一种Al-Ti-C-N纳米晶的制备方法及在铝合金中的应用技术

本发明专利技术公开了一种Al

【技术实现步骤摘要】
一种Al
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Ti
‑
C
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N纳米晶的制备方法及在铝合金中的应用


[0001]本专利技术涉及铝合金材料领域，具体涉及一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法及在铝合金中的应用。

技术介绍

[0002]铝合金具有比强度比刚度高、耐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、电子通讯等领域。尤其是可热处理强化超高强7XXX铝合金，通过大塑性变形及热处理后，其抗拉强度可到900MPa以上，成为一种理想的航空材料。在7XXX合金中加入一定量的Zr、Sc，可形成高热稳定性、微纳米尺寸的ZrAl3、ScAl3颗粒，有效地抑制晶粒在热处理过程长大，显著提高合金的综合性能，如7050、7075等合金。由于Sc的价格远高于Zr，因此Zr成为抑制晶粒长大最为常用的元素。但研究发现，Zr对Al
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Ti
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B细化剂之间存在“细化毒化”现象，即两种同时加入时，其细化效果较单独加入明显减弱。其原因尚不明确，可能的元素包括Zr取代Ti形成了ZrB2，Zr的存在影响了Al3Ti的形成，破坏了Al
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Ti
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B异质形核过程。
[0003]为了解决含Zr超高强铝合金晶粒细化问题，国内外开发出具有抗“Zr毒化”细化剂，包括微纳米尺寸的铝钛碳氮(Al
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Ti
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C
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N)。公开号为CN106319263A公开了一种铝碳氮化钛铝合金晶粒细化剂及其制备方法，主要包括：铝钛碳氮预制块制备、将预制块压入铝熔体中熔化、浇铸等步骤，所制备的铝钛碳氮不仅具有很好的晶粒细化能力，而且还能进一步提升铝合金的综合力学性能。但预制体制备过程中涉及长时间的高温球磨，导致铝碳氮化钛的制备效率低，且成本高。
[0004]CN108149127B公开了一种铝基纳米碳氮化钛晶种合金及其制备方法，该方法通过混料(铝粉、氮化钛粉、石墨烯进行干燥处理)、除气包套、真空加热(真空度1
×
10
‑3～5
×
10
‑3Pa，加热温度)、熔体反应等步骤，制备了一种铝基纳米碳氮化钛晶种合金。制备工艺较为复杂，且反应稳定高。
[0005]CN106435541B公开一种基于碳氮化钛的铝合金晶粒细化剂及其制备方法，该法通过粗化、敏化、活化，在碳氮化钛表面镀一层纳米尺寸的Cu，显著改善了其作为异质形核颗粒与铝液润湿性差的问题，并改善碳氮化钛颗粒在铝液中的均匀分散性，获得较好的晶粒细化效果。但合金中可能引入一定含量的Cu，且制备工艺较为复杂。
[0006]CN109439952B和CN109576525A公开了一种微纳米混杂尺度多相陶瓷颗粒的制备方法及在7075铝合金轧制板材的应用，其主要过程包括混料、压胚、真空烧结、盐酸腐蚀等过程，制备了微纳米混杂尺度多相陶瓷颗粒，加入7075合金后制备了高性能的铝合金板材。但制备工艺较长，且复杂。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法及在铝合金中的应用。
[0008]本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)衬底材料的安装：将衬底材料安装夹具上，并放置在真空镀膜室中；
[0011](2)预处理：依次开启抽真空系统、加热系统和机械传动系统，真空室抽真空并升温，随后充入高纯氩气，开启脉冲偏压，放电清洗；
[0012](3)多弧离子镀：充入反应气体，设置靶材，打开弧源，设置参数后进行镀膜，得到Al
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Ti
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C
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N纳米晶。
[0013]优选地，所述步骤(1)中，夹具能够自转和公转。
[0014]优选地，所述步骤(2)中，真空室的气压抽至1～5
×
10
‑3Pa，真空室的温度为100～200℃。
[0015]优选地，所述步骤(2)中，充入高纯氩气后调整氩气压力至1～5Pa。
[0016]优选地，所述步骤(2)中，开启脉冲偏压后，调整占空比为10～30％，偏压为
‑
600～
‑
1500V，放电清洗1～3min。
[0017]优选地，所述步骤(3)中，充入反应气体前，调整氩气压力至1～3
×
10
‑1Pa；充入反应气体后，调整气压至5～9
×
10
‑1Pa。
[0018]优选地，所述步骤(3)中，并设置偏压占空比为30～60％，偏压
‑
600～
‑
2000V，电弧电流为60～120A，镀膜时间15～120min。
[0019]优选地，所述步骤(3)中，靶材是纯度为95.0％以上的纯钛靶、钛铝靶中的至少一种。
[0020]更优选地，所述钛铝靶中的金属钛所占比例质量分数为5～50％。
[0021]优选地，所述步骤(3)中，反应气体为C2H2和N2的混合气体。
[0022]优选地，所述步骤(3)中，衬底为比表面积大的泡沫铝、铝箔卷中的一种或两种。
[0023]优选地，所述步骤(3)中，多弧离子镀过程中，铝箔的两端固定在不同的转动轴上，并以沿着夹具半径自转，实现铝箔的卷镀。
[0024]第二方面，本专利技术提供一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶在的应用，使用上述方法制备的Al
‑
Ti
‑
C
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N纳米晶应用于铝合金材料中。
[0025]优选地，所述铝合金材料为Al
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0.15Zr合金。
[0026]优选地，所述Al
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Ti
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C
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N纳米晶在铝合金材料中加入的质量百分比为0.01％～0.1％。
[0027]本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术采用电弧离子镀的方法制备纳米尺寸的AlTiCN晶粒细化剂，所制备的细化剂既可细化含Zr铝合金的晶粒，也可以细化含Si铝合金的晶粒，从而克服晶粒细化中的“Zr中毒”和“硅中毒”。
[0029]本专利技术采用纯钛或者铝钛作为靶材材料，通过电弧放电将靶材电离成钛离子，并与C2H2和N2等反应气体电离出的碳、氮离子一起在偏压电源的作用下轰击沉底材料，与衬底材料Al形成纳米晶粒并沉积在衬底材料表面，通过调控电弧参数、靶材数量和形状、偏压电源参数、反应气体流量、离子镀温度和时间等参数，调控镀层的晶粒尺寸和厚度。镀层成分主要包含Al、T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)衬底材料的安装：将衬底材料安装夹具上，并放置在真空镀膜室中；(2)预处理：依次开启抽真空系统、加热系统和机械传动系统，真空室抽真空并升温，随后充入高纯氩气，开启脉冲偏压，放电清洗；(3)多弧离子镀：充入反应气体，设置靶材，打开弧源，设置参数后进行镀膜，得到Al
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Ti
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C
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N纳米晶。2.根据权利要求1所述的一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，真空室的气压抽至1～5
×
10
‑3Pa，真空室的温度为100～200℃；充入高纯氩气后调整氩气压力至1～5Pa。3.根据权利要求1所述的一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，开启脉冲偏压后，调整占空比为10～30％，偏压为
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600～
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1500V，放电清洗1～3min。4.根据权利要求1所述的一种Al
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Ti
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C
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N纳米晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，充入反应气体前，调整氩气压力至1～3
×
10
‑1Pa；充入反应气体后，调整气压至5～9
×
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‑1Pa。5.根据权利要求1所述的一种Al
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Ti
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵愈亮，宋东福，乡家发，卢剑玉，贾义旺，孙振忠，黄石平，
申请(专利权)人：肇庆南都再生铝业有限公司广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：