一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，属于铝基复合材料技术领域。该方法以CNT增强铝基复合材料环形坯锭为原料，通过调配环轧温度至于适中区间(低于固溶温度100至200℃)，使得CNT能够沿着环轧方向定向排布，促进载荷传递强化效率充分发挥；同时在晶界附近诱发高密度位错，为析出相提供形核质点，减少时效后无析出带含量，可使材料具有极高的强度水平。通过塑性加工对复合材料的析出相与增强相的取向进行耦合调控，可操纵性较强，组织可控化程度较高。组织可控化程度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法


[0001]本专利技术涉及铝基复合材料
，具体涉及一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法。

技术介绍

[0002]异形环件在工程应用领域中应用广泛，尤其是航空航天领域中的环状支撑结构，作为关键受力部件，不仅要求其沿圆周方向上有较高的强度水平，还要求构件在保持安全服役的前提下尽量减重，以达到节能增效的目的。以Al
‑
Cu、Al
‑
Zn
‑
Mg
‑
Cu系为代表的高强度铝合金，在航空航天领域中应用极为广泛，但由于其绝对强度水平依然无法与钛合金、高强钢等材料媲美，在关键承载机构中应用还十分受限。如果提升铝基材料的强度水平至700MPa以上，用以替代密度较高的钛、钢等结构材料，对于航空航天的装备发展意义重大。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于提供一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，该方法以CNT增强高强铝基合金(Al
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Cu系、Al
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Mg
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Si系、Al
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Zn
‑
Mg
‑
Cu系等可热处理铝合金中方的一种)环形坯锭为原料，通过调配环轧温度至适中区间(低于固溶温度100至200℃)，使得CNT能够沿着环轧方向定向排布，促进载荷传递强化效率充分发挥；同时在晶界附近诱发高密度位错，为析出相提供形核质点，减少时效后无析出带含量，从而提高材料的强度水平。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，该方法是以碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料环形坯锭为原料，通过环轧工艺获得高强度环状异形件(环形构件)。
[0006]该方法包括如下步骤：
[0007](1)准备碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料粉末；
[0008](2)将步骤(1)中的复合材料粉末装入环形模具中，依次进行冷压成型和粉末冶金烧结，获得复合材料环形坯锭；
[0009](3)对步骤(2)所得的坯锭进行多道次环轧；
[0010](4)对步骤(3)所得环轧件依次进行固溶与时效处理，即获得所述高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件。
[0011]上述步骤(1)中，所述碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料的制备过程为：将碳纳米管(CNT)粉末与铝合金粉末(Al
‑
Cu系、Al
‑
Mg
‑
Si系、Al
‑
Zn
‑
Mg
‑
Cu系等铝合金粉末中的一种)进行共混，通过高能球磨法使CNT在铝合金粉末中均匀分散，获得CNT/Al复合材料粉末，即为所述碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料。
[0012]所述铝合金粉末的平均粒径为0.1μm～200μm，CNT粉末的平均径向尺寸为10～
100nm，CNT粉末在总粉末(铝合金粉末+CNT粉末)中所占比例为0.3
‑
3wt.％，高能球磨的球料重量比为10:1～30:1。
[0013]所述铝合金粉末为Al
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Cu系、Al
‑
Mg
‑
Si系和Al
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Zn
‑
Mg
‑
Cu系等铝合金粉末中的一种。
[0014]上述步骤(2)中，所述粉末冶金烧结采用气氛或真空条件下的真空热压烧结、热等静压或放电离子束烧结工艺，烧结温度为480
‑
580℃。
[0015]上述步骤(3)中，所述环轧温度控制在铝基复合材料固溶温度以下100至200℃之间。
[0016]上述步骤(4)中，固溶温度与时效温度根据特定铝合金牌号进行对应选择。
[0017]本专利技术方法制备的环状异形件中：CNT在环形构件中沿着圆周方向排布，同时晶界无析出带含量极低，在增强相(CNT)载荷传递与析出相弥散强化的共同作用下，异形环件的圆周方向的强度水平极高。
[0018]本专利技术设计机理如下：
[0019]研究表明，向铝基体中混入一定比例的碳纳米管(CNT)，并使CNT沿受力方向有序定向排布可充分发挥其载荷传递效用，对于提升整体材料的强度水平将大有帮助。另外，高强铝合金基体中富含高密度析出相，但在晶界附近，往往不可避免地出现较大尺寸的无析出带，从而不利于材料的高强度发挥。通过预变形，向基体中引入一定的位错缺陷，可为晶界附近的析出相提供形核质点，从而可减少无析出带的含量。在CNT载荷传递与降低无析出带含量的共同作用下，可进一步提升铝基材料的强度水平。
[0020]本专利技术以CNT增强高强铝合金(Al
‑
Cu系、Al
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Mg
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Si系、Al
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Zn
‑
Mg
‑
Cu系等可热处理铝合金中方的一种)环形坯锭为原料，通过调配环轧工艺，使得CNT能够沿着环轧方向定向排布，促进载荷传递强化效率充分发挥；同时在晶界附近诱发高密度位错，为析出相提供形核质点，减少时效后无析出带含量，可制备高强度铝基材料，并提供相应制备方法。
[0021]本专利技术的CNT定向排布同时晶界无析出带含量极低的高强铝基复合材料环状异形件及制备方法的优点和有益效果如下：
[0022]1、与高强铝合金相比，具有更高的强度水平，如屈服强度可达600MPa以上，抗拉强度在700MPa以上。
[0023]2、与未经过塑性变形的材料相比，经中温环轧工艺在晶界附近引入了高密度位错，可诱发析出相形核，减少无析出带含量，从而可使组织均匀程度更高。
[0024]3、通过塑性加工即可对复合材料的组织进行调控，可控化程度高，可直接用于工程量产。
具体实施方式
[0025]实施例1
[0026]选用平均粒径13μm的2009Al粉，与2wt.％含量、平均直径15nm的CNT粉末使用高能球磨机进行混合，球料重量比为15：1，转速350rpm，最大线速度为4.4m/s。将球磨后所得混合粉末在540℃、80MPa条件下真空烧结2小时，烧结坯锭在390℃条件下环轧，变形比4:1。将环状异形构件在500℃固溶2小时，然后经180℃人工时效12小时，最终获得高性能构件。
[0027]本实施例制造的CNT/2009Al环状异形件，其微观组织表现为CNT沿圆周方向定向
排列，基体中均匀分布着高密度Al2Cu相，晶界附近未见明显无析出带，室温条件下构件的周向抗拉强度达730MPa。
[0028]对比例1
[0029]选用平均粒径13μm的2009Al粉，与2wt.％含量、平均直径15nm的CNT粉末使用高能球磨机进行混合，球料比为15：1，转速350rpm，最大线速度为4.4m/s。取混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，其特征在于：该方法是以碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料环形坯锭为原料，通过环轧工艺获得高强度环状异形件。2.根据权利要求1所述的高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)准备碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料粉末；(2)将步骤(1)中的复合材料粉末装入环形模具中，依次进行冷压成型和粉末冶金烧结，获得复合材料环形坯锭；(3)对步骤(2)所得的坯锭进行多道次环轧；(4)对步骤(3)所得环轧件依次进行固溶与时效处理，即获得所述高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件。3.根据权利要求2所述的高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料的制备过程为：将碳纳米管(CNT)粉末与铝合金粉末(Al
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Cu系、Al
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Mg
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Si系、Al
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Zn
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Mg
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Cu系等铝合金粉末中的一种)进行共混，通过高能球磨法使CNT在铝合金粉末中均匀分散，获得CNT/Al复合材料粉末，即为所述碳纳米管(CNT)增强铝基复合材料。4.根据权利要求3所述的高强度碳纳米管增强铝基复合材料环状异形件的制备方法，其特征在于：所述铝合金粉末的平均粒径为0.1μm～200μm，CNT粉末的平均径向尺寸为10～100nm，CN...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯，刘振宇，肖伯律，马宗义，张峻凡，昝宇宁，朱士泽，王东，王全兆，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：