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CN113462918B - 一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法 - Google Patents

一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法 Download PDF

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CN113462918B CN202110594085.0A CN202110594085A CN113462918B CN 113462918 B CN113462918 B CN 113462918B CN 202110594085 A CN202110594085 A CN 202110594085A CN 113462918 B CN113462918 B CN 113462918B
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Abstract

本发明公开了一种CNTs/Al‑Li高强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：1、称取异丙醇溶液、两性离子分散剂、2195合金粉末、多壁型CNTs以及氧化锆磨球，将异丙醇溶液和两性离子分散剂进行混合，然后加入多壁型CNTs进行超声分散，最后置于振动混粉机中混合得到CNTs溶液；2、将2195合金粉末和氧化锆磨球以及CNTs溶液加入球磨罐中进行球磨、静置，然后干燥得到预制粉末B；3、将预制粉末B进行预压，然后再进行烧结，得到复合材料C；4、采用马弗炉对复合材料C进行预热，然后采用挤压机进行挤压得到复合型材D；5、对复合型材D进行固溶处理和时效处理得到CNTs/Al‑Li高强复合材料。

Description

一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法。
背景技术
铝合金具有高比强度、刚度和良好的耐腐蚀性能，已成为重要的箭体结构轻量化材料。为满足新一代运载火箭的发展要求，提高火箭的有效运载能力，迫切需要实现箭体结构零件轻量化。与此同时，新一代运载火箭需要实现型号的通用化、组合化和系列化，建成型谱化系列，以适应不同有效载荷的发射。这就要求箭体结构零件成形时具有更高的尺寸精度，以减少人工修整、提高生产效率，且能满足自动化装配要求。
对于高强铝合金，主要以Al-Cu-Mg为基的2系铝合金和以Al-Zn-Mg-Cu为基的7系铝合金为主。铝基复合材料的制备中，基体的选择可纯铝，也可采用各种常规铝合金。当前常见的工业铝合金中，可通过添加特定的金属元素改善某些性能，如Mg、Ni或者Bi、Be等以达到改善硬度或者流动性，形成了成熟的工业铝基材料体系。该体系分为Al-Si、Al-Mg、Al-Li、Al-Fe和Al-Cu等。相对常规铝合金，铝锂合金具有更轻的质量和更高的强度，可更大程度地实现箭体结构零件轻量化。其中2195铝锂合金替代2219铝合金，可使结构强度提高40％，质量减轻10％。尽管如此，铝锂合金的强度和延伸率仍需要进一步提升，以扩大其在航空航天装备中的应用比例。
发明内容
本发明的目的是提供一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，解决了现有技术中存在的铝锂合金的强度和延伸率差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取异丙醇溶液、两性离子分散剂、2195合金粉末、多壁型CNTs以及氧化锆磨球，将异丙醇溶液和两性离子分散剂加入容器中进行混合，然后加入多壁型CNTs并进行超声分散，最后置于振动混粉机中混合得到CNTs溶液；
步骤2、将步骤1称取的2195合金粉末和氧化锆磨球以及步骤1得到的CNTs溶液加入球磨罐中进行球磨，球磨后静置，然后去除悬浮溶液后进行干燥得到预制粉末B；
步骤3、将步骤2得到的预制粉末B先进行预压得到预压坯体，然后采用快速热压烧结炉进行烧结，得到复合材料C；
步骤4、先采用马弗炉对步骤3得到的复合材料C进行预热，然后采用挤压机对预热后的复合材料C进行挤压得到挤压态的复合型材D；
步骤5、对复合型材D进行固溶处理和时效处理得到CNTs/Al-Li高强复合材料。
本发明的特点还在于：
步骤1称取的多壁型CNTs、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为0.5-1.5:0.1-2:100-200，异丙醇溶液与2195合金粉末的质量比为1-1.5:1，氧化锆磨球与2195合金粉末的质量比为5-10:1。
步骤1中容器中进行混合使用磁力搅拌器进行混合，搅拌时间为10-15min。
步骤1超声分散的超声频率为39-45KHz，时间为0.5-1h；振动混粉机的振动频率为40-50Hz，时间为0.5-1h。
步骤2中球磨转速为200-300r/min，时间为2-4h，球磨的运行过程为先正转10min，暂停10min，然后再反转10min。
步骤2中静置时间为10-20min，干燥温度为75-80℃，时间为60-240min，干燥处于氩气气氛保护中。
步骤3中预压压力为8-12MPa，时间为1-2min，烧结过程真空度为0-10Pa，压力为30-50MPa，烧结先以100℃/min的升温速率升温，升至430-470℃后，再以20℃/min的升温速率升温，升至530-570℃后，保温时间30-60min，最后随炉冷却得到复合材料C。
步骤4中预热的升温速率为10-15℃/min，升温至370-430℃，保温15-25min，将挤压机的挤压模具升温至270-300℃，挤压速率为3-5mm/s，挤压比为33：1。
步骤5具体为，将步骤4中得到的复合型材D放入真空气氛炉中，以10-20℃/min的升温速率升温至440-470℃，保温0-10min后取出型材进行水淬，待炉温降到室温再将型材重新放入炉腔，以10-20℃/min的升温速率升温至130-190℃后，保温25-30h，拿出型材空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。
本发明的有益效果是：本发明通过将CNTs均匀分散在2195合金中，CNTs具有更高的强度(60～110GPa)和刚度、更低的密度(2.1g/cm3)、更大的长径比(100～1000)以及更高的热传导能力(3000～6000W/m·K)，因此可在增加铝基体强度的同时降低密度，进一步提高减重效果。
附图说明
图1是本发明一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法的制备流程图；
图2是本发明实施例1所获得样品的20000倍的粉末显微形貌图；
图3是本发明实施例2所获得样品的20000倍的粉末显微形貌图；
图4是本发明实施例3所获得样品的20000倍的粉末显微形貌图；
图5是本发明实施例4所获得样品的20000倍的粉末显微形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，如图1所示具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取异丙醇溶液、两性离子分散剂、2195合金粉末、多壁型CNTs以及氧化锆磨球，多壁型CNTs、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为0.5-1.5:0.1-2:100-200，异丙醇溶液与2195合金粉末的质量比为1-1.5:1，氧化锆磨球与2195合金粉末的质量比为5-10:1，将异丙醇溶液和两性离子分散剂加入容器中进行混合，使用磁力搅拌器进行混合，搅拌时间为10-15min，然后加入多壁型CNTs并进行超声分散，超声分散的超声频率为39-45KHz，时间为0.5-1h；振动混粉机的振动频率为40-50Hz，时间为0.5-1h，最后置于振动混粉机中混合得到CNTs溶液；
步骤2、将步骤1称取的2195合金粉末和氧化锆磨球以及步骤1得到的CNTs溶液加入球磨罐中进行球磨，球磨转速为200-300r/min，时间为2-4h，球磨的运行过程为先正转10min，暂停10min，然后再反转10min，球磨后静置，静置时间为10-20min，然后去除悬浮溶液后进行干燥得到预制粉末B，干燥温度为75-80℃，时间为60-240min，干燥处于氩气气氛保护中；
步骤3、将步骤2得到的预制粉末B先进行预压得到预压坯体，预压压力为8-12MPa，时间为1-2min，然后采用快速热压烧结炉进行烧结，烧结过程真空度为0-10Pa，压力为30-50MPa，烧结先以100℃/min的升温速率升温，升至430-470℃后，再以20℃/min的升温速率升温，升至530-570℃后，保温时间30-60min，最后随炉冷却得到复合材料C；
步骤4、先采用马弗炉对步骤3得到的复合材料C进行预热，预热的升温速率为10-15℃/min，升温至370-430℃，保温15-25min，将挤压机的挤压模具升温至270-300℃，然后采用挤压机对预热后的复合材料C进行挤压，挤压速率为3-5mm/s，挤压比为33：1得到挤压态的复合型材D；
步骤5、对复合型材D进行固溶处理和时效处理，具体为，将步骤4中得到的复合型材D放入真空气氛炉中，以10-20℃/min的升温速率升温至440-470℃，保温0-10min后取出型材进行水淬，待炉温降到室温再将型材重新放入炉腔，以10-20℃/min的升温速率升温至130-190℃后，保温25-30h，拿出型材空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。
实施例1
本发明提供一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1、制备均匀的CNTs溶液
称取60g2195合金粉末，合金粉末的粒径为325目(45 m)，称取磨球300g，大球240g，小球60g，即球料比为5：1，大小球比4：1。在干净的烧杯中加入60g异丙醇溶液，称0.3g的两性离子分散剂(十二烷基二甲基胺乙内酯)，加入到异丙醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌10min，让分散剂充分溶解后，称取质量分数为0.3g的CNTs，CNTs为多壁型CNTs，管径约为30-50nm，将CNTs加入到分散好的溶液中，用保鲜膜密封烧杯口，防止溶液挥发，再将溶液放入超声机中，以40KHz的超声频率，超声振动1h，结束后将溶液转入振动混粉机专用瓶子，同时加入5颗直径为10mm的ZrO2磨球，安装到振动混粉机上，以振动频率40Hz振动30min得到的溶液即为均匀的CNTs溶液A。
步骤2、湿法球磨
将步骤1所制均匀的CNTs溶液A和合金粉末一起加入球磨罐，球磨罐为ZrO2材质，球磨罐的直径为120mm，随后加入300gZrO2磨球，大小球比为4：1，即大球240g，小球60g。对球磨罐密封并且通入氩气进行气氛保护，防止在球磨过程中氧化样品。将球磨罐安装至球磨机上，设置球磨参数，球磨转速为200r/min，球磨时间为4h，运行方式为正转10min—暂停10min—反转10min。球磨结束后静置10min，用胶头滴管吸取上层包含剩余CNTs的悬浮溶液。将球磨后的浆料取出放于培养皿中，将培养皿放于真空烘箱中，对真空烘箱用氩气洗气，使真空烘箱中完全处于氩气气氛状态，设置烘干温度为80℃，定时烘干2h。烘干完成后取出粉末，放于筛分网中进行筛取，取出磨球后剩余的粉末即为预制粉末。
步骤3、快速热压烧结
将步骤2得到的球磨粉末，利用快速热压烧结炉进行坯体烧结。具体为按照Φ40直径的烧结模具裁取石墨纸，并铺于石墨模具中，将步骤二得到的粉末倒入石墨模具中，垫上石墨纸用压头压紧，再用手动液压机进行预压，压力为10MPa，保压时间为1min。粉末装进石墨模具后，安装在快速热压烧结炉上。设置烧结程序，具体过程为，1min内将压力升至40MPa后保持，再以100℃/min的升温速率升温至470℃，调整升温速率为20℃/min升温至570℃，保温60min后随炉冷却，得到直径40mm，高15mm的圆柱状烧结坯体。
步骤4、热挤压
设置马弗炉温度控制器，按10℃/min升温速率升温至370℃后，将烧结坯体放入做挤压前的预热，预热时长为20min，与此同时将挤压模具的温度利用加热套也提前加热至300℃以上，预热完成后迅速将烧结坯体放入挤压模具中，以3mm/s的挤压速度进行挤压，得到挤压态的复合型材。挤压的型材去掉100mm的料头和料尾，中间部位即为预制型材。
步骤5、热处理
此步骤包括固溶处理和时效处理两部分，热处理用的是真空气氛炉。具体操作为：将步骤4中得到的型材截取适量的长度，放入真空气氛炉中，用氩气对炉腔洗气，氩气作为保护气氛，防止在加热的过程中样品氧化。设置加热程序，首先以10℃/min的升温速率升温至470℃，然后保温10min后拿出样品水淬，固溶处理完成。完成固溶处理后，待炉温降到室温再将样品重新放入炉腔，用氩气洗气，设置加热程序，同样以10℃/min的升温速率升温至150℃后，保温25h，拿出样品空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。在热处理的升温和保温过程中，全程需要通氩气进行气氛保护，以防止样品在高温下的氧化破坏。
本发明实施例1制备的CNTs/Al-Li高强复合材料粉末显微形貌如图2所示，增强相CNTs的加入量为0.5％，同时增强相CNTs和铝锂合金基体结合良好；利用阿基米德排水法测得CNTs/Al-Li高强复合材料的密度；使用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，试验力32.16N，保压时间为30s，测得布氏硬度；利用万能力学性能试验机测得抗拉强度；通过上述方法对本发明实施例1制备的CNTs/Al-Li高强复合材料的密度、硬度、抗拉强度进行检测，得到其密度为2.701g/cm3、硬度为245.3HV、抗拉强度为736.5MPa。
实施例2
本发明提供一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤1、制备均匀的CNTs溶液
称取60g2195合金粉末，合金粉末的粒径为325目(45 m)，称取磨球300g，大球240g，小球60g，即球料比为5：1，大小球比4：1。在干净的烧杯中加入60g异丙醇溶液，称0.6g的两性离子分散剂(十二烷基二甲基胺乙内酯)，加入到异丙醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌10min，让分散剂充分溶解后，称取质量分数为0.6g的CNTs，CNTs为多壁型CNTs，管径约为30-50nm，将CNTs加入到分散好的溶液中，用保鲜膜密封烧杯口，防止溶液挥发，再将溶液放入超声机中，以40KHz的超声频率，超声振动1h，结束后将溶液转入振动混粉机专用瓶子，同时加入7颗直径为10mm的ZrO2磨球，安装到振动混粉机上，以振动频率40Hz振动30min得到的溶液即为均匀的CNTs溶液。
步骤2、湿法球磨
将步骤1所制均匀的CNTs溶液和2195合金粉末一起加入球磨罐，球磨罐为ZrO2材质，球磨罐的直径为120mm，随后加入300gZrO2磨球，磨球分为大球(d＝10mm)和小球(d＝5mm)，且大小球比为4：1，即大球240g，小球60g。对球磨罐密封并且通入氩气进行气氛保护，防止在球磨过程中氧化样品。将球磨罐安装至球磨机上，设置球磨参数，球磨转速为200r/min，球磨时间为4h，运行方式为正转10min—暂停10min—反转10min。球磨结束后静置15min，用胶头滴管吸取上层包含剩余CNTs的悬浮溶液。将球磨后的浆料取出放于培养皿中，将培养皿放于真空烘箱中，对真空烘箱用氩气洗气，使真空烘箱中完全处于氩气气氛状态，设置烘干温度为80℃，定时烘干2h。烘干完成后取出粉末，放于筛分网中进行筛取，取出磨球后剩余的粉末即为预制粉末。
步骤3、快速热压烧结
将步骤2得到的球磨粉末，利用快速热压烧结炉进行坯体烧结。具体为按照Φ40直径的烧结模具裁取石墨纸，并铺于石墨模具中，将步骤二得到的粉末倒入石墨模具中，垫上石墨纸用压头压紧，再用手动液压机进行预压，压力为10MPa，保压时间为1min。粉末装进石墨模具后，安装在快速热压烧结炉上。设置烧结程序，具体过程为，1min内将压力升至40MPa后保持，再以100℃/min的升温速率升温至470℃，调整升温速率为20℃/min升温至570℃，保温60min后随炉冷却，得到直径40mm，高15mm的圆柱状烧结坯体。
步骤4、热挤压
设置马弗炉温度控制器，按10℃/min升温速率升温至370℃后，将烧结坯体放入做挤压前的预热，预热时长为20min，与此同时将挤压模具的温度利用加热套也提前加热至300℃以上，预热完成后迅速将烧结坯体放入挤压模具中，以3mm/s的挤压速度进行挤压，得到挤压态的复合型材。挤压的型材去掉100mm的料头和料尾，中间部位即为预制型材。
步骤5、热处理
此步骤包括固溶处理和时效处理两部分，热处理用的是真空气氛炉。具体操作为：将步骤4中得到的型材截取适量的长度，放入真空气氛炉中，用氩气对炉腔洗气，氩气作为保护气氛，防止在加热的过程中样品氧化。设置加热程序，首先以10℃/min的升温速率升温至470℃，然后保温10min后拿出样品水淬，固溶处理完成。完成固溶处理后，待炉温降到室温再将样品重新放入炉腔，用氩气洗气，设置加热程序，同样以10℃/min的升温速率升温至150℃后，保温25h，拿出样品空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。在热处理的升温和保温过程中，全程需要通氩气进行气氛保护，以防止样品在高温下的氧化破坏。
本发明实施例2制备的CNTs/Al-Li高强复合材料粉末显微形貌如图3所示，增强相CNTs的加入量为1％，同时增强相CNTs和铝锂合金基体结合良好；利用阿基米德排水法测得CNTs/Al-Li高强合金的密度；使用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，试验力32.16N，保压时间为30s，测得布氏硬度；利用万能力学性能试验机测得抗拉强度；通过上述方法对本发明实施例2制备的CNTs/Al-Li高强复合材料的密度、硬度、抗拉强度进行检测，得到其密度为2.686g/cm3、硬度为261.2HV、抗拉强度为623.4MPa。
实施例3
本发明提供一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1、制备均匀的CNTs溶液
称取60g2195合金粉末，合金粉末的粒径为325目(45 m)，称取磨球300g，大球240g，小球60g，即球料比为5：1，大小球比4：1。在干净的烧杯中加入60g异丙醇溶液，称0.9g的两性离子分散剂(十二烷基二甲基胺乙内酯)，加入到异丙醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌10min，让分散剂充分溶解后，称取质量分数为0.9g的CNTs，CNTs为多壁型CNTs，管径约为30-50nm，将CNTs加入到分散好的溶液中，用保鲜膜密封烧杯口，防止溶液挥发，再将溶液放入超声机中，以40KHz的超声频率，超声振动1h，结束后将溶液转入振动混粉机专用瓶子，同时加入8颗直径为10mm的ZrO2磨球，安装到振动混粉机上，以振动频率40Hz振动30min得到的溶液即为均匀的CNTs溶液。
步骤2、湿法球磨
将步骤1所制均匀的CNTs溶液和2195合金粉末一起加入球磨罐，球磨罐为ZrO2材质，球磨罐的直径为120mm，随后加入300gZrO2磨球，大小球比为4：1，即大球240g，小球60g。对球磨罐密封并且通入氩气进行气氛保护，防止在球磨过程中氧化样品。将球磨罐安装至球磨机上，设置球磨参数，球磨转速为200r/min，球磨时间为4h，运行方式为正转10min—暂停10min—反转10min。球磨结束后静置18min，用胶头滴管吸取上层包含剩余CNTs的悬浮溶液。将球磨后的浆料取出放于培养皿中，将培养皿放于真空烘箱中，对真空烘箱用氩气洗气，使真空烘箱中完全处于氩气气氛状态，设置烘干温度为80℃，定时烘干2h。烘干完成后取出粉末，放于筛分网中进行筛取，取出磨球后剩余的粉末即为预制粉末。
步骤3、快速热压烧结
将步骤2得到的球磨粉末，利用快速热压烧结炉进行坯体烧结。具体为按照Φ40直径的烧结模具裁取石墨纸，并铺于石墨模具中，将步骤二得到的粉末倒入石墨模具中，垫上石墨纸用压头压紧，再用手动液压机进行预压，压力为10MPa，保压时间为1min。粉末装进石墨模具后，安装在快速热压烧结炉上。设置烧结程序，具体过程为，1min内将压力升至40MPa后保持，再以100℃/min的升温速率升温至470℃，调整升温速率为20℃/min升温至570℃，保温30min后随炉冷却，得到直径40mm，高15mm的圆柱状烧结坯体。
步骤4、热挤压
设置马弗炉温度控制器，按10℃/min升温速率升温至370℃后，将烧结坯体放入做挤压前的预热，预热时长为20min，与此同时将挤压模具的温度利用加热套也提前加热至300℃以上，预热完成后迅速将烧结坯体放入挤压模具中，以3mm/s的挤压速度进行挤压，得到挤压态的复合型材。挤压的型材去掉100mm的料头和料尾，中间部位即为预制型材。
步骤5、热处理
此步骤包括固溶处理和时效处理两部分，热处理用的是真空气氛炉。具体操作为：将步骤4中得到的型材截取适量的长度，放入真空气氛炉中，用氩气对炉腔洗气，氩气作为保护气氛，防止在加热的过程中样品氧化。设置加热程序，首先以10℃/min的升温速率升温至470℃，然后保温10min后拿出样品水淬，固溶处理完成。完成固溶处理后，待炉温降到室温再将样品重新放入炉腔，用氩气洗气，设置加热程序，同样以10℃/min的升温速率升温至150℃后，保温25h，拿出样品空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。在热处理的升温和保温过程中，全程需要通氩气进行气氛保护，以防止样品在高温下的氧化破坏。
本发明实施例3制备的CNTs/Al-Li高强复合材料粉末显微形貌如图4所示，增强相CNTs的加入量为1.5％，同时增强相CNTs和铝锂合金基体结合良好；利用阿基米德排水法测得CNTs/Al-Li高强复合材料的密度；使用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，试验力32.16N，保压时间为30s，测得布氏硬度；利用万能力学性能试验机测得抗拉强度；通过上述方法对本发明实施例3制备的CNTs/Al-Li高强复合材料的密度、硬度、抗拉强度进行检测，得到其密度为2.644g/cm3、硬度为196.3HV、抗拉强度为534.9MPa。
实施例4
本发明提供一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1、制备均匀的CNTs溶液
称取60g2195合金粉末，合金粉末的粒径为325目(45 m)，称取磨球300g，大球240g，小球60g，即球料比为5：1，大小球比4：1。在干净的烧杯中加入60g异丙醇溶液，称1.2g的两性离子分散剂(十二烷基二甲基胺乙内酯)，加入到异丙醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌10min，让分散剂充分溶解后，称取质量分数为1.2g的CNTs，CNTs为多壁型CNTs，管径约为30-50nm，将CNTs加入到分散好的溶液中，用保鲜膜密封烧杯口，防止溶液挥发，再将溶液放入超声机中，以40KHz的超声频率，超声振动1h，结束后将溶液转入振动混粉机专用瓶子，同时加入10颗直径为10mm的ZrO2磨球，安装到振动混粉机上，以振动频率40Hz振动30min得到的溶液即为均匀的CNTs溶液。
步骤2、湿法球磨
将步骤1所制均匀的CNTs溶液和2195合金粉末一起加入球磨罐，球磨罐为ZrO2材质，球磨罐的直径为120mm，随后加入300gZrO2磨球，大小球比为4：1，即大球240g，小球60g。对球磨罐密封并且通入氩气进行气氛保护，防止在球磨过程中氧化样品。将球磨罐安装至球磨机上，设置球磨参数，球磨转速为200r/min，球磨时间为4h，运行方式为正转10min—暂停10min—反转10min。球磨结束后静置20min，用胶头滴管吸取上层包含剩余CNTs的悬浮溶液。将球磨后的浆料取出放于培养皿中，将培养皿放于真空烘箱中，对真空烘箱用氩气洗气，使真空烘箱中完全处于氩气气氛状态，设置烘干温度为80℃，定时烘干2h。烘干完成后取出粉末，放于筛分网中进行筛取，取出磨球后剩余的粉末即为预制粉末。
步骤3、快速热压烧结
将步骤2得到的球磨粉末，利用快速热压烧结炉进行坯体烧结。具体为按照Φ40直径的烧结模具裁取石墨纸，并铺于石墨模具中，将步骤二粉末倒入石墨模具中，垫上石墨纸用压头压紧，再用手动液压机进行预压，压力为10MPa，保压时间为1min。粉末装进石墨模具后，安装在快速热压烧结炉上。设置烧结程序，具体过程为，1min内将压力升至40MPa后保持，再
以100℃/min的升温速率升温至470℃，调整升温速率为20℃/min升温至530℃，保温30min后随炉冷却，得到直径40mm，高15mm的圆柱状烧结坯体。
步骤4、热挤压
设置马弗炉温度控制器，按10℃/min升温速率升温至370℃后，将烧结坯体放入做挤压前的预热，预热时长为20min，与此同时将挤压模具的温度利用加热套也提前加热至300℃以上，预热完成后迅速将烧结坯体放入挤压模具中，以3mm/s的挤压速度进行挤压，得到挤压态的复合型材。挤压的型材去掉100mm的料头和料尾，中间部位即为预制型材。
步骤5、热处理
此步骤包括固溶处理和时效处理两部分，热处理用的是真空气氛炉。具体操作为：将步骤4中得到的型材截取适量的长度，放入真空气氛炉中，用氩气对炉腔洗气，氩气作为保护气氛，防止在加热的过程中样品氧化。设置加热程序，首先以10℃/min的升温速率升温至470℃，然后保温30min后拿出样品水淬，固溶处理完成。完成固溶处理后，待炉温降到室温再将样品重新放入炉腔，用氩气洗气，设置加热程序，同样以10℃/min的升温速率升温至150℃后，保温25h，拿出样品空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。在热处理的升温和保温过程中，全程需要通氩气进行气氛保护，以防止样品在高温下的氧化破坏。
本发明实施例4制备的CNTs/Al-Li高强复合材料粉末显微形貌如图5所示，增强相CNTs的加入量为2％，同时增强相CNTs和铝锂合金基体结合良好；利用阿基米德排水法测得CNTs/Al-Li高强合金的密度；使用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，试验力32.16N，保压时间为30s，测得布氏硬度；利用万能力学性能试验机测得抗拉强度；通过上述方法对本发明实施例4制备的CNTs/Al-Li高强复合材料的密度、硬度、抗拉强度进行检测，得到其密度为2.636g/cm3、硬度为156.2HV、抗拉强度为446.3MPa。
下面通过试验对本发明制备高强复合材料的性能进行进一步说明。
取四种样品：
(一)本发明实施例1制备的CNTs/Al-Li高强复合材料，为样品1；
(二)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取CNTs质量为0.6g、步骤2中加入磨球的数量为7颗以及步骤3中球磨结束后静置时间为15min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的CNTs/Al-Li高强复合材料为样品2；
(三)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取CNTs质量为0.9g、步骤2中加入磨球的数量为8颗以及步骤3中球磨结束后静置时间为18min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的CNTs/Al-Li高强复合材料为样品3；
(四)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取CNTs质量为1.2g、步骤2中加入磨球的数量为10颗以及步骤3中球磨结束后静置时间为20min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的CNTs/Al-Li高强复合材料为样品4；
采用阿基米德排水法测得高强合金的密度；使用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，试验力32.16N，保压时间为30s，测得布氏硬度；利用万能力学性能试验机测得抗拉强度。对上述四种样品的密度、硬度、抗拉强度进行检测，检测结果如下：
Figure GDA0003547991940000171
从表中可以看出，随着CNTs的含量提升，密度呈下降趋势，一方面是由于CNTs的密度比Al-Li合金更低，另一方面则是由于含量过高后CNTS团聚导致烧结性变差，这也是抗拉强度降低的原因。相比较而言，硬度先提高后降低，则是由于复合材料在压缩和拉伸过程中的变形行为不同造成的。最终优选出样品1为本次实验的最佳结果，当CNTs的含量为0.5％时，力学性能达到最佳。

Claims (3)

1.一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取异丙醇溶液、两性离子分散剂、2195合金粉末、多壁型CNTs以及氧化锆磨球，将异丙醇溶液和两性离子分散剂加入容器中使用磁力搅拌器搅拌10-15min混合，然后加入多壁型CNTs并于超声频率为39-45KHz，时间为0.5-1h进行超声分散，最后置于振动混粉机中于40-50Hz振动频率混合0.5-1h得到CNTs溶液；
所述称取的多壁型CNTs、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为0.5-1.5:0.1-2:100-200，异丙醇溶液与2195合金粉末的质量比为1-1.5:1，氧化锆磨球与2195合金粉末的质量比为5-10:1；
步骤2、将步骤1称取的2195合金粉末和氧化锆磨球以及步骤1得到的CNTs溶液加入球磨罐中进行球磨，球磨后静置，然后去除悬浮溶液后进行干燥得到预制粉末B；
其中，球磨的条件为：球磨转速为200-300r/min，时间为2-4h，球磨的运行过程为先正转10min，暂停10min，然后再反转10min；静置时间为10-20min，干燥温度为75-80℃，时间为60-240min，干燥处于氩气气氛保护中；
步骤3、将步骤2得到的预制粉末B先进行预压得到预压坯体，然后采用快速热压烧结炉进行烧结，得到复合材料C；
步骤4、先采用马弗炉对步骤3得到的复合材料C进行预热，然后采用挤压机对预热后的复合材料C进行挤压得到挤压态的复合型材D；
步骤5、对复合型材D进行固溶处理和时效处理得到CNTs/Al-Li高强复合材料；
具体为，将步骤4中得到的复合型材D放入真空气氛炉中，以10-20℃/min的升温速率升温至440-470℃，保温0-10min后取出型材进行水淬，待炉温降到室温再将型材重新放入炉腔，以10-20℃/min的升温速率升温至130-190℃后，保温25-30h，拿出型材空冷，即得到CNTs/Al-Li高强复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中预压压力为8-12MPa，时间为1-2min，烧结过程真空度为0-10Pa，压力为30-50MPa，烧结先以100℃/min的升温速率升温，升至430-470℃后，再以20℃/min的升温速率升温，升至530-570℃后，保温时间30-60min，最后随炉冷却得到复合材料C。
3.根据权利要求1所述的一种CNTs/Al-Li高强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中预热的升温速率为10-15℃/min，升温至370-430℃，保温15-25min，将挤压机的挤压模具升温至270-300℃，挤压速率为3-5mm/s，挤压比为33：1。
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