一種粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法。該方法首先采用浸漬法獲得鋁粉上均勻沉積銅納米顆粒的顯微結構，進而采用較短時間球磨，實現(xiàn)銅均勻分散并嵌入到鋁粉內部，然后采用冷壓燒結或真空熱壓法對粉末進行致密化處理得到塊體材料，最后通過熱擠壓成型得到Al-Cu合金材料。本發(fā)明的優(yōu)點：采用該方法制備出Al-Cu合金材料，其機械性能優(yōu)于其他粉末冶金鋁合金材料。同時該方法也可以推廣應用于其他金屬粉末上，制備不同基體的合金材料，具有廣闊的工業(yè)應用前景。
【專利說明】一種粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法
[0001]

【技術領域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種利用粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法，屬于有色金屬材料及 粉末冶金【技術領域】。

【背景技術】
[0003] Al-Cu合金作為一種可熱處理合金，具有密度低、強度高、延伸率高和耐腐蝕性能 好等諸多優(yōu)點，廣泛應用于汽車、建筑及航空航天等諸多領域。目前，Al-Cu合金的制備主 要利用鑄造法，但該方法存在很多缺點：1)組織和成分均勻性很難保證，容易出現(xiàn)成分偏 析，從而影響性能；2)制備過程中易引入鐵、氧等雜質；3)鑄造設備所需成本較高，耗能巨 大。相對來講，粉末冶金方法不僅可以克服上述缺點，還具有省材、性能優(yōu)異、產品精度高且 穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，因而得到越來越廣泛的應用。
[0004] 在之前的粉末冶金工藝中，為實現(xiàn)合金元素均勻分散及達到合金化的效果，常常 需要對一定量的錯粉和銅粉進行較長時間的球磨。Shanmugasundaram等人（Metallurgical and Materials Transactions A 40. 12 (2009): 2798-2801.)利用 30h 的球磨制備出達到 合金化的Al-Cu合金粉末。然而，受到Cu顆粒粒徑較大的限制，該方法制備時間長，而且為 了防止冷焊情況出現(xiàn)，又不得不加入過程控制劑，從而影響合金純度。
[0005] 另一方面，專利"CN 101864547 A"和"CN 102424919 A"提出可以利用浸漬一還 原法在錯基體上沉積Ni或Co納米顆粒。同理，通過研究發(fā)現(xiàn)（Materials Letters, 72 (2012) 164-167.)，可以利用該方法在鋁基體上原位沉積一層均勻分散的Cu納米顆粒。但 是上述方法目前僅僅應用于制備生長碳納米管所需的催化劑，并沒有用于合金方面的制 備。相對于其他方法中將鋁粉和銅粉進行長時間的機械合金化，浸漬一還原法作為一種原 位合成的方法，可以更容易地實現(xiàn)Cu在A1上的均勻分散。從而在實現(xiàn)合金化的前提下，大 幅減少機械球磨的時間。
[0006] 目前，粉末冶金的成形過程包括冷壓燒結、熱擠壓等多種方式。其中，冷壓燒結、真 空熱壓燒結常用于粉體的初步成形，而熱擠壓常用于材料的最終成形。經(jīng)過冷壓燒結/真 空熱壓燒結一熱擠壓的步驟，可以制得致密性高，力學性能優(yōu)良的合金或復合材料。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法。該方法能夠有 效克服鑄造法容易出現(xiàn)成分偏析和引入雜質，以及粉末冶金法需要長時間球磨等問題。該 方法過程簡單，所制得合金力學性能優(yōu)良。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案加以實現(xiàn)的，一種粉末冶金原位合 成Al-Cu合金的方法，其特征包括以下過程： (1)浸潰一還原法制備Al_Cu合金粉末 將一水合硝酸銅與鋁粉以按質量比（0. 03~0. 3):1加入無水乙醇中，其中無水乙醇的質 量用量約為鋁粉質量3~50倍，然后在溫度3(T80° C下持續(xù)攪拌，直至無水乙醇完全揮發(fā) 掉；得到的粉末在室溫干燥24小時后，將粉末放置于管式爐恒溫區(qū)，在氬氣或氮氣保護下 以升溫速率為10° C/分鐘升溫至20(T500° C下煅燒1飛小時，并以流速5(T600ml/min 通入氫氣還原1~5小時得到在鋁粉上均勻沉積納米銅顆粒的結構的Al-Cu粉末； (2) 機械球磨Al-Cu粉末 將步驟（1)制得的Al-Cu粉末與鋼球以質量比為1 :(5~20)-起加入球磨罐中，抽真空 后充滿氬氣，以轉速20(Γ600轉/分進行球磨0. 5飛小時，制得均勻分散的Al-Cu粉末； (3) 制備Al-Cu合金材料塊體 將步驟（2)制得的均勻分散的Al-Cu粉末，在室溫和壓力30(T800MPa下壓制成塊體，然 后在氬氣氣氛下，將塊體以升溫速率10° C/分鐘升溫至40(T700° C下燒結0.5飛小時， 之后隨著爐溫冷卻或直接水冷，將制得的材料在溫度35(T650° C下以（4~25) : 1的擠壓比 進行擠壓制得Al-Cu合金材料塊體； 或將步驟（2)制得的均勻分散的Al-Cu粉末，在真空度10_2Pa下以升溫速率10° C/ 分鐘升溫至40(T650 ° C，施加壓力2(T70MPa下熱壓0. 5?6h，將制得的材料在溫度 35(T650° C下以（4?25) : 1的擠壓比進行擠壓制得Al-Cu合金材料塊體。
[0009] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：首先采用浸漬法獲得鋁粉上均勻沉積銅納米顆粒的顯微結 構，進而采用較短時間球磨，實現(xiàn)銅均勻分散并嵌入到鋁粉內部。采用該方法制備的Al-Cu 合金材料，其拉伸性能優(yōu)于其他粉末冶金鋁合金材料。同時該方法也可以推廣應用于其他 金屬粉末上，制備不同基體的合金材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明實施例1浸漬一還原法制得的A1-CU粉末的掃描電鏡照片。
[0011] 圖2為本發(fā)明實施例1機械球磨后制得的Al-Cu粉末的掃描電鏡照片。
[0012] 圖3為本發(fā)明實施例5冷壓燒結后制得的A1-CU塊體的掃描電鏡照片。由圖中觀 察到均勻分散的析出相。
[0013] 圖4為本發(fā)明實施例5制得的Al-Cu合金材料拉伸斷口的掃描電鏡照片。由圖中 觀察到較為明顯的韌窩。

【具體實施方式】
[0014] 下面結合實施例進一步說明本發(fā)明，這些實施例只用于說明本發(fā)明，并不限制本 發(fā)明。
[0015] 實施例1 將1. 26g -水合乙酸銅與9. 6g錯粉混合后，加入120ml無水乙醇中，在65° C下磁力 攪拌蒸干后，在空氣中放置1天得到前驅體粉末。取上述過程制得的前驅體粉末l〇g置于 管式爐恒溫區(qū)，在氬氣保護下升溫至300° C，以200ml/min的流量通入氬氣保持1小時，之 后關閉氬氣，以200ml/min的流量通入氫氣再保持1小時，之后關閉氫氣，在氬氣保護下隨 爐冷卻至室溫，得到Al-Cu粉末，Cu含量為4wt. %。以此方法制備3次。取上述過程制得 的Al-Cu粉末20g加入200g的鋼球，放入球磨罐抽真空后充滿氬氣，以400轉/分鐘球磨 1小時。將球磨得到的粉末以600MPa壓制呈圓柱體，在氬氣保護下600° C燒結1小時后， 在氬氣保護下隨爐冷卻至室溫，得到Al-Cu塊體。在480° C下以16:1的擠壓比擠壓成直 徑為5mm的棒材。在萬能試驗機下測試其拉伸性能，其拉伸強度為（249~259) MPa，斷裂延 伸率（14. 3?15. 6) %。
[0016] 實施例2 具體方法和步驟同實施例1，不同的是：省略其中的球磨過程。所制得材料其拉伸強度 為（260?270)MPa，斷裂延伸率（16. 9?17. 6)%。
[0017] 實施例3 具體方法和步驟同實施例1，不同的是：燒結溫度由600° C變?yōu)?70° C。所制得材料 其拉伸強度為（262?268) MPa，斷裂延伸率（7. (Γ8. 8) %。
[0018] 實施例4 具體方法和步驟同實施例1，不同的是：燒結溫度由600° C變?yōu)?30° C。所制得材料 其拉伸強度為（240?245)MPa，斷裂延伸率（10. 5?11. 5)%。
[0019] 實施例5 具體方法和步驟同實施例1，不同的是：燒結后冷卻方式由隨爐溫冷卻改為水冷。所制 得材料其拉伸強度為（28(T296) MPa，斷裂延伸率（13. 6~15. 8) %。
[0020] 實施例6 具體方法和步驟同實施例1，不同的是：將成形方式由冷壓燒結改為真空熱壓。具體 方法為：將球磨得到的粉末抽真空至l〇_2Pa，以10° C/分鐘的速率升溫至600° C，加壓至 50MPa保溫1小時得到Al-Cu塊體。在550° C下以16:1的擠壓比擠壓成直徑為5mm的棒 材。所制得材料其拉伸強度為（27(T280) MPa，斷裂延伸率（10. (Til. 2) %。
【權利要求】
1. 一種粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法，其特征包括以下過程： (1) 浸潰一還原法制備Al_Cu合金粉末 將一水合硝酸銅與鋁粉以按質量比（〇. 03~0. 3):1加入無水乙醇中，其中無水乙醇的質 量用量約為鋁粉質量3~50倍，然后在溫度3(T80° C下持續(xù)攪拌，直至無水乙醇完全揮發(fā) 掉；得到的粉末在室溫干燥24小時后，將粉末放置于管式爐恒溫區(qū)，在氬氣或氮氣保護下 以升溫速率為10° C/分鐘升溫至20(T500° C下煅燒1飛小時，并以流速5(T600ml/min 通入氫氣還原1~5小時得到在鋁粉上均勻沉積納米銅顆粒的結構的Al-Cu粉末； (2) 機械球磨Al-Cu粉末 將步驟（1)制得的Al-Cu粉末與鋼球以質量比為1 :(5~20)-起加入球磨罐中，抽真空 后充滿氬氣，以轉速20(Γ600轉/分進行球磨0. 5飛小時，制得均勻分散的Al-Cu粉末； (3) 制備Al-Cu合金材料塊體 將步驟（2)制得的均勻分散的Al-Cu粉末，在室溫和壓力30(T800MPa下壓制成塊體，然 后在氬氣氣氛下，將塊體以升溫速率10° C/分鐘升溫至40(T700° C下燒結0.5飛小時， 之后隨著爐溫冷卻或直接水冷，將制得的材料在溫度35(T650° C下以（4~25) : 1的擠壓比 進行擠壓制得Al-Cu合金材料塊體；或將步驟（2)制得的均勻分散的Al-Cu粉末，在真空度 l(T2Pa下以升溫速率10° C/分鐘升溫至40(T650° C，施加壓力2(T70MPa下熱壓0. 5?6h， 將制得的材料在溫度35(T650° C下以（4~25) : 1的擠壓比進行擠壓制得Al-Cu合金材料 塊體。
【文檔編號】C22C21/12GK104152735SQ201410386799
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權日:2014年8月7日
【發(fā)明者】師春生, 孟鑫, 趙乃勤, 劉恩佐, 何春年 申請人:天津大學