一种高强度铝合金及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于合金技术领域，具体是一种高强度铝合金及其制备方法与应用。


背景技术：

2.轮毂是承载汽车全部重量和高速度旋转的关键部件，所以对轮毂材料的性能具有严苛要求。铝合金材料因其质量轻、机械性能优异等优点被广泛用于制造轮毂。
3.铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如在纯铝中添加锰元素研制出的al-mn合金、在纯铝中添加铜元素研制出al-cu合金、在纯铝中同时添加铜和镁元素研制出al-cu-mg系硬铝合金、在纯铝中同时添加锌、镁、铜元素研制出al-zn-mg-cu系超硬铝合金等。
4.将铝合金用于车身零部件时，现有的挤压成型部件或板材，强度不足而且延伸性较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高强度铝合金的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
6.本发明还提供了上述制备方法制得的高强度铝合金。
7.本发明还提供了上述高强度铝合金的应用。
8.具体如下，本发明第一方面提供了上述高强度铝合金的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将含al、si、fe、mn、zn和ce的原料首次熔炼，制得第一混合物；
10.s2、将钽-含氮石墨烯-铜铝合金添加至第一混合物中再次熔炼，制得第二混合物；
11.s3、将覆盖剂和第二混合物后处理，制得第三混合物；
12.s4、将第三混合物浇铸；
13.所述钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
14.氧化石墨烯10份、乙醇钽20份～30份、乙醇铜5份～6份、铝粉30份～40份、多巴胺1份～3份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液100份～150份。
15.根据本发明制备方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
16.本发明中利用氧化石墨烯表面具有丰富的含氧官能团，而多巴胺对氧化石墨烯进行氮改性，通过含氮基团和含氧官能团实现对钽元素、铜元素、铝粉的充分分散，从而制得粒度较小的中间合金；从而进一步提升上述元素在最终制得的铝合金材料分散度好，从而提升铝合金材料的整体强度。
17.ta与c、n形成tac和tan；tac具有高硬度、高热力学稳定性等特点，还能抑制合金中晶粒的长大，从而显著提升其综合性能；tan还能提升铝合金的耐磨性能。
18.根据本发明的一些实施方式，所述钽-含氮石墨烯-铜铝合金的制备方法，包括以下步骤：
19.s01、将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇混合，制得氧化石墨烯分散物；
20.s02、将乙醇钽、乙醇铜、铝粉和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液添加至所述氧化石
墨烯分散物中反应；浓缩至干，收集固相；
21.s03、将所述固相在还原性气氛下煅烧；
22.所述煅烧的温度为1100℃～1200℃。
23.在煅烧的过程中，氧化石墨烯在还原性气氛下被还原为石墨烯；同时在还原性性气氛下，钽元素形成钽化碳和炭化氮等化合物；从而充分提升铝合金材料的强度。
24.根据本发明的一些实施方式，所述首次熔炼的温度为800℃～900℃。
25.根据本发明的一些实施方式，所述首次熔炼的时间为90min～100min。
26.根据本发明的一些实施方式，所述再次熔炼的温度为660℃～695℃。
27.根据本发明的一些实施方式，所述再次熔炼的时间为30min～40min。
28.根据本发明的一些实施方式，所述处理的温度为700℃～760℃。
29.根据本发明的一些实施方式，所述处理的时间为10min～60min。
30.根据本发明的一些实施方式，所述覆盖剂和所述第二混合物的质量比为2～4:1000。
31.根据本发明的一些实施方式，所述反应的温度为40℃～50℃。
32.根据本发明的一些实施方式，所述反应的时间为1h～10h。
33.根据本发明的一些实施方式，所述煅烧的时间为2h～10h。
34.根据本发明的一些实施方式，所述还原性气氛为氩气和氢气的混合气体。
35.根据本发明的一些实施方式，所述还原性气氛中氩气的体积分数为95％～99％。
36.根据本发明的一些实施方式，所述氧化石墨烯和所述乙醇的质量体积比为1g：100ml～200ml。
37.根据本发明的一些实施方式，所述盐酸的摩尔浓度为0.2mol/l～2mol/l。
38.本发明第二方面提供了高强度铝合金，由上述制备方法制得。
39.根据本发明的一些实施方式，所述高强度铝合金包括以下质量分数的元素：
40.si：6％～8％，fe：0.4％～0.5％、mn：0.8％～1.0％、zn：0.7％～1.0％和ce：0.1％～0.5％和ta：8％～12％。
41.根据本发明铝合金技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
42.si的适量加入，有利于在获得一定强度基础上同时获得良好耐腐蚀等综合性能；si在铝合金中具有固溶强化作用；而过剩的si对强度有提升效果，但对材料延展性显著降低；因此，需要将si元素的用量控制在合理范围内。
43.fe与mn、al能形成(femn)al6相，但fe+mn总量超过1.5％会形成大量粗大片状(femn)al6，降低合金延展性；因此，需要控制fe元素的用量。
44.mn与al形成mnal6相，强度随mn增加而上升，mn含量增高引起挤压变形抗力大，但会严重恶化挤压性能；通过控制mn元素的含量，从而保证合金的可挤压性，以及良好的导热性，耐腐蚀性。
45.为提高合金流动性，合金中加入适量的稀土元素ce；ce的加入，消除了铸棒中粗大化合物，改善析出物的形状，降低热挤压力。同时，ce元素的加入，在晶内析出粒状或棒状在第二相，起到弥散强化作用，进一步提高力学性能。
46.本发明第三方面提供了上述高强度铝合金在制备汽车轮毂中的应用。
具体实施方式
47.以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
48.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
49.实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
50.本发明实施方式中选用的铝粉购自湖南金昊新材料科技股份有限公司的球形铝粉(粒径为：2μm～3μm)。
51.本发明实施方式中选用的氧化石墨烯购自先丰纳米的xf002-2(片径：0.5μm～5μm、厚度：0.8nm～1.2nm)
52.实施例1
53.本实施例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
54.si：7％，fe：0.45％、mn：0.9％、ta：10％、zn：0.8％和ce：0.2％。
55.本实施例中高强度铝合金的制备原料如下：
56.硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈和钽-含氮石墨烯-铜铝合金。
57.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
58.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜5份、铝粉32份、多巴胺2份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
59.其中，钽-含氮石墨烯-铜铝合金通过以下方法制备得到：
60.s1、制备氧化石墨烯分散液：
61.将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇(氧化石墨烯和乙醇的质量体积比为1g：100ml)中混合，得到氧化石墨烯分散液；
62.s2、将氧化石墨烯分散液、乙醇钽、乙醇铜、铝粉和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液混合后，在40℃下处理2h，浓缩至干，收集固相；
63.s3、将固相在1150℃下煅烧3h(气氛为还原性气氛，氩气和氢气的混合气体，氩气的体积分数为95％)。
64.本实施例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
65.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
66.s2、将机械打渣后加入粉碎后的钽-含氮石墨烯-铜铝合金添加至第一熔液中搅拌，于650℃、氩气气氛下再次熔炼30min，制得第二熔液；
67.s3、向第二熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第
二熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第三熔液；
68.s4、将s3得到的第三熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
69.实施例2
70.本实施例为一种高强度铝合金包括以下质量分数的元素：
71.si：6％，fe：0.5％、mn：1.0％、ta：8％、zn：1.0％和ce：0.5％。
72.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
73.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜6份、铝粉30份、多巴胺1份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
74.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金和高强度铝合金的制备方法参照实施例1中进行。
75.实施例3
76.本实施例为一种高强度铝合金包括以下质量分数的元素：
77.si：8％，fe：0.4％、mn：0.8％、ta：12％、zn：0.7％和ce：0.1％。
78.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
79.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜5.5份、铝粉40份、多巴胺3份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
80.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金和高强度铝合金的制备方法参照实施例1中进行。
81.实施例4
82.本实施例为一种高强度铝合金包括以下质量分数的元素：
83.si：7.5％，fe：0.42％、mn：0.85％、ta：11％、zn：0.75％和ce：0.4％。
84.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
85.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜5.8份、铝粉36份、多巴胺1.8份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
86.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金和高强度铝合金的制备方法参照实施例1中进行。
87.实施例5
88.本实施例为一种高强度铝合金包括以下质量分数的元素：
89.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、ta：9％、zn：0.9％和ce：0.3％。
90.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
91.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜6份、铝粉38份、多巴胺1份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
92.本实施例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金和高强度铝合金的制备方法参照实施例1中进行。
93.对比例1
94.本对比例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
95.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、ta：9％、zn：0.9％和ce：0.3％。
96.本对比例中钽-含氮石墨烯-铝合金包括以下重量份数的制备原料：
97.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、铝粉38份、多巴胺1份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐
溶液150份。
98.其中，钽-含氮石墨烯-铝合金通过以下方法制备得到：
99.s1、制备氧化石墨烯分散液：
100.将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇(氧化石墨烯和乙醇的质量体积比为1g：100ml)中混合，得到氧化石墨烯分散液；
101.s2、将氧化石墨烯分散液、乙醇钽、铝粉和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液混合后，在40℃下处理2h，浓缩至干，收集固相；
102.s3、将固相在1150℃下煅烧3h(气氛为还原性气氛，氩气和氢气的混合气体，氩气的体积分数为95％)。
103.本对比例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
104.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
105.s2、将机械打渣后加入粉碎后的钽-含氮石墨烯-铝合金添加至第一熔液中搅拌，于650℃、氩气气氛下再次熔炼30min，制得第二熔液；
106.s3、向第二熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第二熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第三熔液；
107.s4、将s3得到的第三熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
108.对比例2
109.本对比例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
110.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、ta：9％、zn：0.9％和ce：0.3％。
111.本对比例中钽-石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
112.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜6份、铝粉38份和水150份。
113.其中，钽-石墨烯-铜铝合金通过以下方法制备得到：
114.s1、制备氧化石墨烯分散液：
115.将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇(氧化石墨烯和乙醇的质量体积比为1g：100ml)中混合，得到氧化石墨烯分散液；
116.s2、将氧化石墨烯分散液、乙醇钽、乙醇铜、铝粉和水混合后，在40℃下处理2h，浓缩至干，收集固相；
117.s3、将固相在1150℃下煅烧3h(气氛为还原性气氛，氩气和氢气的混合气体，氩气的体积分数为95％)。
118.本对比例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
119.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
120.s2、将机械打渣后加入粉碎后的钽-石墨烯-铜铝合金添加至第一熔液中搅拌，于650℃、氩气气氛下再次熔炼30min，制得第二熔液；
121.s3、向第二熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第二熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第三熔液；
122.s4、将s3得到的第三熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
123.对比例3
124.本对比例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
125.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、ta：9％、zn：0.9％和ce：0.3％。
126.本对比例中钽-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
127.乙醇钽28份、乙醇铜6份、铝粉38份、多巴胺1份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
128.其中，钽-铜铝合金通过以下方法制备得到：
129.s1、制备氧化石墨烯分散液：
130.将多巴胺和乙醇(氧化石墨烯和乙醇的质量体积比为1g：100ml)中混合，得到多巴胺分散液；
131.s2、将多巴胺分散液、乙醇钽、乙醇铜、铝粉和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液混合后，在40℃下处理2h，浓缩至干，收集固相；
132.s3、将固相在1150℃下煅烧3h(气氛为还原性气氛，氩气和氢气的混合气体，氩气的体积分数为95％)。
133.本对比例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
134.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
135.s2、将机械打渣后加入粉碎后的钽-铜铝合金添加至第一熔液中搅拌，于650℃、氩气气氛下再次熔炼30min，制得第二熔液；
136.s3、向第二熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第二熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第三熔液；
137.s4、将s3得到的第三熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
138.对比例4
139.本对比例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
140.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、ta：6％、zn：0.9％和ce：0.3％。
141.本对比例中钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：
142.氧化石墨烯10份、乙醇钽28份、乙醇铜6份、铝粉38份、多巴胺1份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液150份。
143.其中，钽-含氮石墨烯-铜铝合金通过以下方法制备得到：
144.s1、制备氧化石墨烯分散液：
145.将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇(氧化石墨烯和乙醇的质量体积比为1g：100ml)中混合，得到氧化石墨烯分散液；
146.s2、将氧化石墨烯分散液、乙醇钽、乙醇铜、铝粉、多巴胺和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液混合后，在40℃下处理2h，浓缩至干，收集固相；
147.s3、将固相在1150℃下煅烧3h(气氛为还原性气氛，氩气和氢气的混合气体，氩气的体积分数为95％)。
148.本对比例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
149.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
150.s2、将机械打渣后加入粉碎后的钽-含氮石墨烯-铜铝合金添加至第一熔液中搅
拌，于650℃、氩气气氛下再次熔炼30min，制得第二熔液；
151.s3、向第二熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第二熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第三熔液；
152.s4、将s3得到的第三熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
153.对比例5
154.本对比例为一种高强度铝合金，包括以下质量分数的元素：
155.si：7.8％，fe：0.43％、mn：0.87％、zn：0.9％和ce：0.3％。
156.本对比例中高强度铝合金的制备方法，由以下步骤组成：
157.s1、将硅铝中间合金、铁铝中间合金、锰铝中间合金、锌铝中间合金、金属铈粉碎后投入熔炼炉中搅拌，于850℃、氩气气氛下首次熔炼90min，制得第一熔液；
158.s2、向第一熔液中加入覆盖剂(泗水县圣源冶铸材料有限公司，rj-f1，覆盖剂和第一熔液的质量比为2:1000)，于700℃下静置40min，制得第二熔液；
159.s3、将s2得到的第二熔液浇筑成锭，然后冷却至室温(25℃)，得到高强度铝合金。
160.本发明实施例1～5和对比例1～5制得的高强度铝合金的性能测试结果见表1。
161.表1本发明实施例1～5和对比例1～5制得的高强度铝合金的性能测试结果
[0162][0163][0164]
综上所述，本发明中利用氧化石墨烯表面具有丰富的含氧官能团，而多巴胺对氧化石墨烯进行氮改性，通过含氮基团和含氧官能团实现对钽元素、铜元素、铝粉的充分分散，从而制得粒度较小的中间合金；从而进一步提升上述元素在最终制得的铝合金材料分散度好，从而提升铝合金材料的整体强度。ta与c、n形成tac和tan；tac具有高硬度、高热力学稳定性等特点，还能抑制合金中晶粒的长大，从而显著提升其综合性能；tan还能提升铝合金的耐磨性能。
[0165]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡
在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高强度铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将含al、si、fe、mn、zn和ce的原料首次熔炼，制得第一混合物；s2、将钽-含氮石墨烯-铜铝合金添加至第一混合物中再次熔炼，制得第二混合物；s3、将覆盖剂和第二混合物后处理，制得第三混合物；s4、将第三混合物浇铸；所述钽-含氮石墨烯-铜铝合金包括以下重量份数的制备原料：氧化石墨烯10份、乙醇钽20份～30份、乙醇铜5份～6份、铝粉30份～40份、多巴胺1份～3份和三羟甲基氨基甲烷盐酸盐溶液100份～150份。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钽-含氮石墨烯-铜铝合金的制备方法，包括以下步骤：s01、将氧化石墨烯、多巴胺和乙醇混合，制得氧化石墨烯分散物；s02、将乙醇钽、乙醇铜、铝粉和酸添加至所述氧化石墨烯分散物中反应；浓缩至干，收集固相；s03、将所述固相在还原性气氛下煅烧；所述煅烧的温度为1100℃～1200℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述首次熔炼的温度为800℃～900℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再次熔炼的温度为660℃～695℃。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理的温度为700℃～760℃。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理的时间为10min～60min。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应的温度为40℃～50℃。8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述煅烧的时间为2h～10h。9.一种高强度铝合金，其特征在于，由权利要求1至8任一项所述的方法制备得到。10.一种如权利要求9所述的高强度铝合金在制备汽车轮毂中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高强度铝合金及其制备方法与应用，涉及合金技术领域，该制备方法包括以下步骤：S1、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn和Ce的原料首次熔炼，制得第一混合物；S2、将钽-含氮石墨烯-铜铝合金添加至第一混合物中再次熔炼，制得第二混合物；S3、将覆盖剂和第二混合物后处理，制得第三混合物；S4、将第三混合物浇铸。本发明中利用氧化石墨烯表面具有丰富的含氧官能团，从而实现对钽元素、铜元素、铝粉的充分分散；从而制得粒度较小的中间合金；进一步提升上述元素在最终制得的铝合金材料分散度好，从而提升铝合金材料的整体强度。从而提升铝合金材料的整体强度。


技术研发人员：莫洪波 宋礼全 孙先锋 冯礼兴
受保护的技术使用者：株洲宜安精密制造有限公司
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11