一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，該方法預(yù)先制備合金化組分的微納米片狀粉末，然后與碳納米管、球形純鋁粉進(jìn)行共球磨制備片狀復(fù)合粉末，再經(jīng)致密化、燒結(jié)、熱變形加工及熱處理實(shí)現(xiàn)合金化，最終得到碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料。僅需有限度的球磨即實(shí)現(xiàn)基體鋁粉與碳納米管和合金化組分的均勻復(fù)合；同時(shí)采用穩(wěn)定易磨的預(yù)合金鋁粉規(guī)避鎂、硅等高活性、易燃易爆的危險(xiǎn)元素或難磨元素，提高了安全性和可靠性；此外，片狀結(jié)構(gòu)具有較大的層間界面和較小的層厚間距，有利于合金化組分均勻擴(kuò)散并形成細(xì)小彌散的析出相。本發(fā)明有利于最大限度發(fā)揮碳納米管復(fù)合強(qiáng)化和合金強(qiáng)化效果，節(jié)能省時(shí)，安全易行。
【專利說明】一種碳納米管增強(qiáng)紹合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和航空航天、國(guó)防軍工等高【技術(shù)領(lǐng)域】的快速發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)、高模、高韌材料的需求量日益增加。當(dāng)前，包括鋁銅系硬鋁合金和鋁鋅鎂銅系超硬鋁合金在內(nèi)的高強(qiáng)鋁合金發(fā)展日趨成熟，理所當(dāng)然，人們開始重視基于高強(qiáng)度鋁合金的復(fù)合材料。碳納米管密度很低并且具有卓越的力學(xué)和物理特性，是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體，隨著其工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料逐漸成為研究開發(fā)熱點(diǎn)。然而，碳納米管在鋁基體中的均勻分散一直是前進(jìn)路上的一個(gè)主要障礙。近年來，隨著研究的不斷深入，采用基于料漿分散和高能球磨的粉末冶金技術(shù)路線，在很大程度上破解了這一技術(shù)難題，成為碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法。但是，Cu、Zn含量較高的高強(qiáng)度鋁合金，極易在碳納米管分散液中發(fā)生水解，因此不適用于料漿分散工藝；另一方面，由于高強(qiáng)鋁合金粉末的強(qiáng)度較高，其本身變形能力差，必須與碳納米管經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間共同球磨才能實(shí)現(xiàn)分散，使得碳納米管的結(jié)構(gòu)容易被破壞，從而降低了碳納米管的增強(qiáng)效果。因此，只有找到合適的粉末冶金技術(shù)路線，并藉以實(shí)現(xiàn)碳納米管在粉末中的均勻分散，從而發(fā)揮合金強(qiáng)化和碳納米管復(fù)合強(qiáng)化雙重機(jī)制，才能使所得復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大的提升，相對(duì)現(xiàn)有的高強(qiáng)鋁合金體現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，滿足航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域?qū)τ谳p量化、高強(qiáng)度和高模量等方面的應(yīng)用要求。
[0003]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Perez-Bustamante等人發(fā)表的論文《Characterization of Al2024-CNTs composites produced by mechanical alloying》(Powder Technology,2011,212,390-396)和《AA2024_CNTs composites by millingprocess after T6_temper condition)) (Journal of Alloys and Compounds,2012,536S,S17-S20),以鋁、銅、鎂、錳、鈦和鋅等單質(zhì)元素粉末為原料，按照2024鋁合金的配方比例與碳納米管一起進(jìn)行高能球磨直至機(jī)械合金化，再將球磨制得的混合粉末壓制成坯并進(jìn)行燒結(jié)，然后對(duì)燒結(jié)坯進(jìn)行熱擠壓，最后進(jìn)行T6熱處理，最終制得了碳納米管增強(qiáng)2024鋁合金復(fù)合材料。但是該方法仍然存在以下較大不足:(1)機(jī)械合金化需要長(zhǎng)時(shí)間高能球磨，導(dǎo)致碳納米管結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，易與鋁基體反應(yīng)生成Al4C3,降低了碳納米管的增強(qiáng)效果；(2)經(jīng)熱處理后的最終樣品中可以通過X射線衍射檢測(cè)出Al2Cu相，說明該析出相已充分長(zhǎng)大，降低了合金強(qiáng)化效果；(3)原料中存在單質(zhì)鎂等活性金屬粉末，對(duì)制備環(huán)境要求嚴(yán)格，不利于材料的大規(guī)模制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，該方法可在不破壞碳納米管的前提下實(shí)現(xiàn)基體合金化并與碳納米管均勻復(fù)合，從而充分發(fā)揮復(fù)合強(qiáng)化和合金強(qiáng)化雙重機(jī)制，得到力學(xué)性能優(yōu)異的碳納米管增強(qiáng)招合金復(fù)合材料。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，該方法預(yù)先制備合金化組分(單質(zhì)元素或預(yù)合金)的微納米片狀粉末，然后與碳納米管、球形純鋁粉進(jìn)行共球磨制備片狀復(fù)合粉末，再經(jīng)致密化、燒結(jié)、變形加工及熱處理實(shí)現(xiàn)合金化，最終得到碳納米管增強(qiáng)高強(qiáng)度鋁合金復(fù)合材料。由于球形鋁粉具有很強(qiáng)的變形能力，僅需有限度的球磨即可轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?，同時(shí)與碳納米管和合金化組分實(shí)現(xiàn)均勻復(fù)合，從而避免機(jī)械合金化方法對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞；對(duì)于鎂、硅等高活性、易燃易爆的危險(xiǎn)元素或難磨元素，則采用穩(wěn)定易磨的預(yù)合金鋁粉的形式引入，提高了安全性和可靠性；此外，片狀結(jié)構(gòu)具有較大的層間界面和較小的層厚間距，有利于合金化組分均勻擴(kuò)散并形成細(xì)小彌散的析出相。因此，本發(fā)明的方法有利于最大限度發(fā)揮碳納米管復(fù)合強(qiáng)化和合金強(qiáng)化效果，且節(jié)能省時(shí)，安全易行。
[0006]本發(fā)明所述方法具體步驟包括:
[0007]( 1)將合金化組分(單質(zhì)元素或預(yù)合金)的球形粉末球磨成微納米片狀粉末；
[0008](2)將上述合金化組分微納米片狀粉末與球形純鋁粉末、碳納米管均勻混合，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行球磨，得到片狀復(fù)合粉末；
[0009](3)對(duì)上述片狀復(fù)合粉末進(jìn)行致密化和燒結(jié)處理，使得各合金化組分與純鋁之間相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)合金化，得到復(fù)合錠坯；
[0010](4)對(duì)上述復(fù)合錠坯進(jìn)行熱變形加工和熱處理，得到碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料。
[0011]優(yōu)選地，所述球形粉末，應(yīng)滿足平均粒徑(D50)介于10~200iim之間。
[0012]優(yōu)選地，所述微納米片狀粉末，應(yīng)滿足徑厚比大于10，厚度介于100nm-2iim之間，片徑在5-500 iim之間。
[0013]優(yōu)選地，所述合金化組分，其中單質(zhì)元素選自銅、鎂、鋅、錳、硅、鈦或鋯等元素中的一至多種，預(yù)合金選自鋁硅合金、鋁鎂合金和鋁錳合金等。
[0014]優(yōu)選地，所述球磨包括濕磨或干磨，濕磨溶劑選自水、乙醇或煤油中的一種；所述球磨過程需加入過程控制劑，選自甲醇、乙醇、鈦酸酯、油酸、咪唑啉或硬脂酸中的一至多種。
[0015]優(yōu)選地，所述片狀復(fù)合粉末，應(yīng)滿足徑厚比大于10，厚度介于500nm-5iim之間，片徑在5-500 μm之間。
[0016]優(yōu)選地，所述碳納米管，應(yīng)滿足具有單壁、雙壁或多壁結(jié)構(gòu)，直徑小于50nm，長(zhǎng)徑比大于100。
[0017]優(yōu)選地，所述致密化過程為冷壓或冷等靜壓；所述燒結(jié)過程為氣氛燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、放電離子束燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度應(yīng)高于球磨控制劑分解溫度但低于復(fù)合粉末的熔點(diǎn)。
[0018]優(yōu)選地，所述熱變形加工，包括熱鍛、熱軋或熱擠壓中的一至多種。
[0019]優(yōu)選地，所述碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料中，非鋁元素的含量可根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要在其質(zhì)量總和4~15%的范圍內(nèi)任意調(diào)控，碳納米管的含量可在質(zhì)量百分含量0.1~5%范圍內(nèi)任意調(diào)控。[0020]優(yōu)選地，所述碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料中，包含以下合金元素中的一種或多種，各種合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Cu:0.05~5% ；Zn:0.2~10% ；S1:0.2~2.0% ；Mg:0.2~
3.0% ；Mn:0.1~1.0% ;所述碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的室溫屈服強(qiáng)度大于400MPa，抗拉強(qiáng)度大于450MPa。
[0021]本發(fā)明采用微納米片狀合金化組分粉末為原料，較大的層間界面和較小的層厚間距，縮短了合金化過程中元素?cái)U(kuò)散距離，有利于快速合金化，可以在很大程度上減少高能球磨時(shí)間，同時(shí)也有助于材料在時(shí)效過程中形成細(xì)小彌散的析出相，提高合金強(qiáng)化效果。而常規(guī)機(jī)械合金化一般以球形粉末為原料，是一個(gè)通過高能球磨使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊、破碎，從而達(dá)到元素間原子水平合金化的復(fù)雜物理化學(xué)過程，為了保障機(jī)械合金化的均勻性，必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高能球磨，耗費(fèi)大量能源。同時(shí)對(duì)于活潑元素或難磨元素，則采用穩(wěn)定易磨的預(yù)合金鋁粉的形式引入，極大地提高了材料制備過程中的安全性和可靠性。
[0022]本發(fā)明采用微米球形鋁粉為原料，利用其很好的變形能力，變形過程中比表面積增加，幫助分散片狀合金化組分粉末和碳納米管，有利于合金強(qiáng)化和復(fù)合強(qiáng)化的均勻性。本發(fā)明中球磨過程分兩步進(jìn)行。共球磨之前，碳納米管纏結(jié)成球狀，相比于球形鋁粉，碳納米管聚團(tuán)可視為較硬的顆粒。先進(jìn)行低速球磨，由于球形鋁粉具有很好的塑性，碳納米管聚團(tuán)會(huì)嵌入球形鋁粉中，隨著鋁粉逐漸片化的過程，纏結(jié)的碳納米管被解開，并隨著鋁粉的變形逐漸分散在鋁粉表面。同時(shí)球狀鋁粉在片化過程中，其比表面積逐漸增大，促使碳納米管被均勻分散在鋁片表面，而鋁片增大了的比表面積增加了其微納米片狀合金化組分粉末間的形狀匹配性，有利于合金化組分元素的均勻分散。再進(jìn)行高速球磨，依靠金屬粉末的變形進(jìn)一步分散碳納米管，并利用金屬粉末之間的冷焊效果，促進(jìn)碳納米管與金屬粉末的緊密結(jié)合，有助于提高碳納米管的增強(qiáng)效果。相比之下，當(dāng)采用高強(qiáng)度鋁合金粉末做原料以高能球磨分散碳納米管時(shí)，由于合金粉末本身硬度很大不易發(fā)生塑性形變，難以與碳納米管協(xié)調(diào)變形，因此很難實(shí)現(xiàn)碳納米管的均勻分散。
[0023]本發(fā)明所用的有限度的球磨指球磨過程僅以均勻分散碳納米管為目的，在碳納米管所經(jīng)歷的球磨過程中球磨強(qiáng)度(包括球料比、球磨介質(zhì)以及球磨轉(zhuǎn)速等)和球磨時(shí)間等球磨參數(shù)應(yīng)滿足碳納米結(jié)構(gòu)不被較大程度破壞，其指標(biāo)應(yīng)滿足拉曼光譜分析結(jié)果中碳的D峰和G峰的強(qiáng)度比值(IdAcj)小于1，保證充分發(fā)揮碳納米管的增強(qiáng)效果。相比之下，當(dāng)采用常規(guī)機(jī)械合金化工藝時(shí)，以均勻合金化為目的，勢(shì)必進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度球磨，對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)會(huì)造成很大破壞。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0025](I)采用二維微納米片狀合金化組分粉末為原料，有利于快速合金化和合金析出強(qiáng)化；
[0026](2)球磨過程僅以均勻分散碳納米管為目標(biāo)，球磨過程對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)破壞小，有利于充分碳納米管的增強(qiáng)效果；
[0027](3)合金中非鋁元素的引入，不限于單質(zhì)粉末，可以有效規(guī)避活潑元素和難磨元素；
[0028](4)非鋁元素的含量可根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要在其質(zhì)量總和不超過總質(zhì)量15%的范圍內(nèi)任意調(diào)控任意調(diào)控，碳納米管的含量可在質(zhì)量百分含量0.1~5%范圍內(nèi)任意調(diào)控；
[0029](5)制備方法適用范圍廣，節(jié)能省時(shí)，工藝可靠高效，利于規(guī)?；a(chǎn)。【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0031]圖1為本發(fā)明一較佳實(shí)施例流程示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的掃描電子顯微鏡照片，其中:(a)為球形鋁粉；(b)為片狀銅粉；(c)為原料碳納米管；
[0033]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的掃描電子顯微鏡照片，其中:(a)為低速球磨后的碳納米管/鋁/銅粉末，(b)為高速球磨后的碳納米管/鋁-銅復(fù)合粉末；
[0034]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的X射線衍射分析圖譜，其中:a為球磨后的碳納米管/鋁-銅復(fù)合粉末，b為燒結(jié)態(tài)的碳納米管/鋁銅合金復(fù)合錠坯，c為固溶態(tài)的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料，d為時(shí)效態(tài)的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料；
[0035]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的拉曼光譜分析圖譜，其中:a為原料碳納米管，b為最終的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0037]以下實(shí)施例中所用的金屬粉末均為噴射成形，碳納米管均為未羧基化多壁碳納米管，直徑約為30nm，長(zhǎng)度約為2 ym，其余化學(xué)試劑均為分析純。所有實(shí)施例均按照?qǐng)D1所示的工藝進(jìn)行，所有實(shí)施例均按照?qǐng)D1所示的工藝進(jìn)行，所有實(shí)施例中材料的室溫力學(xué)性能均參照((GB / T228.1-2010》進(jìn)行，拉伸速率為0.5mm/min。
[0038]實(shí)施例1
[0039]碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金(含碳納米管3wt.%，銅4wt.%)
[0040]取50g40 ii m純銅粉置于行星式球磨機(jī)中，以水為溶劑,加入4g咪唑啉作為球磨過程控制劑，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1,以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨IOh,抽濾烘干后獲得片狀銅粉，片徑約為5 iim，片厚約為500nm，徑厚比約為10。
[0041 ] 取93g30 u m純鋁粉，4g上述片狀銅粉和3g碳納米管，如圖2所示為其掃描電子顯微鏡照片，其中:圖2中(a)為球形鋁粉，圖2中(b)為片狀銅粉，圖2中(C)為原料碳納米管，從圖2中(c)可見碳納米管初始團(tuán)聚成球狀。先將粉末在三維運(yùn)動(dòng)混粉罐中混合lh，然后轉(zhuǎn)移至攪拌式球磨機(jī)中，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以423轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨4h，獲得碳納米管/鋁/銅混合粉末，圖3中(a)為其掃描電子顯微鏡照片，可以看到團(tuán)聚的碳納米管被打開，碳納米管均勻分散在金屬片表面。進(jìn)而放入行星球磨機(jī)中，在氬氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨lh，獲得碳納米管/鋁-銅復(fù)合粉末，其掃描電子顯微鏡照片如圖3中(b)所示。從圖中可以看出，經(jīng)過高速球磨，碳納米管部分嵌入金屬片中形成緊密結(jié)合。
[0042]將上述復(fù)合粉末在550°C、IOOMPa條件下經(jīng)過Ih熱等靜壓燒結(jié)制成直徑40mm的還體，然后將燒結(jié)還在450°C下熱墩至約IOmm后的圓餅,在500°C下熱軋成2mm厚的板材，隨后535°C固溶6h，130°C時(shí)效6h，獲得最終的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料，其力學(xué)性能列于表1中。
[0043]用X射線衍射法表征所制備的碳納米管/混合鋁銅復(fù)合粉末、燒結(jié)態(tài)的碳納米管/鋁銅合金復(fù)合錠坯、固溶態(tài)的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料以及時(shí)效態(tài)的碳納米管增強(qiáng)高強(qiáng)度鋁銅合金復(fù)合材料的成分變化，如圖4所示，其中:圖4中a為球磨后的碳納米管/鋁-銅復(fù)合粉末，圖4中b為燒結(jié)態(tài)的碳納米管/鋁銅合金復(fù)合錠坯，圖4中c為固溶態(tài)的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料，圖4中d為時(shí)效態(tài)的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料。其結(jié)果顯示，復(fù)合粉末中含有鋁、銅單質(zhì)，說明球磨過程并沒有實(shí)現(xiàn)合金化；燒結(jié)坯中銅的衍射峰消失，出現(xiàn)Al2Cu相，說明鋁和銅在燒結(jié)過程中相互擴(kuò)散發(fā)生反應(yīng)形成合金相；復(fù)合材料固溶態(tài)Al2Cu衍射峰消失，說明形成的金屬間化合物可以充分固溶；時(shí)效態(tài)樣品中檢測(cè)不到Al2Cu的衍射峰，說明時(shí)效過程并沒有形成非共格的穩(wěn)態(tài)析出相，有利于材料強(qiáng)度的提聞。
[0044]由X射線衍射圖譜還可以看出，樣品所經(jīng)歷的各過程中都沒有形成Al4C3，說明碳納米管的結(jié)構(gòu)沒有被破壞。最終制備的復(fù)合材料的拉曼光譜分析圖譜，如圖5所示，其中:圖5中a為原料碳納米管，圖5中b為最終的碳納米管增強(qiáng)鋁銅合金復(fù)合材料，可以看出樣品的ID/Ie=0.81略高于原料碳納米管的0.75，說明這種方法制備的材料幾乎不破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)。
[0045]比較例I
[0046]分別取與實(shí)施例1中相同的球形鋁粉和球形銅粉以及碳納米管93g、4g和3g，置于行星式球磨機(jī)中，在氬氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨24h，直至鋁銅實(shí)現(xiàn)合金化。將合金化粉末按照實(shí)施例1中相同工藝進(jìn)行致密化和燒結(jié)以及變形加工和熱處理，最終得到的復(fù)合材料的力學(xué)性能列于表1中。
[0047]比較例2
[0048]取97g35 U m2024鋁粉和3g碳納米管，置于攪拌式球磨機(jī)中，在氬氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以423轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨8h，制得碳納米管/2024鋁合金復(fù)合粉末，將此粉末將合金化粉末按照實(shí)施例1中相同工藝進(jìn)行致密化和燒結(jié)以及變形加工和熱處理，最終得到的復(fù)合材料的力學(xué)性能列于表1中。
[0049]實(shí)施例2
[0050]碳納米管增強(qiáng)鋁鋅鎂銅硅合金(含碳納米管Iwt.%，鋅9wt.%，鎂2wt.%，銅
2.5wt.%,)
[0051]以40 U m純鋅粉作為鋅源，取50g鋅粉置于行星式球磨機(jī)中，在氬氣保護(hù)下以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為10:1，以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨8h，獲得片狀鋅粉，其片徑約為3iim，片厚約為200nm，徑厚比約為15。
[0052]以10 ii m5083鋁粉(含鎂4wt.%)作為鎂源，取100g5083鋁粉置于攪拌式球磨機(jī)中并加入1.5g硬脂酸,在気氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì),球料比為20:1,以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨2h，獲得片狀5083鋁粉，其片徑約為20 u m,厚度約為2 u m,徑厚比約為10。
[0053]以40 U m純鋅粉作為鋅源，取50g鋅粉置于行星式球磨機(jī)中，在氬氣保護(hù)下以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為10:1，以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨8h，獲得片狀鋅粉，其片徑約為3iim，片厚約為200nm，徑厚比約為15。
[0054]以40 ii m純銅粉作為銅源，按實(shí)施例1的方法制備片狀銅粉。
[0055]按設(shè)計(jì)比例，取上述片狀5083粉末50g，片狀鋅粉9g，片狀銅粉2.5g，IOum球形純鋁粉37.5g以及碳納米管lg，置于三維運(yùn)動(dòng)式混粉罐中混合2h，然后轉(zhuǎn)移至攪拌式球磨機(jī)中，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以200轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨6h，獲得碳納米管/金屬混合粉末，再以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨0.5h,獲得碳納米管/金屬復(fù)合粉末。
[0056]將上述復(fù)合粉末先在IOOMPa壓力下壓制成直徑40mm的坯體，接著先將坯體在400°C氬氣氣氛下保溫2h，再升溫至540°C燒結(jié)2h，然后將燒結(jié)坯在420°C的真空擠壓爐中保溫Ih后以25:1的擠壓比、2mm/min的擠壓速率擠壓為直徑為8mm的圓棒，隨后在475°C固溶3h，先在120°C時(shí)效6h，再在175°C時(shí)效12小時(shí)，制得最終的碳納米管增強(qiáng)鋁鋅鎂銅合金復(fù)合材料，其力學(xué)性能列于表1中。
[0057]實(shí)施例3
[0058]碳納米管增強(qiáng)鋁銅鎂合金(含碳納米管2wt.%，銅2wt.%，鎂0.5wt.%)
[0059]按照實(shí)施例1和實(shí)施例2中的方法制備片狀銅粉和片狀5083粉，按設(shè)計(jì)比例取83.5gl00 u m球形純鋁粉，2g片狀銅粉，12.5g片狀5083粉以及2g碳納米管，置于攪拌式球磨機(jī)中，在IS氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1,以352轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨3h后,再以426轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨Ih,制得碳納米管/金屬復(fù)合粉末。
[0060]將上述復(fù)合粉末在575 °C IOOMPa條件下經(jīng)過2h真空熱壓燒結(jié)制成直徑40mm的坯體，接著在460°C的真空擠壓爐中保溫Ih后以16:1的擠壓比、2mm/min的擠壓速率擠壓為直徑為IOmm的圓棒，隨后在485°C固溶3h，先在135°C時(shí)效4h，再在165°C時(shí)效6小時(shí)，制得最終的碳納米管增強(qiáng)鋁銅鎂合金復(fù)合材料，其力學(xué)性能列于表1中。
[0061]實(shí)施例4
[0062]碳納米管增強(qiáng)招鎂娃猛合金(含碳納米管2wt.%,鎂Iwt.%,娃Iwt.%,猛0.5wt.%)
[0063]以20 y m鋁鎂鋁粉(含鎂IOwt.%)作為鎂源，取100g鋁鎂粉置于攪拌式球磨機(jī)中并加入2g硬脂酸，在氬氣保護(hù)下，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以352轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨3h，獲得片狀鋁鎂粉，其片徑約為30 u m,厚度約為I y m,徑厚比約為30。
[0064]以20 ii m鋁硅合金粉(含硅5wt.%)作為硅源，取100g鋁硅合金粉置于攪拌式球磨機(jī)中，以無水乙醇為溶劑，加入3g鈦酸酯作為球磨過程控制劑，以不銹鋼球?yàn)榻橘|(zhì)，球料比為20: 1，以353轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨4h，抽濾烘干后，獲得片狀鋁硅粉，其片徑約為40 y m，片厚約為500nm，徑厚比約為80。
[0065]以50 ii m鋁錳合金粉(含錳2wt.%)作為錳源，取100g鋁錳合金粉置于攪拌式球磨機(jī)中，以無水乙醇為溶劑，以不銹鋼球?yàn)榻橘|(zhì)，球料比為20:1，以353轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨4h，抽濾烘干后，獲得片狀鋁硅粉，其片徑約為30i!m，片厚約為lum，徑厚比約為30。
[0066]按設(shè)計(jì)比例，取上述片狀鋁鎂粉10g，片狀鋁硅粉20g，片狀鋁錳粉25g，30 U m球形純鋁粉46g以及碳納米管1.5g，置于三維運(yùn)動(dòng)式混粉罐中混合3h，然后轉(zhuǎn)移至攪拌式球磨機(jī)中，以不銹鋼球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為20:1，以352轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速球磨4h，獲得碳納米管/金屬混合粉末.[0067]將上述復(fù)合粉末在IOOMPa壓力下550°C下燒結(jié)2h制成直徑40mm的坯體，將燒結(jié)坯在430°C的真空擠壓爐中保溫Ih后以16:1的擠壓比、lmm/min的擠壓速率擠壓為直徑為IOmm的圓棒，隨后515°C固溶2h，170°C時(shí)效4h，制得最終的碳納米管增強(qiáng)鋁鎂硅錳合金復(fù)合材料，其力學(xué)性能列于表1中。
[0068]表1復(fù)合材料的組分、制備方法及其室溫力學(xué)性能
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，該方法具體步驟包括: (1)將合金化組分即單質(zhì)元素或預(yù)合金的球形粉末球磨成微納米片狀粉末； (2)將上述合金化組分微納米片狀粉末與球形純鋁粉末、碳納米管均勻混合，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行球磨，得到片狀復(fù)合粉末； (3)對(duì)上述片狀復(fù)合粉末進(jìn)行致密化和燒結(jié)處理，使得各合金化組分與純鋁之間相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)合金化，得到復(fù)合錠坯； (4)對(duì)上述復(fù)合錠坯進(jìn)行熱變形加工和熱處理，得到碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述球形粉末，應(yīng)滿足平均粒徑D50介于10~200 ii m之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述合金化組分，其中單質(zhì)元素選自銅、鎂、鋅、錳、硅、鈦或鋯中的一至多種，預(yù)合金選自招娃合金、招鎂合金和招猛合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述微納米片狀粉末，應(yīng)滿足徑厚比大于10，厚度介于lOOnmjym之間，片徑在5-500 y m 之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述片狀復(fù)合粉末，應(yīng)滿足徑厚比大于10，厚度介于500nm-5 u m之間，片徑在5-500 y m 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述碳納米管應(yīng)滿足具有單壁或多壁結(jié)構(gòu)，直徑小于50nm，長(zhǎng)徑比大于100。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述球磨為濕磨或干磨，濕磨溶劑選自水、乙醇或煤油中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述球磨過程中需加入過程控制劑，控制劑選自甲醇、乙醇、鈦酸酯、油酸、咪唑啉或硬脂酸中的一至多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述致密化過程為冷壓或冷等靜壓；所述燒結(jié)過程為氣氛燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、放電離子束燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度高于球磨控制劑分解溫度但低于復(fù)合粉末的熔點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述熱變形加工，包括熱鍛、熱軋或熱擠壓中的一至多種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料中，非鋁元素的含量根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要在其質(zhì)量總和4~15%的范圍內(nèi)任意調(diào)控，碳納米管的含量在質(zhì)量百分含量0.1~5%范圍內(nèi)任意調(diào)控。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述的碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料中，包含以下合金元素的一種或多種，且它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:Cu:0.05~5% ；Zn:0.2~10% ；S1:0.2~2.0% ；Mg:0.2~.3.0% ；Mn:0.1 ~1.0%。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103789564SQ201410032834
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】李志強(qiáng), 秦臻, 范根蓮, 譚占秋, 張荻 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)