[发明专利]一种石墨烯稀土钪协同增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯稀土钪协同增强Al‐Si‐Mg铸造铝合金及其制备方法，该铝合金按质量百分比计的原料组分为：Si 6.00～8.00％，Mg 0.20～0.45％，石墨烯0.003～0.007％，Sc 0.50～0.60％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，余量为Al。本发明提高了合金的力学性能和塑性，扩展了铝合金在汽车，建筑等工业领域的应用范围。

技术领域

本发明属于铸造铝合金技术领域，特别是涉及一种石墨烯稀土钪协同增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

以Al-Si-Mg为基体的轻质金属结构件材料由于具有密度小，铸造流动性好，可塑性强，抗拉抗压性能高，散热快，抗腐蚀性好等一系列优良性能而广泛应用于汽车、航空航天和机械制造等重要领域。

Si是Al-Si-Mg基铸造合金中的主要合金元素。由于Si的结晶潜热大，Si在合金中主要以共晶(Si)的形式存在，能显著改善合金的铸造流动性、热裂倾向和气密性，大大提高合金的铸造性能。另外，Si具有较高的化学稳定性和硬度，因而Al-Si-Mg基铸造合金比纯Al具有更高的耐磨耐腐蚀性。而且Si还能与Mg形成Mg₂Si强化相，进一步提高合金的力学性能。

Mg是Al-Si-Mg基铸造合金中的主要强化元素。随着Mg含量的增加，Mg与Si形成Mg₂Si强化相，与(Al)基体呈半共格关系，以网状形式分布于(Al)基体中，对位错的运动起到强烈阻碍作用，提高合金综合力学性能。

从微观组织分析，亚共晶的Al-Si-Mg基铸造合金常常含有粗大的初晶(Al)，而过共晶合金中则会出现粗大且不规则的初晶(Si)。另外，无论亚共晶或过共晶合金，都会出现板条状(Al)/(Si)共晶组织，这些粗大的初晶相和板条状共晶组织在铸件服役过程中常常起到应力集中和裂纹发源的中心，严重影响铸件的使用寿命。

因此，有效地控制合金中初晶相、共晶组织的形态、晶粒尺寸大小和分布显得尤为重要。研究发现，通过添加少量稀土元素(如Ce，Sc等)，既能有效细化Al-Si-Mg基铸造合金中的初晶(Al)，又能很好的变质其终态凝固共晶组织，显著减少晶界处的板条状化合物。稀土元素的活性较高，有很好的除杂作用，对铸造过程有很好的脱氢效果，能有效的减少氧化夹杂物。另外，稀土元素对冷却速率十分敏感，可以通过调控冷却速率获得更优异的凝固形貌。稀土元素与Al形成中间化合物(如：Al₁₁Ce₃、Al₃Sc)，这些化合物与初晶(Al)有相似的晶体结构，为初晶(Al)起到异质形核作用；而且，稀土元素活性较高，可吸附在生长的(Si)颗粒表面生成一层膜，阻碍晶粒继续长大，并不断改变(Si)的生长方向使(Si)产生孪晶结构，最终呈现纤维状或网状的细化结构。

石墨烯是一种新型二维材料，其是迄今为止发现的最坚韧、导电和导热最好的材料。因此，利用石墨烯的高强度特性，将其与铝合金制备成复合材料，将具有轻质高强、低热膨胀等优异性能，满足机械制造与航空航天等领域的需求。

目前石墨烯铝基复合材料的制备方法主要是搅拌熔炼法和粉末冶金法：国外通常使用热压烧结+挤压、粉末冶金和半固态烧结等方法制备石墨烯铝基复合材料，国内通常使用热挤压、机械搅拌、粉末冶金+挤压、铸造、压力浸渗和泡沫铝轧制等方法制备石墨烯铝基复合材料。粉末冶金法成本高，周期长，制备零件致密度不高，存在内部缺陷，从而导致材料性能不优等现象，往往需要进行二次加工。铸造法相对简单，成本低廉，并能进行批量生产，但铸造过程中易出现偏聚现象，且非真空震荡搅拌铸造过程中容易带入气体形成气孔，且急需控制石墨烯与铝的有害界面反应。

发明内容