一種多元納米復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋁基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種耐熱鋁基材料技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，特別是涉及一種具有多 元納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金由于具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、易加工等特性而廣泛應(yīng)用于航空航天及交通運(yùn) 輸領(lǐng)域，其中可用于制備高溫下服役的部件的稱為耐熱鋁基材料，如坦克裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī) 的活塞、缸套、連桿、箱體、缸蓋，導(dǎo)彈殼體、尾翼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、葉片、飛機(jī)蒙皮等，均采 用耐熱鋁基材料。航空、航天和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)耐熱鋁基材料的耐熱性能提出了越 來(lái)越高的要求。基于擴(kuò)散控制粗化理論，提高鋁基材料耐熱性能的主要方法是向鋁基體中 引入低固溶度、低擴(kuò)散系數(shù)的合金元素，在鋁基體中形成熱穩(wěn)定性強(qiáng)、不易粗化的彌散相。 高溫強(qiáng)化效果取決于彌散相的體積分?jǐn)?shù)、尺寸、熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度。特別地，快速凝固Al-Fe 系鋁合金可有效調(diào)控以上幾個(gè)影響因素因素，從而成為了目前最為成功的耐熱鋁體系。
[0003] 然而，合金元素的低固溶度、低擴(kuò)散系數(shù)的特性也導(dǎo)致了將其在鋁基體中引入困 難，目前主要通過(guò)快速凝固技術(shù)來(lái)提高其固溶度，從而提高彌散相的體積分?jǐn)?shù)，但該技術(shù)對(duì) 合金元素的搭配、工藝控制及設(shè)備的要求都極高，難以掌握和控制，因此雖然國(guó)外已經(jīng)通過(guò) 該技術(shù)量產(chǎn)出了性能優(yōu)異的耐熱鋁合金，國(guó)內(nèi)的耐熱鋁合金研制依然處于落后局面，同系 列合金難以達(dá)到國(guó)外質(zhì)量水平。
[0004] 隨著鋁合金和鋁基復(fù)合材料的發(fā)展，納米金屬間化合物和納米增強(qiáng)體在鋁中的應(yīng) 用逐漸受到關(guān)注。Fe、Ni、Ti、Zr、Sc、Co、La、Y、Er等元素與鋁的中間化合物以及Al203、La 203 等納米增強(qiáng)體不僅具有很高的模量和硬度，能夠提高鋁基材料的模量和強(qiáng)度，還能在較高 溫度的熱經(jīng)歷過(guò)程中保持自身和鋁晶粒的穩(wěn)定，這些納米相是較為理想的耐熱鋁基材料的 增強(qiáng)體，其添加量、尺寸都易于通過(guò)反應(yīng)合成進(jìn)行控制，因而在高模量、高強(qiáng)度、耐熱鋁材的 開發(fā)中受到了廣泛的關(guān)注。其中Ti、Zr、Sc、Er等元素能夠與鋁基體反應(yīng)生成具有Ll 2結(jié)構(gòu) 的三鋁化物A13M(M包括以下9種元素：Ti、Zr、Sc、Er、Lu、Tm、Yb、Np、U)，因與面心立方結(jié) 構(gòu)的鋁基體具有共格界面而具有了極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，而被認(rèn)為是最為理想的耐熱鋁基材料 的增強(qiáng)體。
[0005] 然而通過(guò)攪拌鑄造、球磨等外加方法引入時(shí)，由于納米相在范德華力的作用下容 易團(tuán)聚，尤其當(dāng)體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，引入的納米相在鋁中分散不均勻，不利于發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì) 以獲得高綜合性能復(fù)合材料
[0006] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)I "Elevated temperature aluminum-titanium alloy by powder metallurgy process^ (William E. Frazier, Michael J.Koczak,專利號(hào) US4834942 A)采用快速凝固 Al-Ti 粉末（Al3Ti 含量達(dá)到20vol. % )與適量碳納米管經(jīng)過(guò)球磨、致密化后制備Al-Ti-C-O體系的耐 熱鋁基復(fù)合材料，但其分散工藝使碳納米管完全反應(yīng)生成Al 4C3且完全分布于晶界， 使材料的力學(xué)性能提升有限、高溫延伸率明顯下降；文獻(xiàn)2 "Mechanically alloyed nanocomposites"（Progress in Materials Science.2013 (58) 383 - 502)所述的技術(shù) 方案，通過(guò)高能球磨機(jī)械合金化，可以制備多種納米相增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，但這種方 法通常需要長(zhǎng)時(shí)間的高能球磨，且不易分散高體積含量、細(xì)?。?lt;20nm)的納米相。文獻(xiàn) 3 "A1-Al3Ti nanocomposites produced in situ by friction stir processing'，(Acta Materialia. 2006 (54) 5241 - 5249)所述的技術(shù)方案，將鋁粉和鈦粉混合壓坯后，再通過(guò)高 速攪拌摩擦的方式，使鋁和鈦原位反應(yīng)生成中間化合物Al3Ti,同時(shí)由于攪拌摩擦工藝中強(qiáng) 烈的塑性變形作用下，使Al 3Ti處于反應(yīng)生成和剝離分散的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而能夠在鋁中生成 體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)50vol. %、分散均勻的納米Al3Ti。但是攪拌摩擦只能應(yīng)用于薄板中，且 工藝復(fù)雜，其廣泛應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。
[0007] 因此，綜上所述，提尚金屬基復(fù)合材料熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的關(guān)鍵在于：1)增強(qiáng)相 高溫穩(wěn)定、難以長(zhǎng)大；2)增強(qiáng)相顆粒尺寸小，一般處于納米級(jí)，且體積含量較高；3)增強(qiáng)相 必須在基體中均勻彌散分布。然而，上述現(xiàn)有的技術(shù)方案中存在的主要不足在于：1)基于 快速凝固法制備的耐熱鋁合金對(duì)工藝過(guò)程及制造設(shè)備要求非常高，不易掌握，工藝控制不 慎即導(dǎo)致增強(qiáng)相在高溫下團(tuán)聚或長(zhǎng)大；2)高能球磨機(jī)械合金化的方法耗時(shí)長(zhǎng)、能耗高，且 對(duì)納米增強(qiáng)相的分散能力很有限；3)攪拌摩擦焊法適用于薄板制備，難以用于厚度較大的 塊體材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過(guò)納米碳負(fù)載納米金屬氧化物制備多元 納米復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋁基復(fù)合材料的方法，由于多元納米相具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和不同的 空間占位，對(duì)鋁基體晶粒具有高效的穩(wěn)定作用，從而制備的鋁基復(fù)合材料具有很好的耐熱 性。
[0009] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明提供一種多元納米復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步 驟：
[0011] 1)采用納米碳作為載體，用含有金屬離子的前驅(qū)物溶液對(duì)納米碳進(jìn)行表面包覆， 得到前驅(qū)物包覆納米碳；
[0012] 2)將步驟1)獲得的前驅(qū)物包覆納米碳均勻分散于鋁粉中，通過(guò)熱反應(yīng)處理使前 驅(qū)物包覆納米碳中的前驅(qū)物轉(zhuǎn)變成納米氧化物，從而獲得（納米碳+納米氧化物）/鋁復(fù)合 粉末；
[0013] 3)對(duì)步驟2)獲得的（納米碳+納米氧化物）/鋁復(fù)合粉末進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)和致密化 處理、熱處理，經(jīng)由原位反應(yīng)生成金屬氧化物、碳化物、金屬間化合物及剩余納米碳的多元 納米強(qiáng)化相，從而獲得多元納米復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋁基復(fù)合材料。
[0014] 優(yōu)選地，步驟1)中，所述的納米碳包括納米碳纖維、碳納米管、石墨烯、氧化石墨 烯中的一種或組合，且至少能與一種溶劑形成穩(wěn)定的稀分散液。
[0015] 更優(yōu)選地，所述的納米碳的添加總量為復(fù)合材料的質(zhì)量的0. 01~5wt. %，優(yōu)選的 添加總量為0. 5~3wt. %。
[0016] 優(yōu)選地，步驟1)中，所述的前驅(qū)物溶液包括溶劑、金屬離子化合物，還可以進(jìn)一步 包括反應(yīng)劑和/或交聯(lián)劑組成。
[0017] 更優(yōu)選地，所述的溶劑包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、甲苯、DMF、吐溫中的一種或組 合；
[0018] 所述的金屬離子化合物為Fe、Ni、Ti、Zr、Sc、Co、La、Y、Er的氧化物、氫氧化物、鹵 化物、硝酸鹽、硫酸鹽、茂金屬化合物、羰基化合物中的一種或其組合，最終生成的金屬氧化 物為復(fù)合材料質(zhì)量的〇. 1~20wt. % ;
[0019] 所述的反應(yīng)劑是使用檸檬酸、葡萄糖、草酸、酒石酸、糊精、EDTA、乙二胺、水合肼中 的一種或組合；反應(yīng)劑也可以不使用；
[0020] 所述的交聯(lián)劑是使用乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚 吡咯中的一種或組合；交聯(lián)劑也可以不使用。
[0021] 優(yōu)選地，步驟1)中，所述的表面包覆方法為將納米碳加入到前驅(qū)物溶液中進(jìn)行機(jī) 械攪拌或超聲，然后進(jìn)行抽濾、離心或蒸干。
[0022] 優(yōu)選地，步驟2)中，所述的前驅(qū)物包覆納米碳均勻分散于鋁粉中的方法包括球 磨、料漿共混、表面吸附中的一種或多種。
[0023] 更優(yōu)選地，所述的鋁粉包括純鋁和鋁合金粉末。
[0024] 優(yōu)選地，步驟3)中，所述的多元納米強(qiáng)化相包括各種能夠在所使用的工藝和服役 條件下在錯(cuò)中穩(wěn)定存在的、某一方向上的尺寸不大于IOOnm