一种高强度铝合金材料及其制备方法与流程

本发明属于铝合金，具体涉及一种高强度铝合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金材料是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其密度低，强度高，塑性好，具有优良的导电性、导热性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用；

2、随着科技的迅速发展，人们对铝合金材料的要求越来越高，其需要铝合金更高的强度，尤其是在航空航天工业和民用交通等领域，对铝合金的韧性等综合性能等提出了更高的要求。

3、cn115404388a公开了一种复合增强铝合金材料及其制备方法，具体公开了了铝合金材料的成分包括纯铝、纯镁、纯铜和镍改性al2o3多孔气凝胶，其中al2o3多孔气凝胶作为铝合金的增强相，采用溶渗方式将铝合金溶液熔渗至多孔气凝胶内部的间隙，得到al2o3多孔气凝胶增强的铝合金材料；

4、该专利主要是采用镍改性al2o3多孔气凝胶增强的方式制备铝合金材料，其明显提高了抗拉强度和屈服强度，但是其硬度较高，组织难以均匀化，制得的铝合金材料强度不均匀，并且耐磨性能和耐腐蚀性较差，其在摩擦后的磨损失重较大，在腐蚀性环境下的强度损失较多，限制了使用范围。

5、cn115747591a公开了一种高韧性铝合金材料及其制备工艺，原料成分包括：铝粉、铜粉、硅粉、碳纤维包覆氧化铝前驱体，通过使用碳纤维包覆氧化铝作为增强相，一方面可以避免碳纤维在铝合金基体中形成团聚导致产生负面作用，另一方面也能够利用碳纤维对铝合金中孔洞的填充作用，增强铝合金的强度和韧性。

6、采用上述方法制得的铝合金材料，成本较高，并且在处理过程中会出现纤维损伤，其会影响铝合金材料的性能提升，导致其抗拉强度较差，耐磨性能不佳。

7、因此，提供一种高强度铝合金材料及其制备方法，强度高且均匀，耐磨性能和耐腐蚀性能优异是现有技术亟待的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种高强度铝合金材料及其制备方法，强度高且均匀，并且耐磨性和耐腐蚀性能优异。

2、为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

3、一种高强度铝合金材料的制备方法，包括制备复合陶瓷纤维、制备复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶、制备强化剂、混料步骤，具体如下：

4、1.制备复合陶瓷纤维

5、（1）制备铝溶胶

6、将六水合氯化铝与7-9倍质量的去离子水混合，搅拌均匀后，加入氨水，进行超声振荡处理，超声时间为15-19min，超声频率为37-42khz，超声功率为75-80w，超声结束后，控制温度为20-24℃，静置反应2.0-2.3h，静置反应结束后，过滤，洗涤，制得滤渣，然后向滤渣中加入10-12倍质量的去离子水，搅拌均匀制得悬浮液, 向悬浮液中加入混合酸，搅拌均匀后以0.2-0.4℃/min的速率升温至36-40℃，在36-40℃下静置8.3-8.6h，制得铝溶胶；

7、所述氨水的质量浓度为25-27%；

8、所述六水合氯化铝与氨水的质量比为1.21-1.25:1；

9、所述混合酸由乙酸和盐酸组成，所述乙酸和盐酸的质量比为0.8-1.2:1；

10、所述混合酸与六水合氯化铝的质量比为2.1-2.3:1；

11、（2）制备可纺性混合胶

12、向铝溶胶中加入9-11wt%醋酸镧溶液、14-16wt%硝酸钇溶液，然后进行球磨处理，球料比为4-6:1，球磨转速为303-316rpm，球磨时间为50-56min，球磨温度为36-40℃，球磨结束后，在56-58℃下水浴老化，老化至粘度为65-69pa·s，制得可纺性混合胶；

13、所述铝溶胶、醋酸镧溶液与硝酸钇溶液的质量比为95-99:2.4-2.6:2.0-2.2；

14、（3）纺丝

15、将可纺性混合胶经离心甩丝，甩丝孔直径为0.25-0.35mm，转速为3800-4000rpm，甩丝温度为26-28℃，制得混合凝胶纤维，将混合凝胶纤维粉碎至粒径为0.5-0.7mm，然后以1.0-1.4℃/min的速率升温至525-536℃，在525-536℃下保温1.3-1.6h，然后以3.2-3.7℃/min的速率升温至816-823℃，在816-823℃下保温1.3-1.7h，再以5.5-6.0℃/min的速率升温至1030-1080℃，在1030-1080℃下保温1.8-2.1h，保温结束后，自然降低至室温，制得复合陶瓷纤维。

16、2.制备复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶

17、（1）制备硅溶胶

18、将正硅酸乙酯、去离子水以及无水乙醇混合，搅拌均匀后加入盐酸调节ph至4.1-4.3，继续搅拌18-22min，搅拌转速为205-215rpm，搅拌结束后以0.1-0.3℃/min的速率升温至40-42℃，然后加入氨水调节ph至8.1-8.3，继续搅拌，制得硅溶胶；

19、所述正硅酸乙酯、去离子水以及无水乙醇的摩尔比为1.1-1.3:2.2-2.4:7.4-7.7；

20、所述盐酸的质量浓度为17-19%；

21、所述氨水的质量浓度为26-28%；

22、（2）浸渍

23、将复合陶瓷纤维置于密闭容器中，然后加入3-5倍体积的硅溶胶，将密闭容器抽真空至真空度为0.06-0.08mpa，通入氮气至压力为0.23-0.27mpa，控制温度为35-39℃，进行搅拌，搅拌转速为263-276rpm，搅拌24-32min后，加入醋酸镍溶液，升高压力为0.28-0.32mpa，控制温度不变，继续搅拌12-14min，搅拌结束，过滤制得复合陶瓷纤维-硅溶胶；

24、所述醋酸镍溶液的质量浓度为15-17%；

25、所述硅溶胶与醋酸镍的体积比为20-22:4.1-4.3；

26、（3）后处理

27、将复合陶瓷纤维-硅溶胶升温至40-43℃，待复合陶瓷纤维-硅溶胶不再流动时，置于3-5倍体积的无水乙醇中进行老化处理，老化时间为11-13h，老化结束后制得老化后的凝胶，将老化后的凝胶置于-22～-20℃下预冷处理，预冷时间为1.4-1.6h，然后置于真空冷冻干燥机内，控制冷阱温度为-37～-33℃，真空度为22-25pa，冷冻干燥时间为4.3-4.7h，真空冷冻干燥结束后，等自然恢复至室温，以2.1-2.3℃/min速率升温至566-573℃，在566-573℃下静置2.6-2.8h，待自然恢复至室温，制得复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶。

28、3.制备强化剂

29、向无水乙醇中加入锆粉、钛粉进行球磨处理，球磨时间为33-37min，球磨转速为241-257rpm，球料比为4-8:1，球磨温度为43-47℃，球磨结束后加入硝酸铈，继续球磨处理，球磨时间为17-22min，球磨温度为50-54℃，球磨结束后，以1.8-2.2℃/min的速率升温至522-536℃，在522-536℃下焙烧4.1-4.5h，焙烧结束，降低至室温制得强化剂；

30、所述无水乙醇、锆粉、钛粉、硝酸铈的质量比为127-133:2.1-2.3:3.0-3.4:3.5-3.8。

31、4.混料

32、将铝基材料和强化剂混合均匀，熔炼后制得铝基液体，将复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶以3.0-3.4℃/min速率升温至405-414℃，然后置于模具中，模具温度为405-414℃，将铝基液体加入至模具中对复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶进行渗透处理，控制渗透压力为21-24mpa，渗透时间为1.0-1.3min，凝固冷却后，制得铝合金材料；

33、所述铝基材料、强化剂和复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶的质量比为98-103:1.2-1.4:6.3-6.6；

34、所述铝基材料，以质量百分比计为，镁0.83-0.85%、铁0.30-0.34%、铜0.04-0.06%，铝-锰合金0.47-0.50%、铝-钒合金1.2-1.4%、其余为铝；

35、所述铝-锰合金中，锰的质量含量为8-11%；

36、所述铝-钒合金中，钒的质量含量为8-11%。

37、一种高强度铝合金材料，采用上述制备方法制得。

38、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

39、1.本发明制得高强度铝合金材料，在铝溶胶中引入了镧源、钇源，在氧化铝纤维中复合稀土元素，利用稀土元素离子半径较大的特点，稀土元素存在于氧化铝的晶界处，抑制了铝离子的迁移，使得晶界迁移速率较低，抑制晶粒在高温下的生长，增强了复合陶瓷纤维的稳定性，并且复合陶瓷纤维的内部结构致密，韧性好；将复合陶瓷纤维置于硅溶胶中，并且加入醋酸镍进行充分的浸渍，硅溶胶对复合陶瓷纤维进行了充分的填充，并且复合陶瓷纤维的表面包覆一层致密、完整且均匀的二氧化硅气凝胶，醋酸镍的加入可以改善界面的润湿性，最后经过后处理步骤中真空冷冻干燥步骤，避免了在干燥过程中因固液界面表面张力的作用而导致的孔的坍塌，保证了二氧化硅气凝胶的孔洞完整性，使制得的复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶在与铝基材料混合时，能够增加接触面积，结合性更好，并且避免了各成分之间的团聚，提高了分散性能，提高与铝基材料之间的混合均匀性，从而提高铝合金材料的力学性能和力学稳定性能，增强了耐磨性能，耐腐蚀性能好；本发明采用特定的方法制备强化剂，其作为铝基材料的增强相，可以提高铝合金材料的力学性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，并且在球磨处理后能够增强与铝基材料的相容性和结合力，其与特定的复合陶瓷纤维-二氧化硅气凝胶等技术手段相结合制得的铝合金材料，力学性能优异且均匀，摩擦后质量损失少，在酸性环境下的质量损失低，在盐环境中仍能保持优异的力学性能；

40、2.本发明制得的铝合金材料，按照gb/t 228-2002《金属材料拉伸试验方法》，测得25℃抗拉强度为473.1-477.6mpa，320℃抗拉强度为453.2-463.3mpa，屈服强度为384.4-391.2mpa，延伸率为13.2-13.7%；

41、3.本发明制得的铝合金材料，置于浓度为30%的硫酸溶液中静置，第12h的质量损失为37-40mg，第24h的质量损失为59-63mg，第48h的质量损失为73-77mg；

42、4.本发明制得的铝合金材料，在25kpa的压力下用以1cm/s的速率进行循环磨损，重复操作100次，质量损失为41-45mg；

43、5.本发明制得的铝合金材料，浸泡于25%的氯化钠溶液中，控制温度为40℃，浸泡时间为120h，浸泡结束后，25℃抗拉强度为450.4-461.8mpa，屈服强度为364.0-375.6mpa。