[00327663]高速超塑性ZrB2/2024Al复合材料

　　铝基复合材料具有高比强度、高比刚度以及高耐磨损性能，相比传统单一材料强度更高、更轻、更耐磨，是一种应用前景广阔新能源材料。然而，由于复合材料内部含有大量的增强颗粒，使得其综合性能大幅提升的同时，导致材料塑性变差，后续成型加工变得困难，尤其是复合材料焊接成型，难以形成形状复杂的结构零部件，成为铝基复合材料零件化有待于突破的一大瓶颈。

　　上世纪90年代初，日本研究人员率先开发出了SiC/6061Al高速超塑性铝基材料，其塑性延伸率可达200%以上，报道最高延伸率为918%。这种新型高速超塑性铝基复合材料，兼具了传统铝基复合材料的高强高韧高耐磨性能方面外，最突出的优点是具有高速超塑性，可进行超塑成型技术加工。在第八届超塑性国际会议上，日本和瑞士等国的汽车公司介绍了用超塑成形方法生产的大型铝合金覆盖件，为超塑成形在汽车工业中的应用开辟了前景。美国航天局利用超塑性制造碳化硅铝基复合材料涡轮发动机，据报道已进入地面试车阶段。美国DWA公司采用超塑性成形技术生产含体积分数为20%-65wt。%SiCp的6063铝合金复合材料自行车架，改善了自行车的骑行性能，这种自行车年销量已达5万辆。此外，由于超塑性铝基复合材料成型后仍具有很高的强度，因此，在医学上可用作生物性材料制作的矫形用的支架，如颈椎、脊椎外伤后的内固定支架，既轻巧又坚固。

　　产品性能、指标

　　ZrB2/2024Al复合材料的成分、组织和性能等特点如下：

　　（1）制备合成特点：采用熔体直接反应合成，无需特种设备，投资少，所用原料均为工业用混合盐原料，生产成本较低。

　　（2）组织特点：ZrB2增强颗粒分布均匀（约占2-5%vol），大小在10μm以下，基体铝晶粒细小，所以具有优异的超塑性能。

　　（3）性能特点：硬度变化范围大（HBW 40-65）；高强度（σb 200MPa）；塑性好（ 延伸率δ>100%），应变速率高（ε×10-2s-1）；高耐磨性（优于2系铝合金）。

　　（4）工艺特点：超塑性成形的流动应力可降低10-100倍，对模具的损耗大大减小，可在吨位较小的设备上成形较大的工件；成形后的工件不存在硬化引起的弹性残余应力，尺寸稳定，抗腐蚀能力强，屈服强度和疲劳强度等机械性能都有显著的提高；应用超塑性成形可以一步成形出形状复杂的工件，尺寸精度一般可以达到LT8-10级，表面粗糙度可达到Ra0。2-0。8，一般无需后续研磨或抛光等表面加工，大大节约了材料。

　　（5）加工特点：一次性成型，简化了加工工序，实现了净成形，由于所成形的工件晶粒可细化到12-16级，故具有良好的力学性能。由于工件成形时工作应力小，模具寿命可提高3-6倍，甚至10倍以上。由于超塑成形没有回弹，加工偏差一般都小于3。5‰，公差与精密机加工相近；尤其符合全世界倡导的绿色环保加工的要求。

　　适用范围、市场前景

　　采用超塑成形技术可以制造轿车的车身、覆盖件、活塞等，使轿车（ Bugatti EB110） 重量减轻一半，大大降低了油耗与排放。例如，用铝基复合材料制造的刹车盘，与铸铁件相比重量减轻50-60%。随着低温、高应变速率超塑变形研究以及塑性加工技术的不断突破，将给超塑铝基复合材料的发展带来巨大的推动力，给社会生产带来更大的经济效益。