一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法技术

本发明专利技术涉及一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法，包括以下步骤：(1)制备压坯：(2)制备内生纳TiC颗粒原位反应及纳米强化铝合金；(3)热挤压成型；(4)热处理。本发明专利技术的技术方案，在金属中引入纳米尺寸陶瓷颗粒，利用原位内生技术在金属中内生出纳米尺寸陶瓷颗粒并均匀分散，获得低体积分数到高体积分数增强相多含量变换并均匀分散的纳米颗粒强化的铝合金材料，该材料具有超强的强韧性具有重要的实际应用价值。

Preparation method of aluminum alloy material reinforced by endogenetic nano size particles

The invention relates to a nanometer size particle strengthening endogenous preparation method of Aluminum Alloy material, which comprises the following steps: (1) preparing blank: (2) preparation of endogenous nano reaction and nano TiC particles in situ strengthen Aluminum Alloy; (3) hot extrusion molding; (4) heat treatment. The technical scheme of the invention, the introduction of nano ceramic particles in the metal, using in situ technique of nanometer size ceramic particles in the metal endogened and evenly dispersed, low volume fraction to high volume fraction of Aluminum Alloy nanoparticles strengthening reinforced by multi content transform and dispersed uniformly, the material with high toughness super has important practical application value.

【技术实现步骤摘要】
一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法
本专利技术涉及铝合金加工领域，具体涉及一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法。
技术介绍
随着能源、汽车、航空、航天和通讯信息等领域对材料的要求越来越高，传统的材料已经不能再满足实际要求。例如，在航空、航天领域中，要求材料具有刚度更高、热膨胀系数更低；在汽车行业中，需要材料质量更轻、强韧性更高和稳定性更好及耐磨性更强。为了满足上述对材料的独特性能要求颗粒强化铝合金材料因具有低成本、低密度、高弹性模量、高强韧性以及耐磨损、易制备等优点逐渐进入人们的视线，并且凭借其优良的性能还引起了材料领域的重视。目前，颗粒强化铝合金材料的研究已经很多，但是陶瓷颗粒种类，制备方法以及复合材料基体的选择都有可能对材料组织、物理及力学性能产生一定的影响。因此，材料领域仍需要对陶瓷颗粒强化铝合金材料进一步的研究工作。近几年来，国内外出现了一些关于纳米尺寸颗粒强化铝合金材料的研究工作，纳米级的陶瓷颗粒加入铝基体明显提高材料强度的同时也较好的保留了材料的延展性。但是，由于纳米颗粒表面具有高性能、不饱和性和不稳定性，往往会导致纳米颗粒的团聚，这极大限制了纳米颗粒的应用领域和强化效果。在金属中，引入纳米尺寸陶瓷颗粒，利用原位内生技术在金属中内生出纳米尺寸陶瓷颗粒并均匀分散，获得低体积分数到高体积分数增强相多含量变换并均匀分散的纳米颗粒强化的铝合金材料，该材料具有超强的强韧性具有重要的实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种具有高的室温和高温拉伸性能的内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现。一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法，包括以下步骤：(1)制备压坯：(1a)将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉按以下三种配比配制成100g混合粉末；①当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为10vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：3.28克，钛粉：13.08克，铝合金粉：83.64克，配制成100克混合粉末。其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：1.64克；炭黑：1.64克。②当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为20vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：6.13克，钛粉：24.43克，铝合金粉：69.44g，配制成100g混合粉末。其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：3.065克；炭黑：3.065克。③当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：8.63克，钛粉：34.38克，铝合金粉：56.99g，配制成100g混合粉末。其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：4.315克；炭黑：4.315克。其中纳米碳管CNT占碳源的100wt.％，即：纳米碳管CNT：8.63克；其中炭黑占碳源的100wt.％，即：炭黑：8.63克。(1b)用球磨混料机将配好的混合粉末以50r/min的速度均匀混合15-20h；氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1。(1c)将球磨混好的粉料在液压机上冷压制成圆柱形压坯。(2)制备内生纳TiC颗粒原位反应及纳米强化铝合金：(2a)用石墨纸将步骤(1)中制得的预制块包裹好放入到石墨模具中；(2b)再将石墨模具放入到真空热爆炉中进行加热，当温度加热到500℃，保温10min，使石墨模具和样品温度保持一致；(2c)继续加热至反应温度急剧升高的一瞬间，并在该温度保温7min到8min；(2d)最后停止加热，待温度降低到750-800℃左右，对反应块施压单向轴向30MPa作用时间20-30s，达到充分致密。(3)热挤压成型：(3a)将步骤(2)中制得的内生纳米TiC颗粒强化铝合金用线切割机切成的圆柱形试样。(3b)在200t的挤压机上对圆柱形试样进行挤压处理，其中挤压比为12:1-20:1，挤压温度为500-550℃，热挤压前圆柱形试在热挤压温度下保温2h。通过热挤压塑性变形后得到内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料。(4)热处理：(4a)固溶热处理：温度为500℃，保温时间1.5-2h，之后进行冷水淬火；(4b)时效处理：将淬火后的复合材料放入时效炉中，在160℃进行人工时效，保温12-20h，然后随炉冷却至室温。优选的，步骤(1a)所用铝合金粉成分为Al-5Cu-0.5Mg-0.5Si-0.7Fe-0.15Ti-0.8Mn-0.1Cr-0.25Zn。优选的，步骤(1a)中，以纯炭黑、50wt.％碳纳米管和纯碳纳米管配比炭黑制备的TiC体积为10vol.％、20vol.％、30vol％。优选的，步骤(2)中，所用的石墨模具的内腔尺寸为Φ45。优选的，步骤(3)中所用的用于热挤压处理的圆柱形试样尺寸为直径D38mm，高5-15mm。上述方法制备的原位内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料组织和力学性能均得到了优化：a、在最佳的工艺参数下(TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％，碳源中纳米碳管CNTs含量为50wt.％)，所制得的内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料中纳米尺寸强化相分布最为均匀。b、在最佳的工艺参数下(TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％，碳源中纳米碳管CNTs含量为50wt.％)，所制得的内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料的拉伸性能最好。室温下，其屈服强度、抗拉强度、断裂应变和维氏硬度依次为466.1MPa、656.2MPa、3.0％和331.2HV，相比Al基体合金(277.8MPa、489.7MPa、17.6％和135.7HV)，其屈服强度、抗拉强度和维氏硬度分别增大67.8％、34.0％和144.1％。高温下，493K和533K时，其屈服强度、抗拉强度和断裂应变依次为197.8MPa、318.0MPa、19.2％和185.5MPa、207.3MPa、22.0％，相比Al基体合金(120.3MPa、182.0MPa和21.4％)，493K和533K下，其屈服强度和抗拉强度分别提高了64.4％、74.7％和81.3％、31.6％。c、在最佳的工艺参数下(TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％，碳源中纳米碳管CNTs含量为50wt.％)，所制得的内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料的耐磨损性能最好。当砂纸粒度为23μm、施加载荷为25N时，以50wt.％纳米碳管CNTs作碳源的Al-Ti-C体系制备的30vol.％TiC强化铝合金材料(硬度：331.2HV、体积磨损率：7.93×10-11m3/m)的硬度和体积磨损率相比基体合金(硬度：135.7HV、体积磨损率：22.27×10-11m3/m)144％和180％；当砂纸粒度为23μm、施加载荷为25N时，以纯CNTs作碳源的Al-Ti-C体系制备的30vol.％TiC强化铝合金材料(硬度：285.1HV、体积磨损率：10.17×10-11m3/m)的硬度和体积磨损率相比基体合金(硬度：135.7HV、体积磨损率：22.27×10-11m3/m)110％和119％。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)制备压坯：(1a)将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉按以下三种配比配制成100g混合粉末；①当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为10vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：3.28克，钛粉：13.08克，铝合金粉：83.64克，配制成100克混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：1.64克；炭黑：1.64克；②当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为20vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：6.13克，钛粉：24.43克，铝合金粉：69.44g，配制成100g混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：3.065克；炭黑：3.065克；③当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：8.63克，钛粉：34.38克，铝合金粉：56.99g，配制成100g混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：4.315克；炭黑：4.315克；其中纳米碳管CNT占碳源的100wt.％，即：纳米碳管CNT：8.63克；其中炭黑占碳源的100wt.％，即：炭黑：8.63克；(1b)用球磨混料机将配好的混合粉末以50r/min的速度均匀混合15‑20h；氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；(1c)将球磨混好的粉料在液压机上冷压制成圆柱形压坯；(2)制备内生纳TiC颗粒原位反应及纳米强化铝合金：(2a)用石墨纸将步骤(1)中制得的预制块包裹好放入到石墨模具中；(2b)再将石墨模具放入到真空热爆炉中进行加热，当温度加热到500℃，保温10min，使石墨模具和样品温度保持一致；(2c)继续加热至反应温度急剧升高的一瞬间，并在该温度保温7min到8min；(2d)最后停止加热，待温度降低到750‑800℃左右，对反应块施压单向轴向30MPa作用时间20‑30s，达到充分致密；(3)热挤压成型：(3a)将步骤(2)中制得的内生纳米TiC颗粒强化铝合金用线切割机切成的圆柱形试样；(3b)在200t的挤压机上对圆柱形试样进行挤压处理，其中挤压比为12:1‑20:1，挤压温度为500‑550℃，热挤压前圆柱形试在热挤压温度下保温2h；通过热挤压塑性变形后得到内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料；(4)热处理：(4a)固溶热处理：温度为500℃，保温时间1.5‑2h，之后进行冷水淬火；(4b)时效处理：将淬火后的复合材料放入时效炉中，在160℃进行人工时效，保温12‑20h，然后随炉冷却至室温。...

【技术特征摘要】
1.一种内生纳米尺寸颗粒强化铝合金材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)制备压坯：(1a)将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉按以下三种配比配制成100g混合粉末；①当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为10vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：3.28克，钛粉：13.08克，铝合金粉：83.64克，配制成100克混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：1.64克；炭黑：1.64克；②当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为20vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：6.13克，钛粉：24.43克，铝合金粉：69.44g，配制成100g混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：3.065克；炭黑：3.065克；③当纳米TiC陶瓷颗粒的体积分数为30vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：碳源(纳米碳管CNT+炭黑)：8.63克，钛粉：34.38克，铝合金粉：56.99g，配制成100g混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：4.315克；炭黑：4.315克；其中纳米碳管CNT占碳源的100wt.％，即：纳米碳管CNT：8.63克；其中炭黑占碳源的100wt.％，即：炭黑：8.63克；(1b)用球磨混料机将配好的混合粉末以50r/min的速度均匀混合15-20h；氧化锆磨球和混合粉末的质量比是8:1；(1c)将球磨混好的粉料在液压机上冷压制成圆柱形压坯；(2)制备内生纳TiC颗粒原位反应及纳米强化铝合金：(2a)用石墨纸将步骤(1)中制得的预制块包裹...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱丰，朱琳，姜启川，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22