本發(fā)明涉及合金材料制造領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯復(fù)合鋁合金的制備方法。
背景技術(shù)：
7系鋁合金中Zn的含量高達(dá)5.1-6.1%，使得其具有較高的強(qiáng)度和耐磨損性能，合金中其他元素如鎂、硅、銅、鈦等含量也較合理，使得7系鋁合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度都較高，同時(shí)這些元素和高溫條件下通入的氨氣也可能相互反應(yīng)生成一些其他的能提高復(fù)合材料性能的增強(qiáng)顆粒。7系鋁合金機(jī)械性能與物化性能都較好，在航空航天、機(jī)械設(shè)備、磨具加工、工裝夾具等方面應(yīng)用較廣泛。在這些工作場合中摩擦磨損會消耗機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，損壞設(shè)備，縮短機(jī)器與零件的使用壽命，因而提高材料的耐磨損性能有著重要的意義。
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列構(gòu)成的單層平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和極小的尺寸，是一種很好的鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)相。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種石墨烯復(fù)合鋁合金的制備方法，采用在7系鋁合金高溫熔液中加入K2TiF6粉末添加劑并通入含氨氣體后通過氣—液合成生成增強(qiáng)顆粒，然后在反應(yīng)體系外加上低頻旋轉(zhuǎn)磁場，從而得到性能較好的鋁合金混合顆粒；采用剝離液剝離石墨烯，配合研磨或攪拌，可降低對研磨或攪拌速度的要求；還實(shí)現(xiàn)了石墨烯材料與鋁合金顆粒的很好的結(jié)合，由于多次大的變形，可以使復(fù)合材料達(dá)到很高的致密度，提高了基體的力學(xué)性能，明顯提高了復(fù)合鋁合金材料的強(qiáng)度、韌性以及耐磨性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種石墨烯復(fù)合鋁合金的制備方法，該方法包括如下步驟：
（1）制備鋁合金混合顆粒
將K2TiF6粉劑在450℃下烘烤3h,充分去除結(jié)晶水，然后冷卻、研磨和篩選得到粒度≤300μm的粉末添加劑，備用；
將7系鋁合金加入坩堝，在高溫下熔融；
將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，原位反應(yīng)溫度為1000-1100℃；所述的含有氨氣的惰性氣體中氨氣體積分?jǐn)?shù)為30-40%，其流量為50-150ml/min；
在坩堝外圍加上低頻旋轉(zhuǎn)磁場，對反應(yīng)體系進(jìn)行處理；所述的低頻旋轉(zhuǎn)磁場的磁場頻率為5 Hz，勵磁電流為100 A，磁場作用時(shí)間為5-10min；
將處理后的金屬熔液精煉、扒渣、靜置，球磨后，得到鋁合金混合顆粒；所述的靜置溫度為650-750℃，靜置的時(shí)間為5-15min；
（2）制備石墨烯粉末
將純度在99%以上，粒徑為100~300μm石墨鱗片和剝離液注入帶有攪拌器的釜體內(nèi)，啟動釜體的電機(jī)進(jìn)行攪拌，使物料混合均勻，其中剝離液的組成為：乙二醇90重量份數(shù)、聚丙烯酸酯40重量份數(shù)、二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球1重量份數(shù)、氯化鋰1重量份數(shù)；其中，二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球的粒徑在50微米以下，二氧化硅核的粒徑在20納米以上，殼層的厚度在10納米以上；聚丙烯酸酯的數(shù)均分子量大于100000，石墨鱗片和剝離液的重量比為1：3；
加熱釜體，保持釜體內(nèi)溫度為90℃，壓力為3atm，攪拌軸轉(zhuǎn)速為1500 rpm/min，反應(yīng)時(shí)間3h；停止反應(yīng)后通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內(nèi)，靜置24h以上得到初產(chǎn)品；將得到的儲料罐內(nèi)的石墨烯懸浮液輸送至離心機(jī)內(nèi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm/min，離心時(shí)間1h，取上層清液，在真空過濾裝置中真空過濾得到濾餅，將得到的濾餅以適量的蒸餾水洗滌，濾餅在冷凍干燥裝置內(nèi)冷凍干燥4h以上，即得到石墨烯粉末；
（3）將鋁合金混合顆粒作退火處理，并對其表面進(jìn)行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干；
將烘干后的鋁合金混合顆粒與上述石墨烯粉末按一定的比例進(jìn)行充分混合、攪拌均勻，壓實(shí)并密封，再用壓力機(jī)壓制成預(yù)制塊；
將所得預(yù)制塊軋制成最終成品；
其中，所用上述石墨烯粉末的含量用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示或用體積分?jǐn)?shù)表示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的質(zhì)量百分比2.5%-6%，體積分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的體積百分比2%-8%。
優(yōu)選的，在步驟（1）中按金屬熔體質(zhì)量的10-15%加入K2TiF6粉末添加劑，并通過石英導(dǎo)管向金屬溶液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，通入氣體時(shí)間為30-40分鐘。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，（1）采用在7系鋁合金高溫熔液中加入K2TiF6粉末添加劑并通入含氨氣體后通過氣—液合成生成增強(qiáng)顆粒，然后在反應(yīng)體系外加上低頻旋轉(zhuǎn)磁場，從而得到性能較好的鋁合金混合顆粒；（2）采用剝離液剝離石墨烯，配合研磨或攪拌，可降低對研磨或攪拌速度的要求；（3）還實(shí)現(xiàn)了石墨烯材料與鋁合金顆粒的很好的結(jié)合，由于多次大的變形，可以使復(fù)合材料達(dá)到很高的致密度，提高了基體的力學(xué)性能，明顯提高了復(fù)合鋁合金材料的強(qiáng)度、韌性以及耐磨性能。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
將K2TiF6粉劑在450℃下烘烤3h,充分去除結(jié)晶水，然后冷卻、研磨和篩選得到粒度≤300μm的粉末添加劑，備用。
將7系鋁合金加入坩堝，在高溫下熔融。
將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，原位反應(yīng)溫度為1000℃；所述的含有氨氣的惰性氣體中氨氣體積分?jǐn)?shù)為30%，其流量為50ml/min。其中按金屬熔體質(zhì)量的10%加入K2TiF6粉末添加劑，并通過石英導(dǎo)管向金屬溶液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，通入氣體時(shí)間為30分鐘。
在坩堝外圍加上低頻旋轉(zhuǎn)磁場，對反應(yīng)體系進(jìn)行處理；所述的低頻旋轉(zhuǎn)磁場的磁場頻率為5 Hz，勵磁電流為100 A，磁場作用時(shí)間為5-10min。將處理后的金屬熔液精煉、扒渣、靜置，球磨后，得到鋁合金混合顆粒；所述的靜置溫度為650℃，靜置的時(shí)間為5min。
將純度在99%以上，粒徑為100~300μm石墨鱗片和剝離液注入帶有攪拌器的釜體內(nèi)，啟動釜體的電機(jī)進(jìn)行攪拌，使物料混合均勻，其中剝離液的組成為：乙二醇90重量份數(shù)、聚丙烯酸酯40重量份數(shù)、二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球1重量份數(shù)、氯化鋰1重量份數(shù)。其中，二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球的粒徑在50微米以下，二氧化硅核的粒徑在20納米以上，殼層的厚度在10納米以上；聚丙烯酸酯的數(shù)均分子量大于100000，石墨鱗片和剝離液的重量比為1：3。
加熱釜體，保持釜體內(nèi)溫度為90℃，壓力為3atm，攪拌軸轉(zhuǎn)速為1500 rpm/min，反應(yīng)時(shí)間3h；停止反應(yīng)后通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內(nèi)，靜置24h以上得到初產(chǎn)品；將得到的儲料罐內(nèi)的石墨烯懸浮液輸送至離心機(jī)內(nèi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm/min，離心時(shí)間1h，取上層清液，在真空過濾裝置中真空過濾得到濾餅，將得到的濾餅以適量的蒸餾水洗滌，濾餅在冷凍干燥裝置內(nèi)冷凍干燥4h以上，即得到石墨烯粉末。
將鋁合金混合顆粒作退火處理，并對其表面進(jìn)行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干。將烘干后的鋁合金混合顆粒與上述石墨烯粉末按一定的比例進(jìn)行充分混合、攪拌均勻，壓實(shí)并密封，再用壓力機(jī)壓制成預(yù)制塊。將所得預(yù)制塊軋制成最終成品。
其中，所用上述石墨烯粉末的含量用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示或用體積分?jǐn)?shù)表示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的質(zhì)量百分比2.5%，體積分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的體積百分比2%。
實(shí)施例二
將K2TiF6粉劑在450℃下烘烤3h,充分去除結(jié)晶水，然后冷卻、研磨和篩選得到粒度≤300μm的粉末添加劑，備用。
將7系鋁合金加入坩堝，在高溫下熔融。
將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，原位反應(yīng)溫度為1100℃；所述的含有氨氣的惰性氣體中氨氣體積分?jǐn)?shù)為40%，其流量為150ml/min。其中按金屬熔體質(zhì)量的15%加入K2TiF6粉末添加劑，并通過石英導(dǎo)管向金屬溶液中通入含有氨氣的惰性氣體，進(jìn)行原位反應(yīng)，通入氣體時(shí)間為40分鐘。
在坩堝外圍加上低頻旋轉(zhuǎn)磁場，對反應(yīng)體系進(jìn)行處理；所述的低頻旋轉(zhuǎn)磁場的磁場頻率為5 Hz，勵磁電流為100 A，磁場作用時(shí)間為5-10min。將處理后的金屬熔液精煉、扒渣、靜置，球磨后，得到鋁合金混合顆粒；所述的靜置溫度為750℃，靜置的時(shí)間為15min。
將純度在99%以上，粒徑為100~300μm石墨鱗片和剝離液注入帶有攪拌器的釜體內(nèi)，啟動釜體的電機(jī)進(jìn)行攪拌，使物料混合均勻，其中剝離液的組成為：乙二醇90重量份數(shù)、聚丙烯酸酯40重量份數(shù)、二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球1重量份數(shù)、氯化鋰1重量份數(shù)。其中，二氧化硅/聚(甲基丙烯酸甲酯～苯乙烯)雙殼層復(fù)合微球的粒徑在50微米以下，二氧化硅核的粒徑在20納米以上，殼層的厚度在10納米以上；聚丙烯酸酯的數(shù)均分子量大于100000，石墨鱗片和剝離液的重量比為1：3。
加熱釜體，保持釜體內(nèi)溫度為90℃，壓力為3atm，攪拌軸轉(zhuǎn)速為1500 rpm/min，反應(yīng)時(shí)間3h；停止反應(yīng)后通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內(nèi)，靜置24h以上得到初產(chǎn)品；將得到的儲料罐內(nèi)的石墨烯懸浮液輸送至離心機(jī)內(nèi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm/min，離心時(shí)間1h，取上層清液，在真空過濾裝置中真空過濾得到濾餅，將得到的濾餅以適量的蒸餾水洗滌，濾餅在冷凍干燥裝置內(nèi)冷凍干燥4h以上，即得到石墨烯粉末。
將鋁合金混合顆粒作退火處理，并對其表面進(jìn)行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干。將烘干后的鋁合金混合顆粒與上述石墨烯粉末按一定的比例進(jìn)行充分混合、攪拌均勻，壓實(shí)并密封，再用壓力機(jī)壓制成預(yù)制塊。將所得預(yù)制塊軋制成最終成品。
其中，所用上述石墨烯粉末的含量用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示或用體積分?jǐn)?shù)表示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的質(zhì)量百分比6%，體積分?jǐn)?shù)為占所用鋁合金混合顆粒的體積百分比8%。