一种多元纳米复合强化耐热铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种多元纳米复合强化耐热铝基复合材料的制备方法，预先在纳米碳表面包覆金属离子前驱物，然后将纳米碳均匀分散于铝粉中并通过热处理使前驱物转化为氧化物，进而对所得复合粉末进行反应烧结和致密化处理，获得多元纳米增强铝基复合材料。纳米碳具有高比表面积，其特征尺寸远大于纳米氧化物，因而可负载适量的纳米氧化物并将其均匀引入到铝粉当中，再经由原位反应生成金属氧化物、碳化物、金属间化合物等多元纳米强化相，协同改善铝基复合材料的组织稳定性和耐热性能。本发明专利技术所述方法解决了高体积含量、多元纳米强化相的均匀引入和空间占位控制难题，从而可采用常规粉末冶金工艺制备多元纳米复合强化耐热铝基复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种耐热铝基材料
的制备方法，特别是涉及一种具有多 元纳米相增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
铝合金由于具有轻质、高强、耐蚀、易加工等特性而广泛应用于航空航天及交通运 输领域，其中可用于制备高温下服役的部件的称为耐热铝基材料，如坦克装甲车辆发动机 的活塞、缸套、连杆、箱体、缸盖，导弹壳体、尾翼、航空发动机气缸、叶片、飞机蒙皮等，均采 用耐热铝基材料。航空、航天和汽车工业的迅速发展，对耐热铝基材料的耐热性能提出了越 来越高的要求。基于扩散控制粗化理论，提高铝基材料耐热性能的主要方法是向铝基体中 引入低固溶度、低扩散系数的合金元素，在铝基体中形成热稳定性强、不易粗化的弥散相。 高温强化效果取决于弥散相的体积分数、尺寸、热稳定性和强度。特别地，快速凝固Al-Fe 系铝合金可有效调控以上几个影响因素因素，从而成为了目前最为成功的耐热铝体系。 然而，合金元素的低固溶度、低扩散系数的特性也导致了将其在铝基体中引入困 难，目前主要通过快速凝固技术来提高其固溶度，从而提高弥散相的体积分数，但该技术对 合金元素的搭配、工艺控制及设备的要求都极高，难以掌握和控制，因此虽然国外已经通过 该技术量产出了性能优异的耐热铝合金，国内的耐热铝合金研制依然处于落后局面，同系 列合金难以达到国外质量水平。 随着铝合金和铝基复合材料的发展，纳米金属间化合物和纳米增强体在铝中的应 用逐渐受到关注。Fe、Ni、Ti、Zr、Sc、Co、La、Y、Er等元素与铝的中间化合物以及Al203、La 203 等纳米增强体不仅具有很高的模量和硬度，能够提高铝基材料的模量和强度，还能在较高 温度的热经历过程中保持自身和铝晶粒的稳定，这些纳米相是较为理想的耐热铝基材料的 增强体，其添加量、尺寸都易于通过反应合成进行控制，因而在高模量、高强度、耐热铝材的 开发中受到了广泛的关注。其中Ti、Zr、Sc、Er等元素能够与铝基体反应生成具有Ll 2结构 的三铝化物A13M(M包括以下9种元素：Ti、Zr、Sc、Er、Lu、Tm、Yb、Np、U)，因与面心立方结 构的铝基体具有共格界面而具有了极强的热稳定性，而被认为是最为理想的耐热铝基材料 的增强体。 然而通过搅拌铸造、球磨等外加方法引入时，由于纳米相在范德华力的作用下容 易团聚，尤其当体积分数较高时，引入的纳米相在铝中分散不均匀，不利于发挥其性能优势 以获得高综合性能复合材料 经过对现有技术的文献检索发现，文献I "Elevated temperature aluminum-titanium alloy by powder metallurgy process^ (William E. Frazier, Michael J.Koczak,专利号 US4834942 A)采用快速凝固 Al-Ti 粉末（Al3Ti 含量达到20vol. % )与适量碳纳米管经过球磨、致密化后制备Al-Ti-C-O体系的耐 热铝基复合材料，但其分散工艺使碳纳米管完全反应生成Al 4C3且完全分布于晶界， 使材料的力学性能提升有限、高温延伸率明显下降；文献2 "Mechanically alloyed nanocomposites"（Progress in Materials Science.2013 (58) 383 - 502)所述的技术 方案，通过高能球磨机械合金化，可以制备多种纳米相增强的铝基复合材料，但这种方 法通常需要长时间的高能球磨，且不易分散高体积含量、细小（<20nm)的纳米相。文献 3 "A1-Al3Ti nanocomposites produced in situ by friction stir processing'，(Acta Materialia. 2006 (54) 5241 - 5249)所述的技术方案，将铝粉和钛粉混合压坯后，再通过高 速搅拌摩擦的方式，使铝和钛原位反应生成中间化合物Al3Ti,同时由于搅拌摩擦工艺中强 烈的塑性变形作用下，使Al 3Ti处于反应生成和剥离分散的动态过程，因而能够在铝中生成 体积分数最高可达50vol. %、分散均匀的纳米Al3Ti。但是搅拌摩擦只能应用于薄板中，且 工艺复杂，其广泛应用受到严重限制。 因此，综上所述，提尚金属基复合材料热稳定性和热强性的关键在于：1)增强相 高温稳定、难以长大；2)增强相颗粒尺寸小，一般处于纳米级，且体积含量较高；3)增强相 必须在基体中均匀弥散分布。然而，上述现有的技术方案中存在的主要不足在于：1)基于 快速凝固法制备的耐热铝合金对工艺过程及制造设备要求非常高，不易掌握，工艺控制不 慎即导致增强相在高温下团聚或长大；2)高能球磨机械合金化的方法耗时长、能耗高，且 对纳米增强相的分散能力很有限；3)搅拌摩擦焊法适用于薄板制备，难以用于厚度较大的 块体材料。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种通过纳米碳负载纳米金属氧化物制备多元 纳米复合强化耐热铝基复合材料的方法，由于多元纳米相具有较好的化学稳定性和不同的 空间占位，对铝基体晶粒具有高效的稳定作用，从而制备的铝基复合材料具有很好的耐热 性。 本专利技术是通过以下技术方案实现的： 本专利技术提供，包括以下步 骤： 1)采用纳米碳作为载体，用含有金属离子的前驱物溶液对纳米碳进行表面包覆， 得到前驱物包覆纳米碳； 2)将步骤1)获得的前驱物包覆纳米碳均匀分散于铝粉中，通过热反应处理使前 驱物包覆纳米碳中的前驱物转变成纳米氧化物，从而获得（纳米碳+纳米氧化物）/铝复合 粉末； 3)对步骤2)获得的（纳米碳+纳米氧化物）/铝复合粉末进行反应烧结和致密化 处理、热处理，经由原位反应生成金属氧化物、碳化物、金属间化合物及剩余纳米碳的多元 纳米强化相，从而获得多元纳米复合强化耐热铝基复合材料。 优选地，步骤1)中，所述的纳米碳包括纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨 烯中的一种或组合，且至少能与一种溶剂形成稳定的稀分散液。 更优选地，所述的纳米碳的添加总量为复合材料的质量的0. 01~5wt. %，优选的 添加总量为0. 5~3wt. %。 优选地，步骤1)中，所述的前驱物溶液包括溶剂、金属离子化合物，还可以进一步 包括反应剂和/或交联剂组成。 更优选地，所述的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、甲苯、DMF、吐温中的一种或组 合； 所述的金属离子化合物为Fe、Ni、Ti、Zr、Sc、Co、La、Y、Er的氧化物、氢氧化物、卤 化物、硝酸盐、硫酸盐、茂金属化合物、羰基化合物中的一种或其组合，最终生成的金属氧化 物为复合材料质量的〇. 1~20wt. % ; 所述的反应剂是使用柠檬酸、葡萄糖、草酸、酒石酸、糊精、EDTA、乙二胺、水合肼中 的一种或组合；反应剂也可以不使用； 所述的交联剂是使用乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚 吡咯中的一种或组合；交联剂也可以不使用。 优选地，步骤1)中，所述的表面包覆方法为将纳米碳加入到前驱物溶液中进行机 械搅拌或超声，然后进行抽滤、离心或蒸干。 优选地，步骤2)中，所述的前驱物包覆纳米碳均匀分散于铝粉中的方法包括球 磨、料浆共混、表面吸附中的一种或多种。 更优选地，所述的铝粉包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元纳米复合强化耐热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用纳米碳作为载体，用含有金属离子的前驱物溶液对纳米碳进行表面包覆，得到前驱物包覆纳米碳；2)将步骤1)获得的前驱物包覆纳米碳均匀分散于铝粉中，通过热反应处理使前驱物包覆纳米碳中的前驱物转变成纳米氧化物，从而获得(纳米碳+纳米氧化物)/铝复合粉末；3)对步骤2)获得的(纳米碳+纳米氧化物)/铝复合粉末进行反应烧结和致密化处理、热处理，经由原位反应生成金属氧化物、碳化物、金属间化合物及剩余纳米碳的多元纳米强化相，从而获得多元纳米复合强化耐热铝基复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，陈马林，谭占秋，范根莲，熊定邦，郭强，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31