[发明专利]一种石墨烯复合铝基材料铸件的成型方法

权利要求书

1.一种石墨烯复合铝基材料铸件的成型方法，其特征在于：

使用的化学物质材料为：铝合金锭、石墨烯、聚乙烯醇、去离子水、无水乙醇、硅藻土脱模剂，各化学物质材料用量如下：以克、毫升为计量单位

铝合金锭：ZL101 固态块体 5000g

石墨烯 固态粉体 15g

聚乙烯醇：[C₂H₄O]_n 固态粉体 540g

去离子水：H₂O 液态液体 51000mL

无水乙醇：C₂H₅OH 液态液体 2000mL

硅藻土脱模剂 液态液体 115mL

制备方法如下：

1）杆状铝合金颗粒表面处理制备混合颗粒

①切制杆状铝合金颗粒

采用金属颗粒切制机将1000g铝合金锭切碎成长度为10mm±1.5mm、横截面等效直径为Φ0.85mm±0.15mm的杆状铝合金颗粒，备用；

②配制聚乙烯醇溶液

向混合颗粒制备室内的聚乙烯醇溶液箱中加入18000mL去离子水，开启并调节聚乙烯醇溶液箱中的第一温控器，使去离子水的温度保持在85℃，然后加入540g聚乙烯醇，保温0.5h后开启聚乙烯醇溶液箱下方的第一超声振动台进行振动搅拌，待聚乙烯醇完全溶解后，关闭第一超声振动台和第一温控器，制得聚乙烯醇溶液；

③配制石墨烯分散液

采用氧化还原法制得横向尺寸为8μm±2μm、氧含量为15.5at.%±2at.%的石墨烯；

向混合颗粒制备室内的石墨烯分散液箱中加入15000mL去离子水，然后加入15g石墨烯，开启石墨烯分散液箱下方的第三超声振动台进行振动搅拌，搅拌时间为40min，然后关闭第三超声振动台，制得石墨烯分散液；

④杆状铝合金颗粒表面处理

将杆状铝合金颗粒放入处理箱中，然后利用单轨吊车和吊钳将处理箱放入聚乙烯醇溶液箱中，使杆状铝合金颗粒全部浸泡在聚乙烯醇溶液中；

开启并调节第一温控器，使聚乙烯醇溶液的温度保持在60℃±2℃，保温15min后开启第一超声振动台进行恒温振动搅拌，搅拌时间为60min，然后关闭第一超声振动台和第一温控器；

⑤清洗杆状铝合金颗粒

向混合颗粒制备室内的去离子水箱中加入18000mL去离子水，然后利用单轨吊车和吊钳将处理箱从聚乙烯醇溶液箱中取出后放入去离子水箱中，使杆状铝合金颗粒全部浸泡在去离子水中；

开启并调节去离子水箱中的第二温控器，使去离子水的温度保持在60℃±2℃，然后开启去离子水箱下方的第二超声振动台进行振动清洗，清洗时间为10min，然后关闭第二超声振动台和第二温控器；

利用单轨吊车和吊钳将处理箱从去离子水箱中取出，放置在加热烘干器旁，然后开启加热烘干器对杆状铝合金颗粒进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为25min，然后关闭加热烘干器；

⑥制备混合颗粒

利用单轨吊车和吊钳将处理箱放入石墨烯分散液箱中，使杆状铝合金颗粒全部浸泡在石墨烯分散液中；

开启并调节石墨烯分散液箱中的第三温控器，使石墨烯分散液的温度保持在45℃±2℃，保温5min后开启第三超声振动台进行恒温振动搅拌，每搅拌15min，暂停搅拌10min，总计搅拌4次，然后关闭第三超声振动台和第三温控器，静置20min；

利用单轨吊车和吊钳将处理箱从石墨烯分散液箱中取出，然后将吸附了石墨烯的杆状铝合金颗粒放入恒温烘箱中进行烘干，烘干温度为70℃，烘干时间为45min，烘干后取出，制得混合颗粒；

2）高温压制

开启并调节压制模具上的第一加热器，第一加热器对压制模具的凹模和凸模进行预热，预热温度为410℃；

将混合颗粒放入压制模具的凹模中，然后将压制模具合模；合模完毕后进行恒温保压，保压压力为200MPa，保压时间为10min，制得混合颗粒块体；

将压制模具开模，压制模具的顶杆将混合颗粒块体顶出，然后取下混合颗粒块体，放置在钢制平板上冷却至室温，备用；

3）半固态熔炼

①熔炼铝合金液

将4000g铝合金锭切制成尺寸≤30mm×45mm×45mm的铝合金块体，然后将铝合金块体放入预热炉中进行预热，预热温度为200℃，预热时间为20min；

开启并调节铝合金熔炼炉内的铝合金熔炼坩埚上的第二加热器，第二加热器对铝合金熔炼坩埚进行预热，预热温度为250℃，预热时间为15min；

将预热的铝合金块体放入预热的铝合金熔炼坩埚中，然后密闭铝合金熔炼炉，调节第二加热器，对铝合金块体进行熔炼，熔炼温度为720℃±1℃，当铝合金块体全部熔化后，保温15min；

调节第二加热器，使铝合金熔炼坩埚的温度保持在625℃±1℃，保温15min，制得铝合金液；

②加热混合颗粒块体

将混合颗粒块体放入预热炉中进行预热，预热温度为150℃，预热时间为15min；

开启并调节半固态熔炼炉内的半固态熔炼坩埚上的第三加热器，第三加热器对半固态熔炼坩埚进行预热，预热温度为200℃，预热时间为15min；

将预热的混合颗粒块体放入预热的半固态熔炼坩埚中，然后密闭半固态熔炼炉，调节第三加热器，使半固态熔炼坩埚的温度保持在565℃±1℃，保温35min；

③制备半固态浆料

开启第一电磁泵，第一电磁泵将铝合金熔炼坩埚中的铝合金液通过第一料管输送到半固态熔炼坩埚中，第一电磁泵的流量为150g/s，输送时间为20s；

调节第三加热器，使半固态熔炼坩埚的温度保持在615℃±1℃，然后开启半固态熔炼坩埚下方的第四超声振动台进行恒温振动搅拌，超声波频率为120kHz，搅拌时间为30min，制得半固态浆料；

4）直接挤压铸造成型

①预热直接挤压铸造模具

采用电阻丝加热方式对直接挤压铸造模具的活动模芯和固定模芯进行预热，活动模芯的预热温度为330℃±1℃，固定模芯的预热温度为310℃±1℃；

将硅藻土脱模剂均匀的喷涂在直接挤压铸造模具的模腔表面，喷涂厚度为0.05mm；

②半固态浆料注入直接挤压铸造模具的模腔

将直接挤压铸造模具开模，开模行程从0mm到850mm，然后开启第二电磁泵，第二电磁泵将半固态熔炼坩埚中的半固态浆料通过第二料管输送到直接挤压铸造模具的模腔中；

③直接挤压铸造

将直接挤压铸造模具合模，合模行程从0mm到650mm时，合模速度为120mm/s，合模行程从650mm到850mm时，合模速度为20mm/s；合模完毕后进行保压，保压压力为180MPa，保压时间为25s，制得石墨烯复合铝基材料铸件；

④石墨烯复合铝基材料铸件脱模

将直接挤压铸造模具开模，直接挤压铸造模具的顶出机构将石墨烯复合铝基材料铸件顶出，然后取下石墨烯复合铝基材料铸件，放置在木质平板上，在空气中冷却至室温；

5）清理、清洗

用钢丝刷清理石墨烯复合铝基材料铸件各部及周边，然后用无水乙醇清洗石墨烯复合铝基材料铸件，清洗后晾干；

6）检测、分析、表征

对石墨烯复合铝基材料铸件的形貌、组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；

用金相显微镜进行金相组织分析；

用电子万能试验机进行抗拉强度及延伸率分析；

用维氏硬度计进行硬度分析；

结论：石墨烯复合铝基材料铸件无缩孔、缩松缺陷，铸件抗拉强度达366MPa，延伸率达5.3%，硬度达106HV。