[发明专利]一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法

摘要

本发明涉及一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法，是针对碳材料作为增强体易在铝合金基体中发生团聚、制备过程复杂、易产生不良的界面反应等问题，采用石墨烯和碳纳米管作为铝合金的增强体，经真空气氛熔炼炉熔炼、旋喷搅拌炉内半固态复合搅拌混合、半固态激冷挤压，制得复合材料，以提高铝合金基体的力学性能；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，复合材料的组织致密性好，无缩孔、缩松缺陷，金相组织中α‑Al相由球状和近球状晶粒组成，树枝状晶粒基本消失，晶粒尺寸明显细化，石墨烯与碳纳米管在铝合金基体中分散均匀，界面结合良好，抗拉强度达305Mpa，延伸率达7.8％，硬度达98HV，是先进的碳材料与铝合金复合集成的制备方法。

主权项

1.一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝合金、石墨烯、碳纳米管、铝粉、镁粉、无水乙醇、氩气、氮气、二氧化碳、氧化镁脱模剂、石墨润滑油，其准备用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位制备方法如下：(1)制备半固态激冷挤压模具半固态激冷挤压模具用热作模具钢制造，固定模、活动模型腔表面粗糙度均为：Ra0.08‑0.16μm；(2)混粉称取石墨烯120g±1g、碳纳米管300g±1g、铝粉4250g±1g、镁粉50g±1g，放入到V型混粉机中进行混粉，V型混粉机旋转速率为25r/min，混粉时间为40min，成混合颗粒；(3)球磨将混合颗粒分批次进行球磨，将混合颗粒置于球磨机的球磨罐内，磨球与粉体的体积比为4:1；封闭球磨罐，抽取罐内空气，使球磨罐内压强为2Pa，向球磨罐内通入氩气，使罐内压强保持在1个大气压；开启球磨机进行球磨，球磨时间1.5h，关闭球磨机，停止球磨15min；然后再次开启球磨机，球磨时间1.5h，球磨后成混合粉末；(4)铝合金切块将铝合金20000g±1g置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸≤20mm×40mm×40mm；(5)熔炼铝合金液铝合金液的熔炼是在真空气氛熔炼炉内进行的，是经过预热、氩气气氛保护下熔炼、保温过程来实现的；①清理熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚内部，使表面清洁，用无水乙醇清洗熔炼坩埚内表面，使其洁净；②预热铝合金块，将切制的铝合金块置于预热炉内，进行预热，预热温度为235℃，备用；③预热熔炼坩埚，开启真空气氛熔炼炉加热器，预热熔炼坩埚，预热温度275℃，保温15min后关闭真空气氛熔炼炉加热器；④将预热的铝合金块置于预热的熔炼坩埚内，密闭真空气氛熔炼炉；开启真空气氛熔炼炉真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强为2Pa；开启真空气氛熔炼炉加热器，当温度升至330℃时，向真空气氛熔炼炉内通入氩气，氩气通入速度200cm³/min，使炉内压强保持在1个大气压，并由真空气氛熔炼炉出气管和真空气氛熔炼炉出气阀调控；继续加热熔炼，熔炼温度730℃±1℃，恒温保温10min；⑤降温至660℃±1℃，恒温保温10min，成铝合金液；(6)半固态合金熔体复合搅拌①密闭旋喷搅拌炉，开启旋喷搅拌炉真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强为2Pa；②开启旋喷搅拌炉加热器，预热旋喷搅拌坩埚，预热温度275℃；当温度升至275℃时，开启旋喷搅拌炉进气阀，通过旋喷搅拌炉进气管，向旋喷搅拌炉内通入氩气，氩气通入速度200cm³/min，使炉内压强保持在1个大气压，并由旋喷搅拌炉出气管和旋喷搅拌炉出气阀调控；在275℃保温15min，然后继续加热至585℃，保温10min；③开启真空气氛熔炼炉电磁泵，将铝合金液通过输料管输送到旋喷搅拌坩埚内；调节旋喷搅拌炉内的温度，保持炉内温度为575℃±1℃，恒温保温10min，开启并调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转数为125r/min，恒温搅拌18min，成半固态合金熔体；④将混合粉末放入旋喷搅拌装置控制器的混合粉末加入口，开启混合粉末输入管，在氩气的作用下，将混合粉末通过旋喷搅拌装置加入到半固态合金熔体中；⑤开启超声波振动装置，超声波频率为110kHz；调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转数为185r/min，搅拌时间5min；⑥关闭旋喷搅拌装置控制器，开启电磁搅拌装置，搅拌频率为25Hz，搅拌功率50kw，恒温搅拌时间8min；⑦关闭电磁搅拌装置，开启并调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转数为205r/min，搅拌时间12min；⑧关闭旋喷搅拌装置控制器，开启电磁搅拌装置，搅拌频率为35Hz，搅拌功率60kw，恒温搅拌时间8min；⑨关闭电磁搅拌装置，开启并调节旋喷搅拌装置控制器，搅拌转数为235r/min，在超声波振动装置辅助下继续搅拌8min；(7)半固态激冷挤压①预热半固态激冷挤压模具、料缸通过挤压模芯循环油路预热半固态激冷挤压模具，预热温度为265℃，通过料缸保温套预热料缸，预热温度为300℃，将氧化镁脱模剂200mL均匀的喷涂在模具型腔表面和料缸内壁，厚度为0.1mm；②开启激冷装置冷却循环水路，水温为20℃，流量为35L/min；③将石墨润滑油100mL注入料缸与冲头之间的间隙中，进行润滑；④合模，通过保护气进气管和保护气进气口向料缸中注入保护气，采用氮气与二氧化碳混合气体作为保护气，氮气与二氧化碳体积比为1:3，保护气注入速度为110cm³/s，注入时间为15s；⑤关闭旋喷搅拌装置和超声波振动装置，开启旋喷搅拌炉电磁泵，将半固态合金熔体通过出料管和料缸进料管输送到料缸中；⑥冲头向上顶出，顶出速度为30mm/s，推动半固态合金熔体进入激冷装置，冲头停止运行，半固态合金熔体在激冷装置内冷却15s，冲头继续向上顶出，顶出速度为5mm/s，顶出压力为275Mpa，恒压保压时间为15s；⑤开模，脱模，将制备的棒状复合材料取出；⑥冷却，将复合材料放置在钢质平板上，自然冷却至25℃；(8)清理、清洗清理复合材料各部及周边，用400目砂纸打磨铸件表面，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干；(9)检测、分析、表征对铸件的形貌、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X射线衍射仪进行衍射强度分析；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。