一种石墨烯稀土复合强化Al-Si-Cu-Mg材料的制备技术制造技术

一种石墨烯、稀土复合强化Al

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料的制备技术


[0001]本专利技术涉及轻合金材料制备
，具体地说涉及一种石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料的制备技术。

技术介绍

[0002]铝合金材料具有密度低、比强度高、金属光泽强、耐腐蚀性高以及散热性能好等诸多优点，在汽车零部件应用广泛，特别是以Al
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Si
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Mg为材料的铸造铝合金车轮在轻型乘用车上的装车率已超过90％，目前行业内对Al
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Si
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Mg材料精炼强化的方式基本上是以铝钛中间合金作为晶粒细化剂，以铝锶中间合金作为变质剂细化共晶硅，该材料经热处理后抗拉强度260N/mm2左右,屈服强度150N/mm2左右，延伸率在6.0％左右，该力学性能满足轻型乘用车铝车轮力学性能要求，但达不到大载荷汽车铝合金车轮力学性能指标的要求。对于大载荷汽车(主要指大型客车、多功能运动车等)其铝合金车轮力学性能技术要求需达到抗拉强度不小于330N/mm2,屈服强度不大于200N/mm2，延伸率8.5％以上高强韧性能的要求。因此除部分高端大型铝合金车轮采用昂贵的锻造加工外，许多大载荷汽车所使用的车轮仍然使用比重大、尺寸精度低、散热性差、能耗高、造型单一的钢制车轮。
[0003]轻量化设计是汽车工业研发的重中之重。目前,汽车轻量化的方向一是高强度碳纤维材料在汽车零部件上的应用；一是通过颗粒增强轻型合金铝、镁与钛为基体的合金提高材料的强度在汽车零部件的应用。目前对于轻型乘用车碳纤维材料与铝、镁与钛合金材料已经占其零部件重量的80％以上，但是对于大载荷汽车其承重件，涉及到安全特性的部件在汽车零部件上的应用,因材料强韧性达不到设计要求受到限制，在大载荷汽车上的应用还没有得到有效突破。
[0004]行业内技术人员与研究机构一直对有色金属基体颗粒增强进行研究,在实验室阶段也取得一些研究成果。近二十余年研究比较多的是稀土金属对有色金属基体进行颗粒增强。研究者发现稀土金属对铝、镁与钛等合金性能的提升有以下特点：
[0005]其一，由于稀土的电负性较大，具有很高的化学活性，稀土溶于铝液中，大部分聚集在晶界处，填补铝相的表面缺陷，形成表面活性膜，有效地抑制柱状晶和二次枝晶的生长，促进细小等轴晶的形成。另外，稀土在铝合金中细化枝晶组织的同时还有抑制铝合金中粗片状富铁相的产生。
[0006]其二，在冶炼过程中，稀土元素可以吸附大量的氢，生成稳定的ReH2等难熔化合物，减少气泡的形成，大大降低了铝合金的含氢量，实现了净化基体的作用。此外，稀土元素和铝合金中的低熔点有害物质会发生反应生成高熔点、低密度、稳定性好的化合物，能够上浮成渣，可以捞除净化，消除合金中微量杂质的有害作用。
[0007]其三，稀土对铝镁等合金的颗粒增强效果随稀土在铝镁合金中的比率而变化，当稀土元素的质量分数较小时，稀土元素主要固溶在基体中或者偏聚在晶界处，起到有限固溶强化的作用，提高合金的强度；当稀土元素的质量分数达到某一比率时，稀土元素主要固溶在基体中或以化合物的形式存在，形成晶核，分布在晶粒内或晶界中，使晶粒细化，并产
生大量位错，在一定程度上提高铝合金的强度；当稀土元素的质量分数超过某一比率时将会在晶界处形成偏聚，析出粗大的富稀土相，从而降低了合金的延展性。
[0008]其四,在铝、镁与钛合金中添加稀土元素可有效提升厚壁铸件凝固过程过冷度,能够促进晶粒细化,共晶颗粒分布均匀、共晶颗粒物形态趋于球化以及细化效果显著。
[0009]其五，稀土金属其颗粒增强的效果受熔炼环境的影响非常大。
[0010]近十余年研究人员对在金属材料冶炼过程中添加石墨烯对合金性能的影响也进行了大量的研究，研究发现石墨烯相比于传统颗粒增强体，石墨烯具有最低的密度，最高的导热与导电性能，最优良的力学性能。传统的颗粒增强型铝基复合材料多局限于机械性能的提高，反而影响基体材料导热性能与导电性的发挥。实验室研究证明石墨烯的应用，为进一步提高包括铝合金在内的传统材料的力学性能、导热性、导电性等性能，为实现高性能化，轻质化提供了新的解决途径。
[0011]研究证明稀土与石墨烯均对铝、镁与钛等金属材料颗粒增强有显著的效果，但是在应用过程也存在一些问题有待研究人员却解决。对于稀土金属来说，稀土在对金属材料颗粒增强应用过程存在以下方面的问题：其一，稀土金属多数为化学性质活泼的金属，容易氧化，譬如：稀土铈元素在空气中容易自燃。故在制备稀土颗粒增强材料过程如何将稀土有效的均匀的添加在熔体内是重点研究的课题之一。其二，不同的稀土元素其熔点，密度与所强化的金属材料相差非常大，熔炼过程容易形成成分偏析，故如何选择稀土元素，如何均匀化处理对材料的性能影响非常大。其三，稀土元素添加多少量才能对要强化的金属材料达到最佳强化效果也是要重点研究的方向。对于石墨烯在制备颗粒增强铝、镁或钛基金属材料来说，石墨烯在对金属材料颗粒增强应用过程也存在以下方面的问题：其一，石墨烯制备流程复杂，制造成本非常高。其二，石墨烯分散性差，当在所强化的金属基体中含量较高时，容易出现团聚现象，影响材料的性能，故石墨烯添加过程的均匀化是重点研究方向之一。其三，石墨烯铝基、镁基或钛基复合材料其界面反应难于控制，容易形成AL4C3聚集，破坏复合材料的性能。第四，石墨烯材料与铝及其合金的润湿性较差，不易形成较强的界面结合。
[0012]目前，现有技术CN201811331019.9一种石墨烯稀土铈增强Al
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Si
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Mg铸造铝合金及其制备技术，其制备技术为“步骤1：按合金成分计算并称取原料，铝粒、硅粒、镁粒、铈粉、石墨烯、铁粒、锌粒、锰粒、钛粒、锆粒、铍粒、锡粒、铅粒；步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3到1/2，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，使铝粒完全盖住石墨烯；步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入高纯氩气作为保护气氛至气体压力为500Pa；步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：加热200s～280s，使炉温缓慢升高到60065℃，随后炉温升至72065℃后，保温100s～140s晃动坩埚60s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15
°
，晃动频率为50～60次/min，随后炉温升至75065℃，轻微缓缓晃动坩埚60s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10
°
，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到65065℃时，将熔液浇铸到铜模具中冷却；步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为30s～40s，之后充入室温氩气，520s～580s后开炉取样得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料的制备技术，其特征在于，它包括：铝钛石墨烯中间合金与铝稀土中间合金的制备技术，所述铝钛石墨烯中间合金与铝稀土中间合金的制备技术的制备装置包括铝钛颗粒与石墨烯均匀化配制装置、铝颗粒与稀土颗粒均匀化配制装置、型模与加热炉，所述铝钛颗粒与石墨烯均匀化配制装置铝颗粒、钛颗粒与石墨烯粉末以氮气为载体分别通过喷吹装置将铝钛颗粒与石墨烯粉末形成烟雾状在封闭的箱体内进行均匀化混合；所述石墨烯喷吹装置在烟雾化过程能够释放电荷，带电荷的石墨烯粉末遇到细小的铝钛颗粒能够有效吸附在烟雾化的铝钛颗粒上；所述铝颗粒与稀土颗粒均匀化配制装置，滚动圆筒内含有搅拌棒，将铝颗粒与稀土颗粒添加进滚动圆筒内在惰性气体的保护下实施均匀化处理；所述型模为铸钢模，将混合均匀的颗粒物注入型模内并压实后放置在加热炉内进行加热、保温；所述加热炉在炉门口设置冷却吹风管，对出炉后型模内熔炼的合金液凝固过程实施吹风冷却；石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料制备技术，所述石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料制备技术,所使用的原材料为A00铝，高纯硅，高纯镁，中间合金包括Al10Cu、Al10Ti、Al5Ce、Al10Sr以及AlTiC(n)铝钛石墨烯中间合金；所述石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料制备技术流程,先将A00铝熔化，熔化的铝液先加热至660～680℃进行保温；采用钟罩将颗粒尺寸小于5.0mm的高纯硅与块状体积小于125～512cm3的高纯镁压入铝液内，搅拌3.0～5.0分钟；将加入硅与镁的铝液在20～30分钟内逐渐过热至760～780℃；将Al10Cu与Al10Ti中间合金加入铝液内进行保温20～30分钟形成Al
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Si
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Cu
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Mg合金液,然后将Al5Ce中间合金加入Al
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Si
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Cu
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Mg合金液内实施合金化处理；经合金化处理的Al
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Cu
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Mg合金液在750～760℃保温，加入棒杆状Al10Sr中间合金与小块状AlTiC(n)铝钛石墨烯中间合金实施变质处理与晶粒细化处理，经以上过程制备石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料。2.根据权利要求1一种石墨烯、稀土复合强化Al
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Si
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Cu
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Mg材料的制备技术，其特征在于：所述铝钛颗粒石墨烯均匀化配制装置，该装置包括控制柜、氮气储存瓶、铝钛颗粒输送导管、气体输送支管A、铝钛颗粒输送支管A、压力表A、压力调节阀A、压力表B、压力调节阀B、铝钛颗粒储存罐、石墨烯喷吹装置、电源导线、石墨烯输送导管B、气体输送支管B、石墨烯输送支管B、石墨烯粉末储存罐、铝钛颗粒喷吹装置与颗粒混合室组成；所述铝钛颗粒输送导管A的一端与铝钛颗粒喷吹装置连接,所述铝钛颗粒输送导管A的另一端与三通连接头的一端连接；所述三通连接头的另外两个接头分别与气体输送支管A与铝钛颗粒输送支管A连接；所述压力表A与压力调节阀A1串联在气体输送支管A上；所述气体输送支管A与氮气储存瓶输出端连接；所述铝钛颗粒输送支管A一端与三通连接头的一端连接,铝钛颗粒输送支管A的另一端深入铝钛颗粒储存罐的底部；通过压力调节阀A调整气体介质压力大小与铝钛颗粒喷吹装置喷嘴角度以调整细小铝钛颗粒的烟雾化速度；所述电源导线的一端与控制柜连接,所述电源导线的另一端与石墨烯喷吹装置连接；所述石墨烯喷吹装置能够产生电荷；所述石墨烯输送导管B的一端与石墨烯喷吹装置粉末输入接口连接,所述石墨烯输送导管B的另一端与三通连接头的一端连接,三通连接头的另外两个接头分别与气体输送支管B与石墨烯输送支管B连接；所述压力表B与压力调节阀B串联在气体输送支管B上；所述气体输送支管B与氮气储存瓶输出端连接；石墨烯输送支管B一端与三通连接头的一端连接,石墨烯输送支管B的另一端深入石墨烯粉末储存罐的底部；通
过压力调节阀B调整气体介质压力大小与石墨烯喷吹装置喷嘴以调整石墨烯的烟雾化速度；石墨烯喷吹装置在石墨烯烟雾化的同时能够释放电荷；在石墨烯烟雾化与铝颗粒烟雾化过程所使用的气体介质为氮气；通过以上技术方案从而达到铝颗粒与石墨烯粉末安全均匀混合的技术要求。3.根据权利要求2一种石墨烯、稀土复合强化A...

【专利技术属性】
技术研发人员：管歆格，任芳容，田泽，胡因行，李萍，张亦杰，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：