[发明专利]一种碳纳米管增强铝合金半固态浆料的制备方法

说明书

本发明提供一种碳纳米管增强铝合金半固态浆料的制备方法，属于金属材料制造技术领域。一种碳纳米管增强铝合金半固态浆料的制备方法，包括以下步骤：在熔铸条件下，将Al‑Mg‑Si合金精炼除渣后，在氩气保护状态下用钟罩将Al‑CNTs‑KAlF₄中间预制块压入合金熔体中，添加过程中施加2.1‑3.2kW高能超声，之后迅速将温度降至610‑650℃保温，进行短时间的二次高能超声，随后迅速水淬，最终在优选的工艺条件下制得球化均匀的半固态组织。本发明操作安全，工艺稳定，制备的半固态浆料组织较原相同条件下未加入中间预制块的基体组织明显细化，碳纳米管与合金基体界面结合良好，二次相的分布也更均匀。

技术领域

本发明属于金属材料制造技术领域，具体涉及一种碳纳米管增强铝合金半固态浆料的制备方法。

背景技术

近年来，绿色低碳的生活方式得到大力倡导，科学探索也在努力从绿色发展中寻找突破口。当前，汽车越来越个性化，附加装置又进一步增加车体重量，因而零件轻量化是车企为实现车身减重、尾气减排目标的必然选择。为此，越来越多的车身零件逐步被铝合金零件所替代，例如：气缸体、气缸盖、轮毂、变速器壳等壳体零件，以及车门、发动机盖、顶盖等车身覆盖件。然而，单纯的铝合金有时并不能完全满足性能的需求，其存在铸件强度不足或冷冲压件易出现开裂等缺陷，此时，性能优良的铝基复合材料就显得尤为重要。

碳纳米管(CNTs)一种由石墨六边形网格曲卷而成的管状物，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高弹性模量、导热性和导电性等优异性能。碳纳米管的抗拉强度可达10-250GPa，约合钢的100倍，而密度却不足钢的1/7，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它的弹性模量可达1000GPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，是目前可制备出的具有最高比强度的材料，被誉为“超级纤维”。因此，利用碳纳米管作为纳米增强材质来制备铝基复合材料,可极大提高复合材料的强度、弹性、抗疲劳性等性能。

然而，当前国内外广泛应用的制备工艺(如粉末冶金、熔体搅拌等)限制了碳纳米管增强铝基复合材料的性能提升及推广应用，原因如下：碳纳米管极易在基体中出现团聚、缠绕问题，与合金基体的结合性非常差，复合材料的制备工艺复杂等。在公布号CN109666818A，名为“一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法”中，采用了碳纳米管作为铝合金增强体来改善合金经半固态激冷所获基体的力学性能。通过该工艺过程制备了ZL101A合金半固态浆料，并能激冷得到半固态棒料，但该方法的工艺流程复杂、设备成本高，且在半固态状态下合金熔体黏度大，界面结合能力差，通过旋喷的碳材料混合粉末很容易出现团聚。在公布号CN108588464A，名为“一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法”中，对半固态状合金熔体进行轧制，制备出碳纳米管增强铝基复合材料铸件。该工艺先进，但将碳纳米管置于铸轧机的熔炼坩埚内，随炉升温熔炼，由于碳纳米管相对于合金而言，其比重过小，熔融过程漂浮，且在合金完全熔融前，碳纳米管容易被烧损。在公布号CN109735736A，名为“一种低密度金属基复合材料的制备方法”中，通过在金属铝、金属铜或其混合物等低密度金属材料熔液中加入含石墨烯或/和碳纳米管的非金属材料，通过搅拌混合制备半固态金属基复合浆料，并压铸成复合材料。该工艺简单可操作，但含石墨烯或/和碳纳米管的非金属材料密度相比金属材料过小，加入后在高速搅拌过程容易在熔体表层团聚，所获的半固态金属基复合浆料中碳纳米管等的分散性较差，且经压铸后未经激冷，材料内部晶粒易长大，很难获得半固态的球状晶组织。针对以上问题，开展新型铸造制备技术研究，探索碳纳米管与铝合金均匀化复合制备工艺，缩短制备工艺循环时间及成型复杂构件就显得尤为重要。