[發明專利]一種碳納米管增強鋁合金復合材料的粉末冶金制備方法

有效

• 申請號: 201410032834.0
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103789564A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 李志強;秦臻;范根蓮;譚占秋;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體地，涉及一種碳納米管增強鋁合金復合材料的粉末冶金制備方法。

背景技術

隨著國民經濟和航空航天、國防軍工等高技術領域的快速發展，對輕質高強、高模、高韌材料的需求量日益增加。當前，包括鋁銅系硬鋁合金和鋁鋅鎂銅系超硬鋁合金在內的高強鋁合金發展日趨成熟，理所當然，人們開始重視基于高強度鋁合金的復合材料。碳納米管密度很低并且具有卓越的力學和物理特性，是理想的復合材料增強體，隨著其工業化生產技術日益成熟，碳納米管增強鋁基復合材料逐漸成為研究開發熱點。然而，碳納米管在鋁基體中的均勻分散一直是前進路上的一個主要障礙。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路線，在很大程度上破解了這一技術難題，成為碳納米管增強鋁基復合材料的主要制備方法。但是，Cu、Zn含量較高的高強度鋁合金，極易在碳納米管分散液中發生水解，因此不適用于料漿分散工藝；另一方面，由于高強鋁合金粉末的強度較高，其本身變形能力差，必須與碳納米管經過長時間共同球磨才能實現分散，使得碳納米管的結構容易被破壞，從而降低了碳納米管的增強效果。因此，只有找到合適的粉末冶金技術路線，并藉以實現碳納米管在粉末中的均勻分散，從而發揮合金強化和碳納米管復合強化雙重機制，才能使所得復合材料的力學性能有較大的提升，相對現有的高強鋁合金體現出競爭優勢，滿足航空航天、國防軍工等領域對于輕量化、高強度和高模量等方面的應用要求。

經過對現有技術文獻的檢索發現，Pérez-Bustamante等人發表的論文《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），以鋁、銅、鎂、錳、鈦和鋅等單質元素粉末為原料，按照2024鋁合金的配方比例與碳納米管一起進行高能球磨直至機械合金化，再將球磨制得的混合粉末壓制成坯并進行燒結，然后對燒結坯進行熱擠壓，最后進行T6熱處理，最終制得了碳納米管增強2024鋁合金復合材料。但是該方法仍然存在以下較大不足：（1）機械合金化需要長時間高能球磨，導致碳納米管結構被嚴重破壞，易與鋁基體反應生成Al₄C₃，降低了碳納米管的增強效果；（2）經熱處理后的最終樣品中可以通過X射線衍射檢測出Al₂Cu相，說明該析出相已充分長大，降低了合金強化效果；（3）原料中存在單質鎂等活性金屬粉末，對制備環境要求嚴格，不利于材料的大規模制備。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種碳納米管增強鋁合金復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現基體合金化并與碳納米管均勻復合，從而充分發揮復合強化和合金強化雙重機制，得到力學性能優異的碳納米管增強鋁合金復合材料。

為實現以上目的，本發明提供一種碳納米管增強鋁合金復合材料的粉末冶金制備方法，該方法預先制備合金化組分（單質元素或預合金）的微納米片狀粉末，然后與碳納米管、球形純鋁粉進行共球磨制備片狀復合粉末，再經致密化、燒結、變形加工及熱處理實現合金化，最終得到碳納米管增強高強度鋁合金復合材料。由于球形鋁粉具有很強的變形能力，僅需有限度的球磨即可轉變為片狀，同時與碳納米管和合金化組分實現均勻復合，從而避免機械合金化方法對碳納米管結構的嚴重破壞；對于鎂、硅等高活性、易燃易爆的危險元素或難磨元素，則采用穩定易磨的預合金鋁粉的形式引入，提高了安全性和可靠性；此外，片狀結構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散并形成細小彌散的析出相。因此，本發明的方法有利于最大限度發揮碳納米管復合強化和合金強化效果，且節能省時，安全易行。

本發明所述方法具體步驟包括：

（1）將合金化組分（單質元素或預合金）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，在保護氣氛下進行球磨，得到片狀復合粉末；

（3）對上述片狀復合粉末進行致密化和燒結處理，使得各合金化組分與純鋁之間相互擴散實現合金化，得到復合錠坯；