一种钒基Mxene强化的铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于冶金、机械及化工领域，特别涉及一种钒基Mxene强化的铝合金及其制备方法。该材料由基体铝合金添加0.005～0.075wt%的钒基Mxene，经过混料、熔融及浇铸成型等工艺而成。钒基Mxene是由钒基陶瓷V

【技术实现步骤摘要】
一种钒基Mxene强化的铝合金及其制备方法
本专利技术属于冶金、机械及化工领域，特别涉及一种钒基Mxene强化的铝合金及其制备方法，铝合金在航空、机械、建筑、汽车、电力等领域都有广泛的应用。
技术介绍
铝是一种银白色金属，重量轻，具有良好延展性、导电性、导热性、耐热性和耐辐射性。铝在空气中其表面会生成致密的氧化物薄膜，从而使铝具有良好的耐蚀性。铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。因其含量丰富又具有良好性能，所以铝常被制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状而广泛应用在航空、机械、建筑、汽车、电力等重要工业领域。铝具有质量轻、比强度高、防锈蚀性能好且易于回收利用等优点而备受人们关注。但其也存在质软、耐磨性差等弱点，不适合作高性能的结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及利用热处理等方法来改善铝的性能，这就得到了一系列的铝合金，如掺硅掺镁的铸造铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的硬度及耐磨性。这就使得其机械性能胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。随着工业的快速发展，对铝合金的性能提出了越来越高的要求。具有更高硬度和耐磨性的铝合金成为开发的重点。以往的研究表明添加合金元素，在提高硬度的同时，韧性往往会降低，很难同时提高铝合金的硬度和塑性。因此，寻找一种新的铝合金强化材料及技术，对于铝合金在各行业的大规模应用是极为重要和迫切的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钒基Mxene强化的铝合金及其制备方法，显著提高铝合金的强硬度及韧性。本专利技术的创新点主要在于：利用钒基Mxene的超薄纳米片，通过其超薄纳米片与其他组分作用，大大增强相应的铝合金性能。本专利技术可采用多种铝合金，本案中采用典型的6063铝合金为例来说明钒基Mxene对铝合金的强化效果。本专利技术的技术方案，一种钒基Mxene强化的铝合金，具体包括，其原料按重量百分比计为：硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝。本专利技术还提供了相应铝合金的制备工艺，其制备按以下步骤：步骤1：将组分为硅，铁，铜，锰，镁，铬，锌，钛，钒基Mxene，铝的混合物，球磨均匀，加入到坩埚中，放入熔炼炉，其中混合物组分的重量比为，硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝；步骤2：熔炼炉抽真空，充入惰性气体，反复抽真空充入惰性气体，形成所述熔炼炉中的惰性气体环境，所述惰性气体环境气压为400-600Pa；步骤3：开启电源，使熔炼炉升温到保温温度730-780℃，并保温5～10分钟；保温之后进行降温，降至浇铸温度630-660℃时，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。进一步地，钒基Mxene是由钒基陶瓷V2CAl经过刻蚀剥离得到的超薄VCx纳米片层材料。更进一步地，所述超薄VCx纳米片层材料为单层或少于10层的少层结构。进一步地，所述的熔炼炉为电阻炉或感应加热炉。进一步地，所述熔炼炉中所述惰性气体环境气压为480Pa，490Pa，500Pa，510Pa，520Pa。进一步地，所述保温温度为740℃，750℃，760℃。进一步地，所述浇铸温度为630℃，640℃，650℃，660℃。进一步地，所述惰性气体为Ar气。本专利技术的有益效果是：可以显著改善铝合金的硬度和韧性等机械性能。其原因是：1.通过添加钒基Mxene这种超薄的纳米片，可以在铝合金中起到细化晶粒的作用；2.钒基Mxene纳米片可以把铝合金的晶粒有机的连接在一起，可以起到强化增韧的作用；3.钒基Mxene纳米片本身成分是碳化钒，具有显著的硬度和韧性。需补充说明的是：1.钒基Mxene纳米片中的碳是化合物状态，不会像石墨烯那样增加碳的含量；2.钒基Mxene添加量很少，不会对成本增加很多；3.随着产业化的发展，钒基Mxene的成本会不断降低。总之，本专利技术工艺简单易操作，原料廉价易得，所制备的铝合金性能高，有望在航空、机械、建筑、汽车、电力等领域中得到广泛应用。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。附图1为实施例之一的钒基Mxene强化的铝合金与对比样品（未添加钒基Mxene的铝合金）的硬度对比图。通过图1，可以清晰的看到，添加钒基Mxene后的铝合金的维氏硬度可以由3提高到8，表明了添加钒基Mxene可以大幅度的提高铝合金的硬度。而且最佳的钒基Mxene的掺杂量为0.05wt%，0.05wt%时硬度达到最大值，低于或高于此值硬度都会降低。附图2为实施例之一的钒基Mxene强化的铝合金与对比样品的韧性对比图。通过图2，可以清晰的看到，添加钒基Mxene后的铝合金的韧性可以由34提高到37兆帕*米1/2，表明了添加钒基Mxene可以稍提高铝合金的韧性。这与通常在提高强度的同时会降低韧性截然不同，也说明了本专利提出的添加钒基Mxene，具有不同于一般技术的独特优势，充分展示了其新颖性和独创性。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。根据本专利技术一种钒基Mxene强化的铝合金的实施例，一种钒基Mxene强化的铝合金，其原料按重量百分比计为：硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝。根据本专利技术钒基Mxene强化的铝合金制备方法，步骤1：将组分为硅，铁，铜，锰，镁，铬，锌，钛，钒基Mxene，铝的混合物，球磨均匀，加入到坩埚中，放入熔炼炉，其中时尚混合物组分的重量比为，硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝；步骤2：熔炼炉抽真空，充入惰性气体，反复抽真空充入惰性气体，形成所述熔炼炉中的惰性气体环境，所述惰性气体环境气压为400-600Pa；步骤3：开启电源，使熔炼炉升温到保温温度730-780℃，并保温5～10分钟；保温之后进行降温，降至浇铸温度630-660℃时，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。根据本专利技术的一些实施例，钒基Mxene是由钒基陶瓷V2CAl经过刻蚀剥离得到的超薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钒基Mxene强化的铝合金，其特征在于，其原料按重量百分比计为：/n硅0.2-0.6 wt%，铁0.35 wt%，铜0.10 wt%，锰0.10 wt%，镁0.45-0.9 wt%，铬0.10 wt%，锌0.10 wt%，钛0.10 wt%，钒基Mxene 0.005～0.075 wt%，其余成分为铝。/n

【技术特征摘要】
1.一种钒基Mxene强化的铝合金，其特征在于，其原料按重量百分比计为：
硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝。


2.一种如权1中所述的钒基Mxene强化的铝合金制备方法，其特征在于，
其制备工艺为：
步骤1：将组分为硅，铁，铜，锰，镁，铬，锌，钛，钒基Mxene，铝的混合物，球磨均匀，加入到坩埚中，放入熔炼炉，其中混合物组分的重量比为，硅0.2-0.6wt%，铁0.35wt%，铜0.10wt%，锰0.10wt%，镁0.45-0.9wt%，铬0.10wt%，锌0.10wt%，钛0.10wt%，钒基Mxene0.005～0.075wt%，其余成分为铝；
步骤2：熔炼炉抽真空，充入惰性气体，反复抽真空充入惰性气体，形成所述熔炼炉中的惰性气体环境，所述惰性气体环境气压为400-600Pa；
步骤3：开启电源，使熔炼炉升温到保温温度730-780℃，并保温5～10分钟；保温之后进行降温，降至浇铸温度630-660℃时，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国栋，王素梅，刘现综，刘献福，张卫国，
申请(专利权)人：山东百帝气动科技股份有限公司，齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37