一種碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料及其粉末冶金制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料 及其粉末冶金制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速列車技術(shù)的飛速發(fā)展，其更新?lián)Q代對材料的性能要求越來越高，輕質(zhì)、高 強度、高模量、高阻尼、耐蝕材料的應(yīng)用，可有效減輕列車重量，提高列車速度和安全性。然 而，高速列車現(xiàn)役的鋁合金材料（6N01、7N01等）強度和模量已不能滿足高速列車進(jìn)一步減 輕車身重量、提高速度的使用要求，新型高強度、高模量、高阻尼、耐蝕高速列車用材料的開 發(fā)應(yīng)用，成為制約新一代列車發(fā)展的瓶頸。
[0003] 與傳統(tǒng)材料相比，碳納米管具有超高的強度和模量，并具有低的密度，被認(rèn)為是制 備輕質(zhì)、高強、高模量、耐蝕新型鋁基復(fù)合材料最合適的增強體。碳納米管增強鋁合金復(fù)合 材料不但可獲得高模量、高強度，還可能提高合金基體的阻尼減震性能，因而是適于高速列 車用的新型材料。但碳納米管與傳統(tǒng)鋁合金（5XXX、6XXX等）復(fù)合較困難，鋁合金強度和硬 度比純鋁高，采用傳統(tǒng)機械球磨技術(shù)與碳納米管復(fù)合較困難。制備過程中，一方面，當(dāng)制備 溫度過低時材料無法致密化，而當(dāng)溫度過高時，合金基體又易與碳納米管發(fā)生反應(yīng)；另一方 面，由于碳納米管的引入，合金元素會在碳納米管附近偏聚析出，影響合金基體原有的固溶 強化效益，降低復(fù)合材料基體的強度。因而，制備碳納米管鋁合金復(fù)合材料難度要遠(yuǎn)大于碳 納米管純鋁復(fù)合材料。如何在保證復(fù)合材料致密化的前提下，控制碳納米管與鋁基體的反 應(yīng)、減少合金元素在碳納米管附近的偏聚析出，是碳納米管鋁合金復(fù)合材料制備的關(guān)鍵。
[0004] 對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)"Microstructuralcharacterizationof Al-MWCNTcompositesproducedbymechanicalmillingandhotextrusion(機械 球磨-熱擠壓Al-MWCNT復(fù)合材料的組織表征）"JournalofA1loysandCompounds 495 (2010) 399-402和文獻(xiàn)"Effectofcarbonnanotube(CNT)contentonthemechanical propertiesofCNT-reinforcedaluminumcomposites(碳納米管含量對碳納米管錯基復(fù) 合材料力學(xué)性能的影響）"C〇mpositesScienceandTechnology70 (2010) 2237-2241 介紹 了一種采用對碳納米管、純鋁粉末混合球磨分散碳納米管制備復(fù)合粉末，進(jìn)而致密化制備 碳納米管鋁基復(fù)合材料的方法。對于碳納米管純鋁復(fù)合材料體系，對比文獻(xiàn)所述的方法能 夠?qū)崿F(xiàn)碳納米管在復(fù)合粉末中的均勻分散，制備的致密塊體材料可獲得理想的微觀組織和 力學(xué)性能。
[0005] CN103789564A公開了一種碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的粉末冶金制備方法， 該方法可在不破壞碳納米管的前提下實現(xiàn)基體合金化并與碳納米管均勻復(fù)合，從而充分發(fā) 揮復(fù)合強化和合金強化雙重機制，得到力學(xué)性能優(yōu)異的碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料。但 該方法制備的碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中耐腐蝕性和延伸度較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種力學(xué)性能、耐腐蝕性和延伸度都較好的碳納米管增強鋁 合金復(fù)合材料。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料，其中含有0. 5-5. 0重量份的鋅、0. 05-5. 0重 量份的碳納米管，所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中還包括鉻，所述鉻與鋅的質(zhì)量比為 1:4-8,所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的延伸度為19-22 %。
[0009] 在現(xiàn)有的碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中，通常會加入鋅來提高碳納米管與鋁合 金粉末的混合均勻程度。并且鋅的熔點較低，能夠提高碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的燒 結(jié)致密度。鋅的引入會由于低熔點相的產(chǎn)生，顯著提高材料傳質(zhì)效率，導(dǎo)致復(fù)合材料加速燒 結(jié)過程的同時，使合金基體晶粒長大、組織粗大，從而會在一定程度上降低材料的強度和延 伸率等力學(xué)性能；此外，過多鋅的引入在一定程度上也會降低合金基體的耐蝕性，損害其正 常的使用效果和壽命。
[0010] 本發(fā)明研宄人員發(fā)現(xiàn)，在添加鋅的碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中再添加一定量 的鉻，能夠在保持較高的強度和模量前提下，顯著提高碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的延 伸度和耐腐蝕性。適量鉻的引入一方面可抑制合金析出相在晶界處的析出，細(xì)化晶粒組織， 降低晶界能，提高晶界穩(wěn)定性，保持材料高的強度和塑性，另一方面也使再結(jié)晶后的晶粒呈 細(xì)長狀，改善三角晶界抵御侵蝕的能力，提高合金的耐蝕性，因而抵消鋅元素的引入對合金 耐蝕性的影響，獲得強度、塑性和耐蝕性等綜合性能良好的材料。鉻的添加量為鋅添加量的 1/8-1/4時，鉻和鋅才能在碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中發(fā)揮協(xié)同增強作用。一方面若 鉻含量太低，不足以抵消由于鋅引入帶來的鋁合金基體和晶粒組織粗大、耐蝕性下降；另一 方面若鉻含量太高，過多的鉻易于聚集在合金晶界處，導(dǎo)致材料脆性增大、塑性反而降低更 多，材料綜合性能顯著下降。
[0011] 優(yōu)選的，所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中鉻與鋅的質(zhì)量比為1:5。
[0012] 所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的抗拉強度為730_850Mpa，模量為85_90GPa。
[0013] 所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中還含有硅、鎂、銅、錳、鐵和鋁中的一種或幾 種。
[0014] 所述碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料中含有0. 2-2. 0重量份的硅、0. 2-3. 0重量份 的鎂、0. 05-0. 5重量份的銅、0. 1-1. 0重量份的錳、0-0. 5重量份的鐵和86. 75-98. 9重量份 的錯。
[0015] 碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料隨著鐵元素含量的增大，其延伸度、拉伸強度和耐 腐蝕性都會降低。由于鐵為不和避免的雜質(zhì)元素，所以為了進(jìn)一步的提高碳納米管增強鋁 合金復(fù)合材料的性能，本發(fā)明應(yīng)控制鐵的含量，以避免鐵的含量過大而影響碳納米管增強 鋁合金復(fù)合材料的延伸度、耐腐蝕性和其他力學(xué)性能。
[0016] 優(yōu)選的，所述鋁合金粉末中含有0-0. 15重量份的鐵。
[0017] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種碳納米管增強鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括 如下步驟：
[0018] (1)將鋁合金粉末、鋅粉、絡(luò)粉和碳納米管混合均勻后壓制成坯；
[0019] (2)將坯加入到燒結(jié)爐中，以3-5°C/min的升溫速率升溫至0. 7-0. 99Tm后，保溫 10-30min，以10-20°C/min升溫速率升溫至1. 0-1.OlTm，然后以10-20°C/min的降溫速率 降溫至0. 8-0. 9Tm，繼續(xù)保溫60-120min，冷卻后獲得碳納米管鋁合金燒結(jié)坯；
[0020] (3)將碳納米管鋁合金燒結(jié)坯經(jīng)擠壓變形加工制備碳納米管鋁合金型材；
[0021] (4)將碳納米管鋁合金型材經(jīng)0. 7-0. 85Tm溫度條件下熱處理60-480min獲得碳納 米管增強鋁合金復(fù)合材料。
[0022] 其中，所述Tm為所述鋁合金粉末的熔點溫度。
[0023] 本發(fā)明在燒結(jié)的過程中，在開始時緩慢升溫，有利于熱量的傳遞，使燒結(jié)坯中的各 種合金元素均勻混合。在燒結(jié)過程中會發(fā)生顆粒重排、固相溶解和再析出、固相燒結(jié)等階 段。升溫速