CN113186435A - 一种含原位合成增强相的高强铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含原位合成增强相的高强铝合金，包括单壁碳纳米管为0.01wt％～0.15wt％，原位合金相Al20Zn79Mg1为1wt％～10wt％，Mg粉末为0.1925wt％～1.925wt％，余量铝基体为87.925wt％～98.7975wt％；并通过称超声波分散混合均匀进行混合和热压烧结成型得到高强铝合金基复合材料；经过对预合金粉7075铝合金基体中加入单壁碳纳米管和原位合金相Al20Zn79Mg1调整获得性能更佳的7075高强铝合金；该铝基复合材料具有优异的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，特别涉及一种含原位合成增强相的高强铝合金，以及该复合材料的制备方法。
背景技术
在增强基复合材料技术领域，铝合金基复合材料具有比强度和比模量高，热膨胀系数低，高温性能好的特点，且兼具有良好的耐疲劳性和耐磨性；同时铝合金基复合材料基体选择范围广、材料加工工艺成熟，具有优良的塑性成形性能，同时可热处理性能好，易于加工制备。已成为航空、航天及其他尖端技术部门研究发展的高性能材料的一个重要方向，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。通过对铝合金基复合材料基体和增强相成分、含量、分布的优化设计，可以组合出特定的力学性能和物理性能，以满足不同产品性能的需求。
变形铝合金7075是商用最多铝合金之一，具有优异的抗腐蚀性能、良好机械性能；7075材料一般都加入少量铜、铬等合金，强度高、远胜任何软钢。代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。开发具有更优质的超高强度的7075铝合金具有十分紧迫的现实意义，具有显著的经济效益和社会效益。但是，如何通过对铝基复合材料基体和增强相成分、含量、分布的优化设计，可以组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要，还存在很多需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种含原位合成增强相的高强铝合金，其单壁碳纳米管和原位合金相作为增强相对7075铝基材料起增强作用，该复合材料通过粉末冶金烧结的方法制备而得，从而形成含原位合成增强相的高强铝合金；该方法为制备高性能铝基复合材料提供了一种性能稳定，工艺可控，可实现工业化的新方法和新思路。
为了实现上述目的，本发明提供一种含原位合成增强相的高强铝合金，包括：
单壁碳纳米管为0.01wt％～0.15wt％，原位合金相为1wt％～10wt％，Mg粉末为0.1925wt％～1.925wt％，余量铝基体为87.925wt％～98.7975wt％；
其中，所述原位合金相为Al20Zn79Mg1粉末；
所述铝基体为7075铝合金，所述7075铝合金为预合金粉。
所述铝基体中原位合金相Al20Zn79Mg1的Zn和Mg原子比为Zn：Mg＝1～2：1。
所述预合金粉7075铝合金组分为：Si：≤0.4wt％；Zn：5.1～6.1wt％；Cu：1.2～2.0wt％；Mg：2.1～2.9wt％；Cr：0.18～0.28wt％；Mn：≤0.3wt％；Fe：≤0.5wt％；余量为Al。
为了实现上述目的，本发明还提供制备该含原位合成增强相的高强铝合金的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管、原位合金相、Mg粉末、铝基体预合金粉为原料；将称取的原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的粉末进行真空热压烧结，得到7075铝合金的铝基复合材料胚体。
优选的，步骤S1所述预合金粉的粒度选取范围为1微米～60微米；所述Mg粉末的粒度为10微米～20微米；所述单壁碳纳米管的直径1～20纳米，长度0.5～30微米；所述原位合金相Al20Zn79Mg1粒度为5～20微米。
优选的，步骤S1所述原位合金相分Al20Zn79Mg1的Al粉末粒度为10微米～20微米；Zn粉末粒度为5微米～20微米。通过不同粒度与Mg粉末混合进行烧结预成型，可以有效改善原位合金相的成型性能，使原位合金相充分分散在预合金粉中并保持原位合金相的完整。
优选的，步骤S1所述超声波的分散时间为60min～180min。
优选的，步骤S1所述混合的混合时间为60min～180min，有效改善预合金粉的分散性，使单壁碳纳米管充分分散在预合金粉中并保持单壁碳纳米管的形貌完整。
优选的，步骤S2所述烧结在真空中进行，烧结温度550℃～590℃。
优选的，步骤S2所述热压的压力为10MPa～30MPa，在较高温度和压力条件下，可以使单壁碳纳米管充在热压烧结过程中在预合金粉中充分扩散熔合，并保持单壁碳纳米管的形貌完整。
该铝基复合材料胚体，通过单独添加预成型的原位合金相Al20Zn79Mg1与7075预合金粉及单壁碳纳米管，经过真空热压烧结后得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小，力学性能优异的复合材料。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的含原位合成增强相的高强铝合金，通过专门添加原位合金相Al20Zn79Mg1和单壁碳纳米管(SCNTs)作为增强相，提高了复合材料的强度；其制备过程产生少量的Al4C3和MgZn2也有增强铝基体的作用，同时铝基体中较高含量的合金化元素Zn、Cu、Mg与少量Si容易形成第二相固溶强化或者固溶铝中弥散强化。
2、本发明的含原位合成增强相的高强铝合金，经过对预合金粉7075铝合金基体中加入单壁碳纳米管和原位合金相Al20Zn79Mg1和Mg原子特定比例Mg:Zn＝1:1～2调整，其MgZn2在7075铝合金中具有显著的强化效果，提高MgZn2的含量可以提高材料的强度，因此采用原位合成生成MgZn2可以获得性能更佳的7075铝合金；与单壁碳纳米管共同作用，使本发明制备的铝基复合材料具有优异的综合性能，实验测试证明，本发明铝基复合材料的抗拉强度大于600MPa，延伸率5％～10％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术内容。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的含原位合成增强相的高强铝合金以7075铝合金作为铝基的制备复合材料，一种含原位合成增强相的高强铝合金，包括单壁碳纳米管为0.01wt％～0.15wt％，原位合金相为1wt％～10wt％，Mg粉末为0.1925wt％～1.925wt％，余量铝基体为87.925wt％～98.7975wt％；其中，原位合金相为Al20Zn79Mg1粉末；铝基体为7075铝合金，7075铝合金为预合金粉；铝基体中原位合金相Al20Zn79Mg1的Zn和Mg原子比为Zn：Mg＝1～2：1；预合金粉7075铝合金组分为：Si：≤0.4wt％；Zn：5.1～6.1wt％；Cu：1.2～2.0wt％；Mg：2.1～2.9wt％；Cr：0.18～0.28wt％；Mn：≤0.3wt％；Fe：≤0.5wt％；余量为Al。该该铝基复合材料胚体，通过单独添加预成型的原位合金相Al20Zn79Mg1与7075预合金粉及单壁碳纳米管，经过真空热压烧结后得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小，力学性能优异的复合材料。
本发明还提供了含原位合成增强相的高强铝合金制备方法，该铝基复合材料的制备方法采用粉末冶金方法，原位合金相单壁碳纳米管/7075铝基复合材料，包括如下步骤：
a)将如下成分的原料混合，得到混合粉末：增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.05～0.15wt％，Al20Zn79Mg1(1～10wt％)，Mg(0.1925～1.925wt％)，余量7075铝基体为(87.925wt％～98.7975wt％)。
b)将混合粉末进行真空热压烧结，烧结温度为550℃～590℃，压力10～30MPa；
c)得到高性能的铝基复合材料。
步骤a)为将原料混合的过程，为了使各种原料充分混合，上述混合时间优选为60min～180min。本发明的混合方式主要采用真空干磨。作为优选方式，单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；7075预合金粉末的粒度为1微米～60微米，作为优选方案，本发明在原料中还添加了0.1～1wt％的分散剂(吐温80)，使单壁碳纳米管在超声波中分散。
步骤b)为混合粉末的真空热压烧结的过程，烧结压力优选为10MPa～30MPa。对于压制方式可以选择本领域技术人员熟知的方式，如将混合粉末置于石墨模具中双向加压，放入烧结炉，烧结温度为550℃～590℃，压力10～30MPa；保温时间1小时。
本发明在制备过程铝基复合材料过程中，经过粉末冶金烧结制备高性能铝基复合材料。在粉末烧结过程中，单壁碳纳米管在铝合金基体中均匀分布，有助于提高复合材料的强度；MgZn2也有增强铝基体的作用。最终实现碳纳米管和MgZn2的协同强化。本发明的实施例公开了铝基复合材料，增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.1wt％，基体为99.9wt％。基体中铝合金粉末为预合金粉。单壁碳纳米管和MgZn2作为增强相，有效提高抗拉强度。
实施例1
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散1小时)、Al20Zn79Mg1(1wt％)、Mg(0.1925wt％)和基体7075铝合金为98.7075wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度550℃，压力10MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例2
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散1小时)，Al20Zn79Mg1(10wt％)、Mg(1.925wt％)和基体7075铝合金为87.875wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；真空干磨120分钟得到混合粉末：
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度550℃，压力20MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例3
(1)单壁碳纳米管为0.05wt％(超声分散1小时)，Al20Zn79Mg1(10wt％)、Mg(1.925wt％)和基体7075铝合金为87.925wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；真空干磨120分钟得到混合粉末：
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度550℃，压力30MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例4
单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散1小时)，Al20Zn79Mg1(5wt％)、Mg(0.9625wt％)和基体7075铝合金为93.9735wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；真空干磨120分钟得到混合粉末：
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度560℃，压力20MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例5
单壁碳纳米管为0.15wt％(超声分散1小时)，Al20Zn79Mg1(7.5wt％)、Mg(0.9625wt％)和铝基体7075铝合金为91.3875wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；真空干磨120分钟得到混合粉末：
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度590℃，压力25MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例6
(1)单壁碳纳米管为0.12wt％(超声分散1小时)，Al20Zn79Mg1(3.5wt％)、Mg(1.525wt％)和基体7075铝合金为94.855wt％，真空干磨120分钟得到混合粉末；真空干磨120分钟得到混合粉末：
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度570℃，压力15MPa)，得到胚体；按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
表1实施例制备的铝基复合材料的性能测试结果
| 组别 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 实施例1 | 605 | 9.6 |
| 实施例2 | 790 | 6.5 |
| 实施例3 | 693 | 7.7 |
| 实施例4 | 640 | 8.1 |
| 实施例5 | 775 | 6.7 |
| 实施例6 | 713 | 7.3 |
由表1可知，本发明提供的铝基复合材料具有较高的综合性能，经过对预合金粉7075铝合金基体中加入单壁碳纳米管和原位合金相Al20Zn79Mg1和Mg原子特定比例Mg:Zn＝1:1～2调整，其MgZn2在7075铝合金中具有显著的强化效果，提高MgZn2的含量可以提高材料的强度，因此采用原位合成生成MgZn2可以获得性能更佳的7075铝合金；与单壁碳纳米管共同作用，使本发明制备的铝基复合材料具有优异的综合性能，实验测试证明，本发明铝基复合材料的抗拉强度大于600MPa，延伸率5％～10％。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：包括单壁碳纳米管为0.01wt％～0.15wt％，原位合金相为1wt％～10wt％，Mg粉末为0.1925wt％～1.925wt％，余量铝基体为87.925wt％～98.7975wt％；
其中，所述原位合金相为Al20Zn79Mg1粉末；所述铝基体为7075铝合金预合金粉。
2.根据权利要求1所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述铝基体中原位合金相Al20Zn79Mg1的Zn和Mg原子比为Zn：Mg＝1～2：1。
3.根据权利要求1所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述预合金粉的粒度选取范围为1微米～60微米；所述Mg粉末的粒度为10微米～20微米。
4.根据权利要求1所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述单壁碳纳米管的直径1～20纳米，长度0.5～30微米；所述原位合金相Al20Zn79Mg1粒度为5～20微米。
5.根据权利要求2所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述原位合金相分Al20Zn79Mg1的Al粉末粒度为10微米～20微米；Zn粉末粒度为5微米～20微米。
6.根据权利要求1所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述预合金粉组分为Si：≤0.4wt％；Zn：5.1～6.1wt％；Cu：1.2～2.0wt％；Mg：2.1～2.9wt％；Cr：0.18～0.28wt％；Mn：≤0.3wt％；Fe：≤0.5wt％；余量为Al。
7.根据权利要求3所述一种含原位合成增强相的高强铝合金，其特征在于：所述预合金粉中还添加了0.1～1wt％的分散剂。
8.根据权利要求1～7任一项所述一种含原位合成增强相的高强铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管、原位合金相、Mg粉末、铝基体预合金粉为原料；将称取的原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的粉末进行真空热压烧结，得到7075铝合金的铝基复合材料胚体。
9.根据权利要求8所述一种含原位合成增强相的高强铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S1所述超声波的分散时间为60min～180min；所述混合的混合时间为60min～180min。
10.根据权利要求8所述一种含原位合成增强相的高强铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S2所述热压的压力为10MPa～30MPa；所述烧结温度550℃～590℃。
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