[发明专利]一种粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种利用粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法，属于有色金属材料及粉末冶金技术领域。

背景技术

Al-Cu合金作为一种可热处理合金，具有密度低、强度高、延伸率高和耐腐蚀性能好等诸多优点，广泛应用于汽车、建筑及航空航天等诸多领域。目前，Al-Cu合金的制备主要利用铸造法，但该方法存在很多缺点：1）组织和成分均匀性很难保证，容易出现成分偏析，从而影响性能；2）制备过程中易引入铁、氧等杂质；3）铸造设备所需成本较高，耗能巨大。相对来讲，粉末冶金方法不仅可以克服上述缺点，还具有省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等诸多优点，因而得到越来越广泛的应用。

在之前的粉末冶金工艺中，为实现合金元素均匀分散及达到合金化的效果，常常需要对一定量的铝粉和铜粉进行较长时间的球磨。Shanmugasundaram等人（Metallurgical and Materials Transactions A 40.12 (2009): 2798-2801.）利用30h的球磨制备出达到合金化的Al-Cu合金粉末。然而，受到Cu颗粒粒径较大的限制，该方法制备时间长，而且为了防止冷焊情况出现，又不得不加入过程控制剂，从而影响合金纯度。

另一方面，专利“CN 101864547 A”和“CN 102424919 A”提出可以利用浸渍—还原法在铝基体上沉积Ni或Co纳米颗粒。同理，通过研究发现（Materials Letters, 72 (2012) 164-167.），可以利用该方法在铝基体上原位沉积一层均匀分散的Cu纳米颗粒。但是上述方法目前仅仅应用于制备生长碳纳米管所需的催化剂，并没有用于合金方面的制备。相对于其他方法中将铝粉和铜粉进行长时间的机械合金化，浸渍—还原法作为一种原位合成的方法，可以更容易地实现Cu在Al上的均匀分散。从而在实现合金化的前提下，大幅减少机械球磨的时间。

目前，粉末冶金的成形过程包括冷压烧结、热挤压等多种方式。其中，冷压烧结、真空热压烧结常用于粉体的初步成形，而热挤压常用于材料的最终成形。经过冷压烧结/真空热压烧结--热挤压的步骤，可以制得致密性高，力学性能优良的合金或复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法。该方法能够有效克服铸造法容易出现成分偏析和引入杂质，以及粉末冶金法需要长时间球磨等问题。该方法过程简单，所制得合金力学性能优良。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种粉末冶金原位合成Al-Cu合金的方法，其特征包括以下过程： 

（1）浸渍—还原法制备Al-Cu合金粉末

将一水合硝酸铜与铝粉以按质量比（0.03~0.3）：1加入无水乙醇中，其中无水乙醇的质量用量约为铝粉质量3~50倍，然后在温度30~80°C下持续搅拌，直至无水乙醇完全挥发掉；得到的粉末在室温干燥24小时后，将粉末放置于管式炉恒温区，在氩气或氮气保护下以升温速率为10°C/分钟升温至200~500°C下煅烧1~5小时，并以流速50~600ml/min通入氢气还原1~5小时得到在铝粉上均匀沉积纳米铜颗粒的结构的Al-Cu粉末；

（2）机械球磨Al-Cu粉末

    将步骤（1）制得的Al-Cu粉末与钢球以质量比为1：（5~20）一起加入球磨罐中，抽真空后充满氩气，以转速200~600转/分进行球磨0.5~5小时，制得均匀分散的Al-Cu粉末；

（3）制备Al-Cu合金材料块体

将步骤（2）制得的均匀分散的Al-Cu粉末，在室温和压力300~800MPa下压制成块体，然后在氩气气氛下，将块体以升温速率10°C/分钟升温至400~700°C下烧结0.5~6小时，之后随着炉温冷却或直接水冷，将制得的材料在温度350~650°C下以（4~25）:1的挤压比进行挤压制得Al-Cu合金材料块体；

或将步骤（2）制得的均匀分散的Al-Cu粉末，在真空度10^-2Pa下以升温速率10°C/分钟升温至400~650°C，施加压力20~70MPa下热压0.5~6h，将制得的材料在温度350~650°C下以（4~25）:1的挤压比进行挤压制得Al-Cu合金材料块体。