一种碳纳米管增强铝合金复合材料及其粉末冶金制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属基复合材料技术领域，提供了一种碳纳米管增强铝合金复合材料 及其粉末冶金制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速列车技术的飞速发展，其更新换代对材料的性能要求越来越高，轻质、高 强度、高模量、高阻尼、耐蚀材料的应用，可有效减轻列车重量，提高列车速度和安全性。然 而，高速列车现役的铝合金材料（6N01、7N01等）强度和模量已不能满足高速列车进一步减 轻车身重量、提高速度的使用要求，新型高强度、高模量、高阻尼、耐蚀高速列车用材料的开 发应用，成为制约新一代列车发展的瓶颈。
[0003] 与传统材料相比，碳纳米管具有超高的强度和模量，并具有低的密度，被认为是制 备轻质、高强、高模量、耐蚀新型铝基复合材料最合适的增强体。碳纳米管增强铝合金复合 材料不但可获得高模量、高强度，还可能提高合金基体的阻尼减震性能，因而是适于高速列 车用的新型材料。但碳纳米管与传统铝合金（5XXX、6XXX等）复合较困难，铝合金强度和硬 度比纯铝高，采用传统机械球磨技术与碳纳米管复合较困难。制备过程中，一方面，当制备 温度过低时材料无法致密化，而当温度过高时，合金基体又易与碳纳米管发生反应；另一方 面，由于碳纳米管的引入，合金元素会在碳纳米管附近偏聚析出，影响合金基体原有的固溶 强化效益，降低复合材料基体的强度。因而，制备碳纳米管铝合金复合材料难度要远大于碳 纳米管纯铝复合材料。如何在保证复合材料致密化的前提下，控制碳纳米管与铝基体的反 应、减少合金元素在碳纳米管附近的偏聚析出，是碳纳米管铝合金复合材料制备的关键。
[0004] 对现有技术的文献检索发现，文献"Microstructuralcharacterizationof Al-MWCNTcompositesproducedbymechanicalmillingandhotextrusion(机械 球磨-热挤压Al-MWCNT复合材料的组织表征）"JournalofA1loysandCompounds 495 (2010) 399-402和文献"Effectofcarbonnanotube(CNT)contentonthemechanical propertiesofCNT-reinforcedaluminumcomposites(碳纳米管含量对碳纳米管错基复 合材料力学性能的影响）"C〇mpositesScienceandTechnology70 (2010) 2237-2241 介绍 了一种采用对碳纳米管、纯铝粉末混合球磨分散碳纳米管制备复合粉末，进而致密化制备 碳纳米管铝基复合材料的方法。对于碳纳米管纯铝复合材料体系，对比文献所述的方法能 够实现碳纳米管在复合粉末中的均匀分散，制备的致密块体材料可获得理想的微观组织和 力学性能。
[0005] CN103789564A公开了一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法， 该方法可在不破坏碳纳米管的前提下实现基体合金化并与碳纳米管均匀复合，从而充分发 挥复合强化和合金强化双重机制，得到力学性能优异的碳纳米管增强铝合金复合材料。但 该方法制备的碳纳米管增强铝合金复合材料中耐腐蚀性和延伸度较差。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种力学性能、耐腐蚀性和延伸度都较好的碳纳米管增强铝 合金复合材料。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种碳纳米管增强铝合金复合材料，其中含有0. 5-5. 0重量份的锌、0. 05-5. 0重 量份的碳纳米管，所述碳纳米管增强铝合金复合材料中还包括铬，所述铬与锌的质量比为 1:4-8,所述碳纳米管增强铝合金复合材料的延伸度为19-22 %。
[0009] 在现有的碳纳米管增强铝合金复合材料中，通常会加入锌来提高碳纳米管与铝合 金粉末的混合均匀程度。并且锌的熔点较低，能够提高碳纳米管增强铝合金复合材料的烧 结致密度。锌的引入会由于低熔点相的产生，显著提高材料传质效率，导致复合材料加速烧 结过程的同时，使合金基体晶粒长大、组织粗大，从而会在一定程度上降低材料的强度和延 伸率等力学性能；此外，过多锌的引入在一定程度上也会降低合金基体的耐蚀性，损害其正 常的使用效果和寿命。
[0010] 本发明研宄人员发现，在添加锌的碳纳米管增强铝合金复合材料中再添加一定量 的铬，能够在保持较高的强度和模量前提下，显著提高碳纳米管增强铝合金复合材料的延 伸度和耐腐蚀性。适量铬的引入一方面可抑制合金析出相在晶界处的析出，细化晶粒组织， 降低晶界能，提高晶界稳定性，保持材料高的强度和塑性，另一方面也使再结晶后的晶粒呈 细长状，改善三角晶界抵御侵蚀的能力，提高合金的耐蚀性，因而抵消锌元素的引入对合金 耐蚀性的影响，获得强度、塑性和耐蚀性等综合性能良好的材料。铬的添加量为锌添加量的 1/8-1/4时，铬和锌才能在碳纳米管增强铝合金复合材料中发挥协同增强作用。一方面若 铬含量太低，不足以抵消由于锌引入带来的铝合金基体和晶粒组织粗大、耐蚀性下降；另一 方面若铬含量太高，过多的铬易于聚集在合金晶界处，导致材料脆性增大、塑性反而降低更 多，材料综合性能显著下降。
[0011] 优选的，所述碳纳米管增强铝合金复合材料中铬与锌的质量比为1:5。
[0012] 所述碳纳米管增强铝合金复合材料的抗拉强度为730_850Mpa，模量为85_90GPa。
[0013] 所述碳纳米管增强铝合金复合材料中还含有硅、镁、铜、锰、铁和铝中的一种或几 种。
[0014] 所述碳纳米管增强铝合金复合材料中含有0. 2-2. 0重量份的硅、0. 2-3. 0重量份 的镁、0. 05-0. 5重量份的铜、0. 1-1. 0重量份的锰、0-0. 5重量份的铁和86. 75-98. 9重量份 的错。
[0015] 碳纳米管增强铝合金复合材料随着铁元素含量的增大，其延伸度、拉伸强度和耐 腐蚀性都会降低。由于铁为不和避免的杂质元素，所以为了进一步的提高碳纳米管增强铝 合金复合材料的性能，本发明应控制铁的含量，以避免铁的含量过大而影响碳纳米管增强 铝合金复合材料的延伸度、耐腐蚀性和其他力学性能。
[0016] 优选的，所述铝合金粉末中含有0-0. 15重量份的铁。
[0017] 本发明的另一目的在于提供一种碳纳米管增强铝合金复合材料的制备方法，包括 如下步骤：
[0018] (1)将铝合金粉末、锌粉、络粉和碳纳米管混合均匀后压制成坯；
[0019] (2)将坯加入到烧结炉中，以3-5°C/min的升温速率升温至0. 7-0. 99Tm后，保温 10-30min，以10-20°C/min升温速率升温至1. 0-1.OlTm，然后以10-20°C/min的降温速率 降温至0. 8-0. 9Tm，继续保温60-120min，冷却后获得碳纳米管铝合金烧结坯；
[0020] (3)将碳纳米管铝合金烧结坯经挤压变形加工制备碳纳米管铝合金型材；
[0021] (4)将碳纳米管铝合金型材经0. 7-0. 85Tm温度条件下热处理60-480min获得碳纳 米管增强铝合金复合材料。
[0022] 其中，所述Tm为所述铝合金粉末的熔点温度。
[0023] 本发明在烧结的过程中，在开始时缓慢升温，有利于热量的传递，使烧结坯中的各 种合金元素均匀混合。在烧结过程中会发生颗粒重排、固相溶解和再析出、固相烧结等阶 段。升温速