本发明专利技术涉及一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，属于金属材料制备和加工领域。该复合材料原料组成为：6063、A7075、A6061或A2024铝合金粉末：20～50vol.％，AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al
【技术实现步骤摘要】
一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，属于金属材料制备和加工领域。
技术介绍
[0002]铝合金具有较高的比强度，良好的延展性，以及耐腐蚀性能，同时，其导电性能和导热性能俱佳，是航空航天领域中应用最为广泛的一种金属材料。随着多种新型高性能飞行器对服役条件和性能要求的不断提升，传统的铝合金材料性能已经进入发展的瓶颈，其应用也受到了制约。如今，逐渐发展成熟的铝基复合材料成为人们重点关注的对象。尤其是以纳米相增强的铝基复合材料，因其添加量少，且具有轻质、高比强、高导热性能等特点，与传统金属材料符合后有望获得良好的综合性能，从而受到研究者的青睐。其中，以纳米石墨烯为代表的增强相，因其独特的二维结构和极高的强度和模量，以及良好的导电和导热特性，被认为是增强铝基复合材料的最佳选择之一，目前，通常用热等静压、放电等离子烧结、金属熔渗、搅拌铸造以及原位反应等方法制备。
[0003]受限于纳米颗粒比表面积高，易团聚，不耐高温侵蚀等特点，当前的复合材料设计和制备工艺还存在一些问题和难点。例如，中国专利CN 106566942 A的专利技术中公开了一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料，对由石墨烯和铝粉的混合粉体进行了包覆和热压烧结，然而所述方法形温度相对铝粉熔点较低，烧结润湿性还存在提升的空间，而且热压烧结成形压力不能有效传递，所制备的复合材料界面结合处常常存在显微缺陷，致使复合材料热物理性能和力学性能均损失严重。另外，对于纳米增强相易团聚，分散性差的特点，通常会采用机械搅拌的方式。例如，中国专利CN 111515403 A的专利技术中采用机械搅拌的方法分散石墨烯，但是，该方法没有考虑分散过程中产生的热效应，势必导致机械搅拌作用效果大打折扣，在完成分散后，石墨烯还是会在短时间内形成团聚体。
技术实现思路
[0004]基于现有复合材料设计和制备方法不完善，无法满足不断增长的高性能复合材料应用需求的背景下，本专利技术聚焦于解决当前研究和应用中高性能纳米颗粒增强铝基复合材料的增强相分散均匀性不足，“增强相/基体”界面结合差，制备流程长，制备成本高昂，致密化程度低等问题，针对现有制备方法中存在的问题，提出了一种纳米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
[0005]本专利技术以两种铝合金粉末作为基体材料，其中，一种是低合金元素含量的Al6063铝合金粉末，具有高熔点和高热导率的特点，选取该合金粉作为后续粉末半固态成形时纳米颗粒增强相的承载体和骨架，其他具有同类型特点的合金同样适用该专利技术，包括A7075、A6061、A2024等合金粉；另一种是具有高Si元素含量的AlSi10Mg铝合金粉末，具有低熔点，铸造性良好，在熔融态或半熔融态时具有良好的流动性和成形性，选取该合金作为粉末半固态成形时高熔点合金粉和石墨烯的粘结剂，其他具有同类型特点的合金同样适用该发
明，包括AlSi7Mg、Al
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12Si、A356、A357铝合金和中间合金粉等；另外，以纳米氧化石墨烯(GO)作为增强(增韧)相，该增强相具有高电导率、高热导率以及高强度等特点，其他具有同类型特点的纳米颗粒增强相同样适用该专利技术，纳米颗粒包括碳纳米管、纳米碳化硅颗粒等。
[0006]一种颗粒增强铝基复合材料，按照体积百分比，其原料组成为：6063、A7075、A6061和A2024铝合金粉末中的一种：20～50vol.％，AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al
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12Si、A356和A357铝合金粉末或中间合金粉末中的一种：50～80vol.％。
[0007]优选的，所述颗粒增强铝基复合材料，按照体积百分比，其原料组成为：6063铝合金粉末：20～50vol.％，AlSi10Mg铝合金粉末：50～80vol.％。
[0008]进一步地，上述颗粒增强铝基复合材料中，还包含氧化石墨烯粉末(纳米颗粒)、碳纳米管颗粒或纳米碳化硅颗粒，加入量为复合材料(原料)总质量的0.01～1.0wt.％；优选为0.1～0.5wt.％。
[0009]本专利技术的材料是一种新型微尺度非均质结构纳米颗粒增强铝基复合材料。
[0010]其中，6063铝合金粉末，纯度为99.5～99.9％，粒径为53～150μm；热导率为201～218W/(m
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K)，熔点范围为616～654℃，密度为2.70～2.75g/cm3；6063铝合金的组成优选为：Mg 0.50～1.00wt.％，Si 0.60～1.00wt.％，Cu≤0.35wt.％，Fe≤0.2wt.％，其余为Al；更优选为Al
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0.65Mg
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0.7Si
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0.35Cu
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0.2Fe。在复合材料中添加的Al6063粉末体积分数占比为20～50vol.％。
[0011]其中，AlSi10Mg铝合金粉末，纯度为99.5～99.9％，粒径为15～53μm，热导率为105～122W/(m
·
K)，熔点范围为557～596℃，密度为2.65～2.69g/cm3；AlSi10Mg铝合金的组成优选为：Si 6.50～14.5wt.％，Mg 0.10～0.80wt.％，其余为Al。在复合材料中添加的AlSi10Mg粉末体积分数占比为50～80vol.％。
[0012]其中，氧化石墨烯粉末(GO)，棕黄色粉末，片径为100～1000nm，厚度为1～3nm，灰分＞2％，氧含量为20～40％，单层率≥92％，热导率为2000～3000W/(m
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K)。在复合材料中添加的氧化石墨烯纳米颗粒质量分数占比0.01～0.5wt.％。
[0013]一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0014](1)高能球磨混合双金属粉末
[0015]将6063铝合金粉末和AlSi10Mg铝合金粉末经过清洗干燥后，按体积比放入高能球磨罐中混合，球磨完成后，利用筛网进行球料分离，得到混合的双合金粉；
[0016](2)超声分散氧化石墨烯粉末
[0017]将氧化石墨烯粉末加入无水乙醇中，利用超声分散机对颗粒状氧化石墨烯进行分散，获得氧化石墨烯悬浮液；
[0018](3)超声搅拌+机械搅拌混合粉末
[0019]将步骤(1)中制备的双合金粉直接加入步骤(2)中获得的氧化石墨烯悬浮液中，利用超声分散机进行超声搅拌；然后，利用机械搅拌螺旋桨叶片搅拌混合物，使得分散的石墨烯吸附在金属粉体表面；
[0020](4)粉末混合体真空干燥
[0021]将步骤(3)中制备的混合体放入真空干燥箱中进行干燥，然后将所得混合粉体进行筛分，得到添加了石墨烯的双合金混合粉体；
[0022](5)液固双相放电等离子烧结
[0023]将步骤(4)中干燥后的混合粉体装入石墨坩埚中，利用放电等离子烧结技术进行半固态粉末成形，得到微尺度非均质结构纳米颗粒增强铝基复合材料。
[0024]上述制备方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：按照体积百分比，其原料组成为：6063、A7075、A6061和A2024铝合金粉末中的一种：20～50vol.％，AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al
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12Si、A356和A357铝合金粉末或中间合金粉末中的一种：50～80vol.％。2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：按照体积百分比，原料组成为：6063铝合金粉末：20～50vol.％，AlSi10Mg铝合金粉末：50～80vol.％。3.根据权利要求1或2所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：所述的颗粒增强铝基复合材料中，还包含氧化石墨烯粉末、碳纳米管颗粒或纳米碳化硅颗粒，占复合材料总质量的0.01～1.0wt.％。4.根据权利要求3所述的颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：6063铝合金粉末，纯度为99.5～99.9％，粒径为53～150μm；AlSi10Mg铝合金粉末，纯度为99.5～99.9％，粒径为15～53μm；氧化石墨烯粉末片径为100～1000nm，厚度为1～3nm。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)高能球磨混合双金属粉末将6063铝合金粉末和AlSi10Mg铝合金粉末经过清洗干燥后，按体积比放入高能球磨罐中混合，高能球磨完成后，利用筛网进行球料分离，得到混合的双合金粉；(2)超声分散氧化石墨烯粉末将氧化石墨烯粉末加入无水乙醇中，利用超声分散机对颗粒状氧化石墨烯进行分散，获得氧化石墨烯悬浮液；(3)超声搅拌+机械搅拌混合粉末将步骤(1)中制备的双合金粉加入步骤(2)中获得的氧化石墨烯悬浮液中，利用超声分散...
【专利技术属性】
技术研发人员：郎利辉，张万鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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