一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法与流程

本发明涉及一种碳材料与铝合金复合集成的制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

铝合金是工业中不可缺少的基础材料，广泛用于国防、航空航天、兵器、汽车、建筑、包装、交通运输、电力、海洋、石油钻探等领域；随着工业化的快速发展，对铝合金的综合性能提出了更高的要求；石墨烯、碳纳米管等碳材料的力学性能和物理性能都远远高于传统的陶瓷颗粒以及金属基体，密度低且同时满足力学性能与物理性能的要求，是理想的铝合金增强体，可以达到高效率强化的效果。

然而，研究表明碳材料与铝合金复合集成所制备的复合材料，性能并没有达到预期的效果，原因如下：碳材料与铝合金基体润湿性差、易团聚；制备过程复杂，不易控制，且耗时长成本高；碳材料与金属基体极易发生不良的界面反应；开发新的制备成型技术来实现碳材料与铝合金良好复合，实现对铝合金材料的高性能设计和应用，对国防军工及高尖端领域都极具价值。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的不足，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。

技术方案

本发明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；

结论：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。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，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。

附图说明

图1、半固态合金熔体制备状态图；

图2、半固态激冷挤压状态图；

图3、复合材料金相组织图；

图4、复合材料x射线衍射强度图谱；

图中所示，附图标记清单如下：

1、总控制柜，2、真空气氛熔炼炉，3、旋喷搅拌炉，4、真空气氛熔炼炉电磁泵，5、旋喷搅拌炉电磁泵，6、旋喷搅拌装置，7、旋喷搅拌装置控制器，8、第一氩气瓶，9、第二氩气瓶，10、真空气氛熔炼炉进气管，11、真空气氛熔炼炉进气阀，12、真空气氛熔炼炉出气管，13、真空气氛熔炼炉出气阀，14、旋喷搅拌炉进气管，15、旋喷搅拌炉进气阀，16、旋喷搅拌炉出气管，17、旋喷搅拌炉出气阀，18、第一电缆，19、第二电缆，20、第三电缆，21、熔炼坩埚，22、真空气氛熔炼炉加热器，23、真空气氛熔炼炉真空泵，24、铝合金液，25、输料管，26、输料管保温套，27、旋喷搅拌坩埚，28、旋喷搅拌炉加热器，29、旋喷搅拌炉真空泵，30、超声波振动装置，31、半固态合金熔体，32、氩气，33、出料管，34、混合粉末加入口，35、搅拌电机，36、变速器，37、旋转接头，38、混合粉末输入管，39、电磁搅拌装置，40、出料管保温套，41、活动模，42、固定模，43、挤压模芯，44、激冷装置，45、激冷装置隔热板，46、激冷装置冷却循环水路，47、挤压模芯循环油路，48、保护气进气管，49、保护气进气口，50、料缸，51、料缸保温套，52、测温装置，53、挤压推杆，54、冲头，55、料缸进料管，56、料缸进料管保温套，57、复合材料。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为半固态合金熔体制备状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固；

整套制备装置主要由总控制柜1、真空气氛熔炼炉2、旋喷搅拌炉3、真空气氛熔炼炉电磁泵4、旋喷搅拌炉电磁泵5、旋喷搅拌装置6、旋喷搅拌装置控制器7组成；

总控制柜1通过第一电缆18控制真空气氛熔炼炉2、旋喷搅拌炉3、真空气氛熔炼炉电磁泵4、旋喷搅拌炉电磁泵5、真空气氛熔炼炉真空泵23、旋喷搅拌炉真空泵29、超声波振动装置30、电磁搅拌装置39的工作状态；总控制柜1左侧连接第一氩气瓶8，总控制柜1通过真空气氛熔炼炉进气管10、真空气氛熔炼炉进气阀11与真空气氛熔炼炉2连接，真空气氛熔炼炉2通过真空气氛熔炼炉出气管12、真空气氛熔炼炉出气阀13来调节炉内压强；总控制柜1通过旋喷搅拌炉进气管14、旋喷搅拌炉进气阀15与旋喷搅拌炉3连接，旋喷搅拌炉3通过旋喷搅拌炉出气管16、旋喷搅拌炉出气阀17来调节炉内压强；

铝合金液24是在真空气氛熔炼炉2的熔炼坩埚21内进行熔炼的，熔炼坩埚21周围设有真空气氛熔炼炉加热器22，真空气氛熔炼炉2依靠真空气氛熔炼炉电磁泵4、输料管25与旋喷搅拌炉3相连接，输料管25外部设有输料管保温套26；开启真空气氛熔炼炉电磁泵4，可将铝合金液24通过输料管25输送到旋喷搅拌炉3的旋喷搅拌坩埚27内；

旋喷搅拌坩埚27周围设有旋喷搅拌炉加热器28，在旋喷搅拌坩埚27的下部设有超声波振动装置30，旋喷搅拌坩埚27的周围设有电磁搅拌装置39，旋喷搅拌装置6的搅拌端部置于旋喷搅拌坩埚27内的半固态合金熔体31中；

旋喷搅拌装置6依靠搅拌电机35提供动力，搅拌电机35通过变速器36与旋喷搅拌装置6连接，旋喷搅拌装置控制器7通过第二电缆19来控制旋喷搅拌装置6的运动状态，旋喷搅拌装置控制器7通过第三电缆20与总控制柜1连接；

旋喷搅拌装置控制器7左侧与第二氩气瓶9相连接，旋喷搅拌装置控制器7上设有混合粉末加入口34，混合粉末加入口34通过混合粉末输入管38、旋转接头37与旋喷搅拌装置6连接，开启混合粉末输入管38，在氩气的作用下，将混合粉末通过旋喷搅拌装置6加入到半固态合金熔体31中，超声波振动装置30辅助半固态合金熔体31中的氩气32排出，电磁搅拌装置39可以对半固态合金熔体31进行搅拌；

旋喷搅拌坩埚27与旋喷搅拌炉电磁泵5连接，旋喷搅拌炉电磁泵5连接出料管33，出料管33外部设有出料管保温套40。

图2所示，为半固态激冷挤压状态图，半固态激冷挤压模具由活动模41、固定模42、挤压模芯43、激冷装置44组成；

挤压模芯43安装在固定模42中心部位，挤压模芯43上设有挤压模芯循环油路47，激冷装置44安装在料缸50与固定模42的中间，激冷装置44外围设有激冷装置隔热板45，内部设有激冷装置冷却循环水路46；

料缸50内部设有测温装置52、外部设有料缸保温套51，左侧设有料缸进料管55，料缸进料管55外部设有料缸进料管保温套56，料缸进料管55内部连接保护气进气口58与保护气进气管57，料缸内部设有挤压推杆53和冲头54；

挤压推杆53、冲头54、料缸50、激冷装置44、挤压模芯43、固定模42、活动模41同轴安装；

模具冲头54向上顶出，推动半固态合金熔体31经过激冷装置44，并挤压成型为复合材料57。

图3所示，为复合材料金相组织图，如图所示，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。

图4所示，为复合材料x射线衍射强度图谱，如图所示，复合材料内部存在al相、si相、mg2si相及c相。