一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，该方法预先制备合金化组分的微纳米片状粉末，然后与碳纳米管、球形纯铝粉进行共球磨制备片状复合粉末，再经致密化、烧结、热变形加工及热处理实现合金化，最终得到碳纳米管增强铝合金复合材料。仅需有限度的球磨即实现基体铝粉与碳纳米管和合金化组分的均匀复合；同时采用稳定易磨的预合金铝粉规避镁、硅等高活性、易燃易爆的危险元素或难磨元素，提高了安全性和可靠性；此外，片状结构具有较大的层间界面和较小的层厚间距，有利于合金化组分均匀扩散并形成细小弥散的析出相。本发明专利技术有利于最大限度发挥碳纳米管复合强化和合金强化效果，节能省时，安全易行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料
，具体地，涉及一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法。
技术介绍
随着国民经济和航空航天、国防军工等高
的快速发展，对轻质高强、高模、高韧材料的需求量日益增加。当前，包括铝铜系硬铝合金和铝锌镁铜系超硬铝合金在内的高强铝合金发展日趋成熟，理所当然，人们开始重视基于高强度铝合金的复合材料。碳纳米管密度很低并且具有卓越的力学和物理特性，是理想的复合材料增强体，随着其工业化生产技术日益成熟，碳纳米管增强铝基复合材料逐渐成为研究开发热点。然而，碳纳米管在铝基体中的均匀分散一直是前进路上的一个主要障碍。近年来，随着研究的不断深入，采用基于料浆分散和高能球磨的粉末冶金技术路线，在很大程度上破解了这一技术难题，成为碳纳米管增强铝基复合材料的主要制备方法。但是，Cu、Zn含量较高的高强度铝合金，极易在碳纳米管分散液中发生水解，因此不适用于料浆分散工艺；另一方面，由于高强铝合金粉末的强度较高，其本身变形能力差，必须与碳纳米管经过长时间共同球磨才能实现分散，使得碳纳米管的结构容易被破坏，从而降低了碳纳米管的增强效果。因此，只有找到合适的粉末冶金技术路线，并藉以实现碳纳米管在粉末中的均匀分散，从而发挥合金强化和碳纳米管复合强化双重机制，才能使所得复合材料的力学性能有较大的提升，相对现有的高强铝合金体现出竞争优势，满足航空航天、国防军工等领域对于轻量化、高强度和高模量等方面的应用要求。<br>经过对现有技术文献的检索发现，Pérez-Bustamante等人发表的论文《Characterization of Al2024-CNTs composites produced by mechanical alloying》（Powder Technology，2011，212，390-396）和《AA2024-CNTs composites by milling process after T6-temper condition》（Journal of Alloys and Compounds，2012，536S，S17-S20），以铝、铜、镁、锰、钛和锌等单质元素粉末为原料，按照2024铝合金的配方比例与碳纳米管一起进行高能球磨直至机械合金化，再将球磨制得的混合粉末压制成坯并进行烧结，然后对烧结坯进行热挤压，最后进行T6热处理，最终制得了碳纳米管增强2024铝合金复合材料。但是该方法仍然存在以下较大不足：（1）机械合金化需要长时间高能球磨，导致碳纳米管结构被严重破坏，易与铝基体反应生成Al4C3，降低了碳纳米管的增强效果；（2）经热处理后的最终样品中可以通过X射线衍射检测出Al2Cu相，说明该析出相已充分长大，降低了合金强化效果；（3）原料中存在单质镁等活性金属粉末，对制备环境要求严格，不利于材料的大规模制备。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，该方法可在不破坏碳纳米管的前提下实现基体合金化并与碳纳米管均匀复合，从而充分发挥复合强化和合金强化双重机制，得到力学性能优异的碳纳米管增强铝合金复合材料。为实现以上目的，本专利技术提供一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，该方法预先制备合金化组分（单质元素或预合金）的微纳米片状粉末，然后与碳纳米管、球形纯铝粉进行共球磨制备片状复合粉末，再经致密化、烧结、变形加工及热处理实现合金化，最终得到碳纳米管增强高强度铝合金复合材料。由于球形铝粉具有很强的变形能力，仅需有限度的球磨即可转变为片状，同时与碳纳米管和合金化组分实现均匀复合，从而避免机械合金化方法对碳纳米管结构的严重破坏；对于镁、硅等高活性、易燃易爆的危险元素或难磨元素，则采用稳定易磨的预合金铝粉的形式引入，提高了安全性和可靠性；此外，片状结构具有较大的层间界面和较小的层厚间距，有利于合金化组分均匀扩散并形成细小弥散的析出相。因此，本专利技术的方法有利于最大限度发挥碳纳米管复合强化和合金强化效果，且节能省时，安全易行。本专利技术所述方法具体步骤包括：（1）将合金化组分（单质元素或预合金）的球形粉末球磨成微纳米片状粉末；（2）将上述合金化组分微纳米片状粉末与球形纯铝粉末、碳纳米管均匀混合，在保护气氛下进行球磨，得到片状复合粉末；（3）对上述片状复合粉末进行致密化和烧结处理，使得各合金化组分与纯铝之间相互扩散实现合金化，得到复合锭坯；（4）对上述复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到碳纳米管增强铝合金复合材料。优选地，所述球形粉末，应满足平均粒径（D50）介于10～200μm之间。优选地，所述微纳米片状粉末，应满足径厚比大于10，厚度介于100nm-2μm之间，片径在5-500μm之间。优选地，所述合金化组分，其中单质元素选自铜、镁、锌、锰、硅、钛或锆等元素中的一至多种，预合金选自铝硅合金、铝镁合金和铝锰合金等。优选地，所述球磨包括湿磨或干磨，湿磨溶剂选自水、乙醇或煤油中的一种；所述球磨过程需加入过程控制剂，选自甲醇、乙醇、钛酸酯、油酸、咪唑啉或硬脂酸中的一至多种。优选地，所述片状复合粉末，应满足径厚比大于10，厚度介于500nm-5μm之间，片径在5-500μm之间。优选地，所述碳纳米管，应满足具有单壁、双壁或多壁结构，直径小于50nm，长径比大于100。优选地，所述致密化过程为冷压或冷等静压；所述烧结过程为气氛烧结、真空热压烧结、放电离子束烧结或热等静压烧结，烧结温度应高于球磨控制剂分解温度但低于复合粉末的熔点。优选地，所述热变形加工，包括热锻、热轧或热挤压中的一至多种。优选地，所述碳纳米管增强铝合金复合材料中，非铝元素的含量可根据强度设计需要在其质量总和4～15%的范围内任意调控，碳纳米管的含量可在质量百分含量0.1～5%范围内任意调控。优选地，所述碳纳米管增强铝合金复合材料中，包含以下合金元素中的一种或多种，各种合金元素的质量分数为：Cu：0.05～5%；Zn：0.2～10%；Si：0.2～2.0%；Mg：0.2～3.0%；Mn：0.1～1.0%；所述碳纳米管增强铝合金复合材料的室温屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于450MPa。本专利技术采用微纳米片状合金化组分粉末为原料，较大的层间界面和较小的层厚间距，缩短了合金化过程中元素扩散距离，有利于快速合金化，可以在很大程度上减少高能球磨时间，同时也有助于材料在时效过程中形成细小弥散的析出相，提高合金强化效果。而常规机械合金化一般以球形粉末为原料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，该方法
具体步骤包括：
（1）将合金化组分即单质元素或预合金的球形粉末球磨成微纳米片状粉末；
（2）将上述合金化组分微纳米片状粉末与球形纯铝粉末、碳纳米管均匀混合，在
保护气氛下进行球磨，得到片状复合粉末；
（3）对上述片状复合粉末进行致密化和烧结处理，使得各合金化组分与纯铝之间
相互扩散实现合金化，得到复合锭坯；
（4）对上述复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到碳纳米管增强铝合金复合材
料。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，
其特征在于，所述球形粉末，应满足平均粒径D50介于10～200μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，
其特征在于，所述合金化组分，其中单质元素选自铜、镁、锌、锰、硅、钛或锆中的一
至多种，预合金选自铝硅合金、铝镁合金和铝锰合金。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，
其特征在于，所述微纳米片状粉末，应满足径厚比大于10，厚度介于100nm-2μm之间，
片径在5-500μm之间。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，
其特征在于，所述片状复合粉末，应满足径厚比大于10，厚度介于500nm-5μm之间，片
径在5-500μm之间。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，
其特征在于，所述碳纳米管应满足具有单壁或多壁结构，直径小于50nm，长径比大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，秦臻，范根莲，谭占秋，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：