝、界面和基體都會影響復合材料的宏觀強度性能；界面剝離(脫粘)、基體破壞等這些局部損傷都極有可能導致復合材料結構過早生效。目前主要研究的顆粒增強金屬基復合材料中的顆粒體積分數都是在30％以下，而隨著材料制備工藝的完善和發展，使得高顆粒體積分數金屬基復合材料的成本降低、材料質量提高。目前高體積分數金屬基復合材料在航空航天和軍工等領域中得到廣泛的應用，而目前對高體積分數金屬基復合材料的研究卻幾乎是剛剛起步。這樣更加迫切的需要對高體積分數顆粒增強金屬基復合材料力學性能的研究。由于顆粒體積分數的不同，顆粒增強粒子大小的選擇由復合材料的制造工藝、基體金屬的種類和成分、成本及保證顆粒與基體有適當的物理和化學相容性等因素所決定。但是，關于顆粒尺寸對性能的影響還缺乏系統的研究，尺寸的選擇還比較盲目。通過調整所加入增強粒子的各種參數可以對復合材料的性能進行一定的調節，如提高彈性模量和強度、改善溫度蠕變性能、增加耐磨性或者調解熱膨脹系數等。顆粒增強金屬基復合材料在制造、加工及服役過程中，不可避免的要經過高溫過程，如熱處理或在高溫、熱循環載荷下工作。由于增強體與基體的熱膨脹系數往往有較大差別，在變溫過程中會產生熱應變，造成相間熱應力或殘余應力。越來越多的研究表明，這種殘余應力的大小以及分布形態對復合材料在其服役過程中的破壞力學行為有著不可忽視的影響。技術實現要素：本發明解決的技術問題是：為了克服現有技術的缺陷，獲得一種高顆粒體積分數金屬基復合材料，且保證材料具有良好的力學性能，本發明提供了一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。技術方案：一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：二氧化硅5.9～11.3wt.％、碳化硅26.2～32.5wt.％、三氧化二鋁5.2～8.9wt.％、鐵1.2～3.5wt.％、鈦0.2～1.2wt.％、銅1.1～3.9wt.％、氧化錫0.1～0.9wt.％、氧化鑭0.2～0.8wt.％、余量為鋁。優選的，二氧化硅的質量分數百分比為7.8～10.7wt.％。優選的，碳化硅的質量分數百分比為28.2～30.5wt.％。優選的，三氧化二鋁的質量分數百分比為6.3～8.5wt.％。優選的，鋁元素與二氧化硅的質量比不超過15。優選的，鋁元素與碳化硅的質量比不超過4。優選的，鋁元素與鐵元素的質量比大于50。一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將氧化錫和氧化鑭加入無水乙醇中，m/v為1:10～25，置于球磨機內，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理1～4小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40～56℃的烘箱中，去除無水乙醇；(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入二氧化硅和碳化硅，在690～750℃內保溫30～65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、鐵、鈦和銅后保溫攪勻，在740～780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20～40分鐘，再加入表面活性劑，在700～720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得高體積分數顆粒增強鋁基復合材料。優選的，固溶處理的溫度為490～530℃，時間為5～16小時。優選的，時效處理的溫度為215～260℃，時間為20～48小時。有益效果：(1)本發明所述高體積分數顆粒增強鋁基復合材料中的顆粒體積分數在30％以上；(2)本發明所述復合材料具有高彈性模量和強度、良好的抗溫度蠕變性能、較好的耐磨性；(3)本發明所述復合材料能夠有效避免界面剝離(脫粘)、基體破壞等，從而保證復合材料的使用壽命。具體實施方式實施例1一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：二氧化硅5.9wt.％、碳化硅26.2wt.％、三氧化二鋁5.2wt.％、鐵1.2wt.％、鈦0.2wt.％、銅1.1wt.％、氧化錫0.1wt.％、氧化鑭0.2wt.％、余量為鋁。一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將氧化錫和氧化鑭加入無水乙醇中，m/v為1:10，置于球磨機內，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理1小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于40℃的烘箱中，去除無水乙醇；(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入二氧化硅和碳化硅，在690℃內保溫30分鐘；(4)添加三氧化二鋁、鐵、鈦和銅后保溫攪勻，在740℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20分鐘，再加入表面活性劑，在700℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得高體積分數顆粒增強鋁基復合材料。固溶處理的溫度為490℃，時間為5小時。時效處理的溫度為215℃，時間為20小時。實施例2一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：二氧化硅7.2wt.％、碳化硅28.5wt.％、三氧化二鋁6.7wt.％、鐵1.8wt.％、鈦0.5wt.％、銅1.8wt.％、氧化錫0.3wt.％、氧化鑭0.4wt.％、余量為鋁。一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將氧化錫和氧化鑭加入無水乙醇中，m/v為1:13，置于球磨機內，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理2小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于45℃的烘箱中，去除無水乙醇；(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入二氧化硅和碳化硅，在712℃內保溫40分鐘；(4)添加三氧化二鋁、鐵、鈦和銅后保溫攪勻，在755℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置25分鐘，再加入表面活性劑，在708℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得高體積分數顆粒增強鋁基復合材料。固溶處理的溫度為500℃，時間為8小時。時效處理的溫度為225℃，時間為28小時。實施例3一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：二氧化硅9.7wt.％、碳化硅30.8wt.％、三氧化二鋁7.8wt.％、鐵2.7wt.％、鈦0.9wt.％、銅2.5wt.％、氧化錫0.6wt.％、氧化鑭0.6wt.％、余量為鋁。一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將氧化錫和氧化鑭加入無水乙醇中，m/v為1:18，置于球磨機內，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理3小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于50℃的烘箱中，去除無水乙醇；(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入二氧化硅和碳化硅，在738℃內保溫55分鐘；(4)添加三氧化二鋁、鐵、鈦和銅后保溫攪勻，在760℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置32分鐘，再加入表面活性劑，在715℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得高體積分數顆粒增強鋁基復合材料。固溶處理的溫度為515℃，時間為12小時。時效處理的溫度為240℃，時間為36小時。實施例4一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為：二氧化硅11.3wt.％、碳化硅32.5wt.％、三氧化二鋁8.9wt.％、鐵3.5wt.％、鈦1.2wt.％、銅3.9wt.％、氧化錫0.9wt.％、氧化鑭0.8wt.％、余量為鋁。一種高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，包含以下步驟：(1)將氧化錫和氧化鑭加入無水乙醇中，m/v為1:25，置于球磨機內，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理4小時；(2)將步驟(1)超聲處理后的體系置于56℃的烘箱中，去除無水乙醇；(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入二氧化硅和碳化硅，在750℃內保溫65分鐘；(4)添加三氧化二鋁、鐵、鈦和銅后保溫攪勻，在780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置40分鐘，再加入表面活性劑，在720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得高體積分數顆粒增強鋁基復合材料。固溶處理的溫度為530℃，時間為16小時。時效處理的溫度為260℃，時間為48小時。對實施例1～4制備獲得的高體積分數顆粒增強鋁基復合材料進行性能測試，結果如下表所示：實施例1實施例2實施例3實施例4彈性模量/gpa498590610600密度/g·cm-33.963.893.923.90局部應變率/s4500502051305080當前第1頁12