高强度铝合金材料及其制备方法

177 编辑：中冶有色技术网来源：无锡智恩铝型材有限公司

2024-11-22 16:18:22

权利要求

1.一种高强度铝合金材料，其特征在于：包括如下重量百分比成分：Zn5-6%、Mg2-2.5%、Cu1.5-1.8%、Fe0.3-0.4%、Si0.08-0.1%、Cr0.2-0.25%、Ti0.03-0.05%、Mn0.01-0.03%;余量为Al、纳米增强剂和不可避免的杂质;

所述纳米增强剂含量为合金材料总质量的1.2-2wt%;

所述纳米增强剂为负载SiNxOy的多壁碳纳米管;

所述SiNxOy中N的质量分数为30-34%，O的质量分数为30-36%，粒径范围为20-30nm。

2.一种根据权利要求1所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：将纳米增强剂与Zn、Mg、Cu、Fe、Si、Cr、Ti、Mn、Al均匀混合，进行高能球磨处理，随后进行放电等离子烧结处理得到高强度铝合金材料;

所述高能球磨，ZrO2球与粉末混合物的质量比为1:0.08-0.1，在Ar气氛中以800-1000rpm的转速混合20-30min;

所述放电等离子烧结，施加压力为30-40MPa，升温速度为30-40℃/min，烧结温度为630-660℃，烧结温度保温时间为10-15min。

3.根据权利要求2所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述纳米增强剂的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、将多壁纳米碳管加入65-70wt%浓硝酸中，60℃冷凝回流反应6h，静置、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化纳米碳管;

S2、将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入pH为4的草酸溶液中得到偶联剂溶液，将丙酮溶液与偶联剂溶液混合得到混合液，将SiNxOy加入混合液中，超声分散，30℃静置24h;离心、洗涤、干燥，得到改性SiNxOy;

S3、将S1所得酸化碳纳米管加入到去离子水中，超声分散，加入S2所得改性SiNxOy，磁力搅拌4h分散，100℃反应6h，洗涤、干燥得到纳米增强剂。

4.根据权利要求3所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述多壁纳米碳管在65-70wt%浓硝酸中的添加量为8-10mg/mL。

5.根据权利要求4所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷在pH为4的草酸溶液中的添加量为18-22mg/mL。

6.根据权利要求5所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S2中，所述SiNxOy在丙酮溶液中的添加量为28-38mg/mL。

7.根据权利要求6所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S2中，所述偶联剂溶液与丙酮溶液的体积比为1:55-60。

8.根据权利要求7所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S3中，所述酸化碳纳米管在去离子水中的添加量为0.6-0.8mg/mL。

9.根据权利要求8所述的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S3中，所述改性SiNxOy的添加量为酸化碳纳米管质量的3-5倍。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于合金材料技术领域，具体是指一种高强度铝合金材料及其制备方法。

背景技术

[0002]铝具有优良的导热性、导电性、抗蚀性和延展性并可以通过添加合金元素和热处理强化力学性能以满足不同的需要，高强度铝合金材料是一种具有优异强度的合金材料，这种材料通常经过特殊的热处理工艺，使其具有更高的强度和硬度，同时保持良好的可加工性和耐腐蚀性能;高强度铝合金材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑和其他领域，以满足对材料强度和轻量化的要求，常见的高强度铝合金材料包括7075铝合金、2024铝合金和6061铝合金等;纳米碳管是一种新型的自组装单分子材料，其强度约为钢的100倍，密度仅为钢的1/6，是比强度和比刚度非常高的材料，近年来的研究发现适量的纳米碳管作为增强体加入到金属基复合材料中能够提高材料的强度和耐磨性;原位自生法可以在铝合金基体中形成尺寸小、形状规整、刚度高且与基体界面结合良好的陶瓷颗粒，原位颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、低的热膨胀系数和良好的耐磨性能，且因而颗粒尺寸较小，热稳定性好，界面洁净无污染。

[0003]目前现有技术主要存在以下问题：目前颗粒增强铝基复合材料，增强体与金属基体结合差、分布不均。

发明内容

[0004]针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，为了解决增强体与金属基体结合差、分布不均的问题，本发明提出以多壁纳米碳管负载SiNxOy的方式得到纳米增强剂，通过化学反应在铝基体中形成细小稳定的增强颗粒，实现了材料力学性能的提升以及多壁纳米碳管与铝基合金的良好结合，进一步提升材料力学性能。

[0005]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种高强度铝合金材料及其制备方法，所述高强度铝合金材料包括如下重量百分比成分：Zn5-6%、Mg2-2.5%、Cu1.5-1.8%、Fe0.3-0.4%、Si0.08-0.1%、Cr0.2-0.25%、Ti0.03-0.05%、Mn0.01-0.03%;余量为Al、纳米增强剂和不可避免的杂质;

[0006]优选地，所述纳米增强剂含量为合金材料总质量的1.2-2wt%;

[0007]优选地，所述纳米增强剂为负载SiNxOy的多壁碳纳米管;

[0008]优选地，所述SiNxOy中N的质量分数为30%至34%，O的质量分数为30%至36%，粒径范围为20-30nm;

[0009]优选地，所述纳米增强剂的制备方法，具体包括如下步骤：

[0010]S1、将多壁纳米碳管加入65-70wt%浓硝酸中，60℃冷凝回流反应6h，静置、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化纳米碳管;

[0011]S2、将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入pH为4的草酸溶液中得到偶联剂溶液，将丙酮溶液与偶联剂溶液混合得到混合液，将SiNxOy加入混合液中，超声分散，30℃静置24h;离心、洗涤、干燥得到改性SiNxOy;

[0012]S3、将S1所得酸化碳纳米管加入到去离子水中，超声分散，加入S2所得改性SiNxOy，磁力搅拌4h分散，100℃反应6h，洗涤、干燥得到纳米增强剂。

[0013]SiNxOy纳米粉末可以很容易地与Al相互作用，烧结时纳米增强剂中SiNxOy与Al发生的反应如下：

[0014](3x+2y)Al+3SiNxOy→3Si+3xAlN+yAl2O3;

[0015]铝也可以将SiNxOy还原为二氧化硅，二氧化硅与AlN具有良好的化学相容性，在1400℃以下，这两相之间不发生化学反应。

[0016]优选地，在S1中，所述多壁纳米碳管在65-70wt%浓硝酸中的添加量为8-10mg/mL。

[0017]优选地，在S1中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷在pH为4的草酸溶液中的添加量为18-22mg/mL。

[0018]优选地，在S2中，所述SiNxOy在丙酮溶液中的添加量为28-38mg/mL。

[0019]优选地，在S2中，所述偶联剂溶液与丙酮溶液的体积比为1:55-60。

[0020]优选地，在S3中，所述酸化碳纳米管在去离子水中的添加量为0.6-0.8mg/mL。

[0021]优选地，在S3中，所述改性SiNxOy的添加量为酸化碳纳米管质量的3-5倍。

[0022]本发明还提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，具体包括如下步骤：

[0023]将纳米增强剂与Zn、Mg、Cu、Fe、Si、Cr、Ti、Mn、Al均匀混合，进行高能球磨处理，随后进行放电等离子烧结处理得到高强度铝合金材料。

[0024]优选地，所述高能球磨，ZrO2球与粉末混合物的质量比为1:0.08-0.1，在Ar气氛中以800-1000rpm的转速混合20-30min。

[0025]优选地，所述放电等离子烧结，施加压力为30-40MPa，升温速度为30-40℃/min，烧结温度为630-660℃，烧结温度保温时间为10-15min。

[0026]本发明取得的有益效果如下：对多壁纳米碳管进行酸化改性，使其表面酸化产生羧基得到酸化纳米碳管，以硅烷偶联剂对SiNxOy进行的改性，使3-氨丙基三乙氧基硅烷与其结合材料带有氨基，从而使3-氨丙基三乙氧基硅烷改性SiNxOy所产生氨基与多壁纳米碳管表面酸化所产生羧基相互结合形成酰胺键得到表面负载SiNxOy的多壁纳米碳管，即纳米增强剂，将纳米增强剂与金属粉末混合进行球磨并烧结，纳米碳管由于表面负载SiNxOy，在烧结过程中分散更为均匀，SiNxOy与Al反应生成氮化铝、氧化铝以及部分二氧化硅，通过化学反应在铝基体中形成细小稳定的增强颗粒，不仅对材料进行增强还提高了多壁纳米碳管的分散率并增进其与基体的结合，提升材料的力学性能，达到高强度、抗拉和耐磨的技术效果。

附图说明

[0027]图1为实施例1-3和对比例1-4拉伸测试抗拉强度的结果图;

[0028]图2为实施例1-3和对比例1-4拉伸测试断裂延伸率的结果图;

[0029]图3为实施例1-3和对比例1-4硬度测试硬度的结果图;

[0030]图4为实施例1-3和对比例1-4磨损测试磨损量的结果图。

[0031]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

具体实施方式

[0032]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033]除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用，但不能限制本申请的内容。

[0034]下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法;下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为从商业渠道购买得到的。

[0035]实施例1

[0036]一种高强度铝合金材料包括如下重量百分比成分：Zn6%、Mg2.5%、Cu1.8%、Fe0.4%、Si0.1%、Cr0.25%、Ti0.05%、Mn0.03%;余量为Al、纳米增强剂和不可避免的杂质;

[0037]纳米增强剂含量为合金材料总质量的2wt%;纳米增强剂为负载SiNxOy的多壁碳纳米管;SiNxOy中N的质量分数为34%，O的质量分数为36%，粒径范围为30nm。

[0038]纳米增强剂的制备方法，具体包括如下步骤：

[0039]S1、将多壁纳米碳管以10mg/mL的添加量加入70wt%浓硝酸中，60℃冷凝回流反应6h，静置、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化纳米碳管;

[0040]S2、将3-氨丙基三乙氧基硅烷以22mg/mL的添加量加入pH为4的草酸溶液中得到偶联剂溶液，将丙酮溶液与偶联剂溶液以1:60的体积比混合得到混合液，将SiNxOy以38mg/mL的添加量加入混合液中，超声分散，30℃静置24h;离心、洗涤、干燥，得到改性SiNxOy;

[0041]S3、将S1所得酸化碳纳米管以0.8mg/mL的添加量加入到去离子水中，超声分散，加入酸化碳纳米管质量的5倍的S2所得改性SiNxOy，磁力搅拌4h分散，100℃反应6h，洗涤、干燥得到纳米增强剂。

[0042]本发明还提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，具体包括如下步骤：

[0043]将纳米增强剂与Zn、Mg、Cu、Fe、Si、Cr、Ti、Mn、Al均匀混合，进行高能球磨处理，ZrO2球与粉末混合物的质量比为1:0.1，在Ar气氛中以1000rpm的转速混合30min，随后进行放电等离子烧结处理，施加压力为40MPa，升温速度为40℃/min，烧结温度为660℃，烧结温度保温时间为15min，得到高强度铝合金材料。

[0044]实施例2

[0045]一种高强度铝合金材料包括如下重量百分比成分：Zn5%、Mg2%、Cu1.5%、Fe0.3%、Si0.08%、Cr0.2%、Ti0.03%、Mn0.01%;余量为Al、纳米增强剂和不可避免的杂质;

[0046]纳米增强剂含量为合金材料总质量的1.2wt%;纳米增强剂为负载SiNxOy的多壁碳纳米管;SiNxOy中N的质量分数为30%，O的质量分数为30%，粒径范围为20nm。

[0047]纳米增强剂的制备方法，具体包括如下步骤：

[0048]S1、将多壁纳米碳管以8mg/mL的添加量加入65wt%浓硝酸中，60℃冷凝回流反应6h，静置、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化纳米碳管;

[0049]S2、将3-氨丙基三乙氧基硅烷以18mg/mL的添加量加入pH为4的草酸溶液中得到偶联剂溶液，将丙酮溶液与偶联剂溶液以1:55的体积比混合得到混合液，将SiNxOy以28mg/mL的添加量加入混合液中，超声分散，30℃静置24h;离心、洗涤、干燥，得到改性SiNxOy;

[0050]S3、将S1所得酸化碳纳米管以0.6mg/mL的添加量加入到去离子水中，超声分散，加入酸化碳纳米管质量的3倍的S2所得改性SiNxOy，磁力搅拌4h分散，100℃反应6h，洗涤、干燥得到纳米增强剂。

[0051]本发明还提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，具体包括如下步骤：

[0052]将纳米增强剂与Zn、Mg、Cu、Fe、Si、Cr、Ti、Mn、Al均匀混合，进行高能球磨处理，ZrO2球与粉末混合物的质量比为1:0.08，在Ar气氛中以800rpm的转速混合20-30min，随后进行放电等离子烧结处理，施加压力为30MPa，升温速度为30℃/min，烧结温度为630-660℃，烧结温度保温时间为10-15min，得到高强度铝合金材料。

[0053]实施例3

[0054]一种高强度铝合金材料包括如下重量百分比成分：Zn5.5%、Mg2.2%、Cu1.6%、Fe0.35%、Si0.09%、Cr0.22%、Ti0.04%、Mn0.02%;余量为Al、纳米增强剂和不可避免的杂质;

[0055]纳米增强剂含量为合金材料总质量的1.8wt%;纳米增强剂为负载SiNxOy的多壁碳纳米管;SiNxOy中N的质量分数为32%，O的质量分数为33%，粒径范围为25nm。

[0056]纳米增强剂的制备方法，具体包括如下步骤：

[0057]S1、将多壁纳米碳管以9mg/mL的添加量加入68wt%浓硝酸中，60℃冷凝回流反应6h，静置、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化纳米碳管;

[0058]S2、将3-氨丙基三乙氧基硅烷以20mg/mL的添加量加入pH为4的草酸溶液中得到偶联剂溶液，将丙酮溶液与偶联剂溶液以1:56的体积比混合得到混合液，将SiNxOy以30mg/mL的添加量加入混合液中，超声分散，30℃静置24h;离心、洗涤、干燥，得到改性SiNxOy;

[0059]S3、将S1所得酸化碳纳米管以0.7mg/mL的添加量加入到去离子水中，超声分散，加入酸化碳纳米管质量的3-5倍的S2所得改性SiNxOy，磁力搅拌4h分散，100℃反应6h，洗涤、干燥得到纳米增强剂。

[0060]本发明还提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，具体包括如下步骤：

[0061]将纳米增强剂与Zn、Mg、Cu、Fe、Si、Cr、Ti、Mn、Al均匀混合，进行高能球磨处理，ZrO2球与粉末混合物的质量比为1:0.09，在Ar气氛中以900rpm的转速混合25min，随后进行放电等离子烧结处理，施加压力为35MPa，升温速度为35℃/min，烧结温度为640℃，烧结温度保温时间为13min，得到高强度铝合金材料。

[0062]对比例1

[0063]本对比例提供一种铝合金材料，其与实施例1的区别仅在于组分中不包含纳米增强剂，其余组分、组分含量与实施例3相同。

[0064]对比例2

[0065]本对比例提供一种铝合金材料，其与实施例1的区别仅在于组分中不包含纳米碳管，其余组分、组分含量与实施例3相同。

[0066]对比例3

[0067]本对比例提供一种铝合金材料，其与实施例1的区别仅在于组分中不包含SiNxOy，其余组分、组分含量与实施例3相同。

[0068]对比例4

[0069]本对比例提供一种铝合金材料，其与实施例1的区别仅在于不进行纳米增强剂制备，即纳米碳管与SiNxOy仅为简单混合，其余组分、组分含量与实施例3相同。

[0070]实验例

[0071]1.拉伸测试

[0072]将实施例1-3、对比例1-4所得材料通过电子拉伸机进行拉伸测试，拉伸速度为0.8mm/min，每组试样拉伸三次，先将环境箱设定为25℃，放入试样保温10min后再进行拉伸，得到抗拉强度和断裂伸长率。

[0073]2.硬度测试

[0074]将实施例1-3、对比例1-4所得材料制成10mm×10mm×10mm的试块，用砂纸将试样表面打磨干净，用1600–5122VDMICROMET5104显微硬度计对样品的显微硬度进行测试，每个试样测8个点，实验载荷为50g，保压时间15s，取均值为试样硬度。

[0075]3.磨损测试

[0076]将实施例1-3、对比例1-4所得材料制成Φ35mm×4mm的圆盘状，施加一定正压力将销底部的钢球压在被检测铝合金圆盘表面，开动马达使钢球和被测圆盘产生相对滑动，用电子天平测试其摩擦磨损试验前后的质量，以如下公式计算磨损量：

[0077]磨损量=实验前质量-试验后质量

[0078]结果分析

[0079]1.抗拉强度

[0080]图1为实施例1-3和对比例1-4拉伸测试抗拉强度的结果图，如图，实施例1-3和对比例1-4的抗拉强度(MPa)分别为776、779、787、436、539、543、603;实施例1-3的抗拉强度明显强于对比例1-3说明纳米增强剂、纳米碳管、SiNxOy的使用提升了合金材料的抗拉强度，实施例1-3的抗拉强度明显强于对比例4说明纳米增强剂制备提升了合金材料的抗拉强度，优于简单混合使用。

[0081]2.断裂延伸率

[0082]图2为实施例1-3和对比例1-4拉伸测试断裂延伸率的结果图，如图，实施例1-3和对比例1-4的断裂延伸率分别为23.1%、22.7%、23.5%、10.8%、16.1%、15.3%、19.3%;实施例1-3的断裂延伸率明显高于对比例1-3说明纳米增强剂、纳米碳管、SiNxOy的使用提升了合金材料的断裂延伸率，实施例1-3的断裂延伸率明显高于对比例4说明纳米增强剂制备提升了合金材料的断裂延伸率，优于简单混合使用。

[0083]3.硬度

[0084]图3为实施例1-3和对比例1-4硬度测试硬度的结果图，如图，实施例1-3和对比例1-4的硬度分别为195Hv、196Hv、197Hv、130Hv、156Hv、153Hv、172Hv;实施例1-3的硬度明显大于对比例1-3说明纳米增强剂、纳米碳管、SiNxOy的使用提升了合金材料的硬度，实施例1-3的硬度明显大于对比例4说明纳米增强剂制备提升了合金材料的硬度，优于简单混合使用。

[0085]4.磨损量

[0086]图4为实施例1-3和对比例1-4磨损测试磨损量的结果图，如图，实施例1-3和对比例1-4的硬度分别为6.5、6.3、6.7、12.3、9.2、9.5、7.8;实施例1-3的磨损量明显低于对比例1-3说明纳米增强剂、纳米碳管、SiNxOy的使用提升了合金材料的抗磨损性能，实施例1-3的磨损量明显低于对比例4说明纳米增强剂制备提升了合金材料的抗磨损性能，优于简单混合使用。

[0087]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。

[0088]以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的应用并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

说明书附图(4)