[0001] 本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种颗粒增强铝基复合材料构筑成型的方法。

[0002] 颗粒增强铝基复合材料遗传了铝合金与增强材料的力学与物理特性，显示出高比强度、高比模量、耐磨损、低膨胀、高热导以及特殊功能特性，并在复合效应下产生良好的抗疲劳、抗蠕变、耐热、减振等优点，在高精度机电产品、空间光学仪器、惯导仪器、轨道交通与地面交通装备、电子器件、通信设施、新光源、微波装置等领域具有广阔的应用前景。

[0003] 现有颗粒增强铝基复合材料受制备工艺和生产设备的限制，难以实现复合材料的大尺寸化，并通常以焊接来进行连接。颗粒增强铝基复合材料的焊接方法主要包括熔化焊、钎焊和搅拌摩擦焊和扩散焊，对于熔化焊而言，在熔池结晶过程中，对于SiCp/Al的陶瓷增强相熔点远高于基体，当加热温度超过640℃时，基体中的Al会与SiC反应生成Al4C3脆性化合物，严重影响接头性能，此外，随着增强颗粒含量的增加，加剧了熔池粘滞，导致气孔、裂纹等缺陷增多。对于钎焊而言，使焊后接头处力学性能普遍低于复合材料母材，受限于钎料性能，常难以应用于强度要求高的结构中；并且，随着陶瓷颗粒的增加，母材与钎料间润湿性较差。

[0004] CN117245201A通过以铝粉和增强颗粒混合后做中间层，然后通过搅拌摩擦焊进行焊接，采用此方法，增强相重量分数不大于30％，且仅适用于薄板焊接。CN110293304B通过将Al2O3、TiB2等惰性强化相做中间层，通过电子束进行焊接，采用此方法增强相体积分数不大于40％。并且可焊接的复合材料规格较小难以实现大尺寸高体分铝基复合材料焊接。

[0005] 综上所述，亟需一种新型连接工艺，改善不同体积分数铝基复合材料在传统焊接过程中因易出现孔洞、易发生有害界面反应，结合强度低以及焊接规格有限的问题，从而实现多块复合材料有效连接，提高结合处的致密度和结合强度，并降低复合材料的界面反应程度，实现大尺寸复合材料连接的可靠性，提高材料利用率，并使大尺寸异形构件加工材料损耗率降低。

[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0040] 通过以铝合金做为中间层连接不同颗粒含量的铝基复合材料，并经过热等静压，可以实现复合材料高温、高压和真空条件下界面的紧密连接，避免孔洞、裂纹的产生。

[0041] 热等静压炉温度和压力精确可控，提升产品质量，此外，可由铝合金中间在层高温下产生液相，增加结合面处于半裸露状态的增强颗粒的润湿性，提高结合处的强度。

[0042] 实施例一

[0043] 参照图1，在本发明实施例中，本实施例提供了一种颗粒增强铝基复合材料构筑成型的方法，包括：

[0044] S101：获取增强颗粒体积分数为0到75％的纯净并半裸露出增强颗粒的复合材料表面；

[0045] S102：根据复合材料增强颗粒的最大粒度选择厚度为0.1‑0.5mm铝合金中间层纯净表面；

[0046] S103：将多件复合材料按顺序摆放，在相邻的复合材料中间放置铝合金中间层，复合材料与铝合金中间层固定并进行封包套热等静压处理；

[0047] S104：通过物理办法去除表面铝合金包套，获得构筑成型的颗粒增强铝基复合材料。

[0048] 在S101中，增强颗粒体积分数可以是0、也可以是60％、还可以是75％，具体的含量可根据实际的需求进行选用；在步骤S102中，根据复合材料增强颗粒的最大粒度选择不同厚度的铝合金中间层，需要解释的是，复合材料增强颗粒可以是SiC、B4C、Si的一种或多种，最大粒度是指SiC、B4C和Si的一种或多种内的最大颗粒度，例如，当SiC、B4C和Si的一种或多种的最大粒度不大于20μm时，铝合金中间层的厚度选用0.1mm，当增强颗粒的最大颗粒度不大于50μm时或为100μm时，铝合金中间层的厚度为0.5mm，以上是铝合金中间层厚度的具体举例，铝合金中间层具体的厚度可根据实际的需求进行选用。

[0049] 具体的，在第一个实施例中，选用两块尺寸为φ160mm×40mm的60vol.％SiC/Al复合材料进行碱蚀洗，其中氢氧化钠的浓度为100g/L，蚀洗时间为40min，然后过清水后，用150g/L的硝酸溶液进行清洗，时间为20min，在用高压水枪清洗复合材料表面挂灰，得到粗糙度Ra为8.7μm的复合材料的纯净表面。

[0050] 由于60vol.％SiC/Al复合材料选用的SiC粒度可达100μm，故选用尺寸为φ160mm×0.5mm的1060Al做中间层，先在浓度为50g/L的氢氧化钠溶液中脱脂3min，然后在浓度100g/L的硝酸溶液中和，获得平滑光泽无氧化膜的1060Al中间层。

[0051] 将脱脂后的1060Al中间层放在碱蚀洗完的复合材料中间，并采用点焊的方式对复合材料和中间层进行固定。再令3mm的1060Al对待构筑成型的复合材料进行封包套，封包套后并焊接内径10mm的不锈钢抽气管。

[0052] 令包套放入台式电阻炉中进行加热，在加热前先将不锈钢抽气管连接罗茨泵进行抽真空，再令包套进行升温加热，包套在2h由22℃加热到450℃后进行保温，当真空度为3.2‑2 ‑2×10 Pa后，开始计时，保温3h后真空度为2.8×10 Pa，再令包套密封并冷却至室温。

[0053] 将冷却至室温的构筑成型复合材料装入热等静压炉，热等静压气体采用纯度99.99％以上的氩气，由27℃开始升温，升温速度为5℃/min，升温至480℃开始保温，并保持压力在80MPa，保温3h后，以2℃/min开始升温，升温至620℃后进行保温，保温3h，并保持压力在100MPa，保温保压结束后，关闭温度与压力程序，构筑成型坯料随炉冷却至185℃时出炉，出炉后的构筑成型复合材料继续冷却至室温，采用铣床铣去1060Al包套，获得构筑成型的60vol.％SiC/Al复合材料。

[0054] 采用该实施例制备的60vol.％SiC/Al复合材料，在图2所示金相组织下无孔洞裂纹等缺陷，如图3所示XRD分析，未发现Al4C3有害相存在，抗弯强度为404MPa，高于GB/T 41736‑2022中对高体分铝基复合材料360MPa的抗弯强度的要求。

[0055] 在第二个实施例中，选用190mm×120mm×35mm的27wt.％Si/Al复合材料两块和190mm×120mm×35mm的50wt.％Si/Al进行碱蚀洗，其中氢氧化钠的浓度为200g/L，蚀洗时间为20min，然后过清水后，用300g/L的硝酸溶液进行清洗，时间为10min，在用高压水枪清洗复合材料表面挂灰，获得粗糙度Ra为3.1μm的复合材料的纯净表面。

[0056] 由于27％Si/Al和50％Si/Al的最大Si颗粒不大于20μm，故取两块规格为190mm×120mm×0.1mm的4047Al作中间层，先令铝合金中间层在150g/L的氢氧化钠溶液中脱脂
2.5min，然后在浓度300g/L的硝酸溶液中和，获得平滑光泽无氧化膜的4047Al中间层。

[0057] 将脱脂后的两块4047Al中间层分别放在碱蚀洗完的27wt.％Si/Al和50wt.％Si/Al之间，并采用点焊的方式对复合材料和中间层进行固定。再采用5mm的1060Al对待构筑成型的复合材料进行封包套，封包套后并焊接内径10mm的不锈钢抽气管。然后将包套放入台式电阻炉中进行加热，在加热前先将不锈钢抽气管连接罗茨泵进行抽真空，后开始对包套‑2进行升温，包套在2.5h由21℃加热到520℃后进行保温，当真空度为4.3×10 Pa后，开始计‑2
时，保温6h后真空度为1.6×10 Pa，对包套密封，出炉，并冷却至室温。

[0058] 将冷却至室温的构筑成型复合材料装入热等静压炉，热等静压气体采用纯度99.99％以上的氩气，由34℃开始升温，升温速度为1℃/min，升温至450℃开始保温，并保持压力在80MPa，保温1h后，以0.5℃/min开始升温，升温至575℃后进行保温，保温6h，并保持压力在200MPa，保温保压结束后，关闭温度与压力程序，构筑成型批量随炉冷却至163℃时出炉。

[0059] 将出炉后的构筑成型复合材料继续冷却至室温，采用铣床铣去1060Al包套，获得构筑成型的(27‑50)wt.％Si/Al梯度复合材料。

[0060] 采用该实施例制备的(27‑50)wt.％Si/Al梯度复合材料如图4所示。通过图5金相组织观察，发现界面结合良好，结合处无孔洞裂纹等缺陷，结合处抗弯强度可达364MPa。

[0061] 在第三个实施例中，选用80mm×70mm×35mm的50wt.％B4C/Al复合材料两块进行碱蚀洗，其中氢氧化钠的浓度为300g/L，蚀洗时间为10min，然后过清水后，用450g/L的硝酸溶液进行清洗，时间为5min，在用高压水枪清洗复合材料表面挂灰，获得粗糙度Ra为5.5的复合材料表面。

[0062] 由于50wt.％B4C/Al的最大B4C颗粒不大于50μm，故取两块规格为70mm×35mm×0.25mm的6061Al做中间层，先在浓度为200g/L的氢氧化钠溶液中脱脂0.5min，然后在浓度
500g/L的硝酸溶液中和，获得平滑光泽无氧化膜的6061Al中间层。

[0063] 将脱脂后的6061Al中间层分别放在碱蚀洗完的50wt.％B4C/Al之间，并采用点焊的方式对复合材料和中间层进行固定。再采用10mm的1060Al对待构筑成型的复合材料进行封包套，封包套后并焊接内径10mm的不锈钢抽气管。然后将包套放入台式电阻炉中进行加热，在加热前先将不锈钢抽气管连结罗茨泵进行抽真空，后开始对包套进行升温，包套在‑22.5h由33℃加热到480℃后进行保温，当真空度为3.1×10 Pa后，开始计时，保温10h后真空‑2
度为2.2×10 Pa，对包套密封，出炉，并冷却至室温。

[0064] 将冷却至室温的构筑成型复合材料装入热等静压炉，热等静压气体采用纯度99.99％以上的氩气，由27℃开始升温，升温速度为3℃/min，升温至520℃开始保温，并保持压力在80MPa，保温4h后，以1℃/min开始升温，升温至640℃后进行保温，保温10h，并保持压力在150MPa，保温保压结束后，关闭温度与压力程序，构筑成型坯料随炉冷却至193℃时出炉。

[0065] 将出炉后的构筑成型复合材料继续冷却至室温，采用铣床铣去1060Al包套，获得构筑成型的50wt.％B4C/Al复合材料。

[0066] 采用该实施例制备的50wt.％B4C/Al复合材料如图6所示，并进行射线探伤，内部冶金质量满足HB 963规定的航空Ⅰ类铸件标准，射线探伤底片如图7所示，界面结合良好，结合处无孔洞裂纹等缺陷。

[0067] 在第四个实施例中，选用75mm×50mm×50mm的65vol.％SiC/Al复合材料，其中4个角切去10mm×10mm×50mm的长条，并用4块10mm×10mm×50mm的20vol.％SiC/Al进行填充。对上述两种成分的复合材料进行碱蚀洗，氢氧化钠的浓度为150g/L，蚀洗时间为30min，然后过清水后，用250g/L的硝酸溶液进行清洗，时间为15min，再用高压水枪清洗复合材料表面挂灰，获得的65vol.％SiC/Al和20vol.％SiC/Al其表面粗糙度Ra为9.3和2.7。

[0068] 65vol.％SiC/Al和20vol.％SiC/Al最大SiC颗粒可达150μm，故选取1060Al规格为50mm×10mm×0.5mm，数量为8块做中间层，先在浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中脱脂2min，然后在浓度200g/L的硝酸溶液中和，获得平滑光泽无氧化膜的1060Al中间层。

[0069] 将脱脂后的1060Al中间层分别放在碱蚀洗完的65vol.％SiC/Al和20vol.％SiC/Al之间，并采用点焊的方式对复合材料和中间层进行固定。再采用5mm的1060Al对待构筑成型的复合材料进行封包套，封包套后焊接内径10mm的不锈钢抽气管。然后将包套放入台式电阻炉进行加热，在加热前先将不锈钢抽气管连结罗茨泵进行抽真空，后开始对包套进行‑2升温，包套在2.5h由29℃加热到500℃后进行保温，当真空度为4.4×10 Pa后，开始计时，保‑2
温8h后真空度为3.7×10 Pa，对包套密封，出炉，并冷却至室温。

[0070] 将冷却至室温的构筑成型复合材料装入热等静压炉，热等静压气体采用纯度99.99％以上的氩气，由31℃开始升温，升温速度为2℃/min，升温至500℃开始保温，并保持压力在80MPa，保温2h后，以2℃/min开始升温，升温至600℃后进行保温，保温8h，并保持压力在180MPa，保温保压结束后，关闭温度与压力程序，构筑成型坯料随炉冷却至177℃时出炉。

[0071] 将出炉后的构筑成型复合材料继续冷却至室温，采用铣床铣去1060Al包套，获得构筑成型复合材料如图8所示，并进行线切割和数控铣获得加工样件，构筑成型料以及样件如图9所示。

[0072] 在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0073] 此外，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。