[发明专利]一种纳米碳化物增强铝基复合材料焊丝的制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米碳化物增强铝基复合材料焊丝的制备方法，制备方法的基本思路为：首先制备糖碳盐混合固体，然后将纯铝熔化后，加入适量盐保护铝，将制备的糖碳盐混合固体加入，等待反应完结。本发明通过用糖粘结制备糖碳盐混合固体，并以混合固体为反应速度控制媒介，使得纳米颗粒的形核长大速度降低到可控的范围内，而不需要使用快速冷却设备来抑制纳米颗粒的长大。本方法生产工艺简单，同时在生产过程中无需使用特殊生产设备，传统铝合金生产设备即可完成生产，设备要求低，并且生产原料选择范围广，综合生产成本低，为碳化物纳米颗粒增强铝基复合材料焊丝的大规模应用提供了可能。

技术领域

本发明涉及一种纳米碳化物增强铝基复合材料焊丝的制备方法，属于铝合金材料技术领域。

背景技术

铝合金具有高的比强度、比刚度、疲劳强度和优异的耐腐蚀性能等优点，是实现结构轻量化的首选材料，在航空航天、汽车交通等领域具有广阔的应用前景。在使用过程中，铝合金零部件需要进行相互连接，而焊接是铝合金领域最常用的连接方式。部分系列铝合金由于具有较高的热裂敏感性，焊接过程中无法使用与母体成分相同的焊丝作为填充材料，导致焊区的力学性能较差。如6061铝合金焊接时主要使用ER4043(Al-5Si)或ER5356(Al-5Mg)焊丝作为填充材料。其中，使用ER4043焊丝时，焊区的强度和塑性均较差，而使用ER5356焊丝时，焊区的耐腐蚀性能和高温稳定性较差。特别地，对于2000系、6000系和7000系高强铝合金，目前尚没有成熟应用的焊丝可对其进行有效地焊接。因此，这些高强铝合金在实际应用过程中通常使用大量的机械紧固件(如铆接)来进行连接，而铆接过程劳动强度大，且十分耗时，从而导致这些合金的使用成本急剧升高。此外，铆接接头处的强度也相对较低，疲劳裂纹常在此处快速萌生。因此，这一问题极大地限制了高强铝合金的广泛应用。

在铝合金中添加纳米颗粒，可以在凝固过程中抑制晶粒长大，形成细晶组织，从而提高合金的强度。更重要的是，纳米颗粒可以抑制枝晶的形成，并显著细化第二相尺寸，从而抑制了由于粗大的枝晶桥接或粗大第二相与枝晶桥接所导致的补缩困难而引起的热裂。因此，由含有纳米颗粒的铝基复合材料制成的焊丝可以对2000系、7000系等具有较高热裂敏感性的高强铝合金进行有效地焊接。

纳米碳化物陶瓷颗粒是铝合金中常用的增强相，与铝基体具有良好的浸润性，可以有效改善铝合金的微观组织结构，如细化晶粒、细化第二相等，是制备铝基复合材料焊丝的优良增强相。然而，现有的制备含纳米碳化物陶瓷颗粒的铝基复合材料的方法成本高、工艺复杂，严重限制了这类铝基复合材料焊丝的应用。

专利CN108796251A公开了一种金属基纳米复合材料的制备方法，该方法通过熔盐辅助向目标金属中加入高含量，均匀分散的纳米颗粒尺寸的方法。该方法可以加入多种纳米颗粒，包括碳化物纳米颗粒。在融盐的帮助下，纳米颗粒与基体结合良好，杂质少，性能优异，但是该方法为外加法，受制于纳米颗粒的成本，产品价格高昂。

Ton等(Tong XC,Fang HS.Al-TiC composites In Situ processed by ingotmetallurgy and rapid solidification technology:Part I.Microstructuralevolution.Metall Mater Trans A.1998Mar 1；29(3):875–91.)通过使用快速冷却法制备了纳米碳化钛增强铝材。基本方法是在1200℃的高温下将加入了石墨粉和钛的铝熔体快速冷却，使碳化钛在降温过程中快速形核析出，得到尺寸小于100nm的碳化钛颗粒，并且能够在基体中均匀分散。但是快速冷却法因为对设备要求高，生产效率低，综合成本高，无法实现产业化生产。

综上，如果用外加法制备碳化物纳米颗粒增强铝合金，碳化物纳米颗粒价格高昂，将限制产品的应用范围。快速冷却法制备的碳化物纳米颗粒具有相同的劣势，快速冷却法的生产设备价格高昂，生产效率低，无法进行大规模生产。

发明内容