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CN117344172A - 一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法 - Google Patents

一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法 Download PDF

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CN117344172A
CN117344172A CN202311160633.4A CN202311160633A CN117344172A CN 117344172 A CN117344172 A CN 117344172A CN 202311160633 A CN202311160633 A CN 202311160633A CN 117344172 A CN117344172 A CN 117344172A
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苏国平
李杨
韩未豪
杨芳
郭志猛
王海英
苏国军
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Altay Xinhe Materials Co ltd
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Abstract

本发明提供一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，涉及粉末冶金制备铝合金的技术领域。所述方法包括金属硫化物纳米粉末制备、复合粉末制备、压制生坯、烧结、热处理的短流程工艺步骤，其中的金属硫化物纳米粉末镶嵌在铝合金粉末表面，烧结过程中与铝合金粉末表面的致密氧化膜发生反应，使氧化膜由连续分布状态转变成几个纳米尺度的氧化铝颗粒。本发明方法相对于其他传统方法，通过少量金属硫化物纳米粉末在铝合金粉末的添加，创造性不通过机械研磨来破坏铝合金粉末表面的氧化膜，避免了机械研磨的技术缺陷，能够在铝合金粉末表面生成纳米氧化铝颗粒，烧结致密化，改善强塑性，工艺流程短，成本低、效率高，利于工业大规模生产和推广使用。

Description

一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金制备铝合金的技术领域，尤其涉及一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法。
背景技术
高强铝合金具有轻质、高强度、高断裂韧性、抗应力腐蚀等优异性能，广泛应用于航空航天、国防军工、轨道交通、新能源等领域。熔铸高强铝合金存在铸造组织粗大、合金元素偏析、高残余应力导致开裂等问题，难以生产大尺寸的高强铝合金铸锭。
粉末冶金作为一种短流程、近净成形技术，具有小尺寸到大规格、简单形状到复杂结构的多维度制造优势，同时粉末冶金具有晶粒细小，开裂倾向小等特点，可进一步提高高强铝合金坯锭的性能和成品率。但铝粉表面极易生成氧化膜，阻碍传质，从而阻碍铝合金粉末的烧结致密化。
为解决氧化膜阻碍铝合金粉末烧结致密化的问题，国内外开展了大量研究。为了破坏氧化膜，利用球磨来破碎粉末表面氧化膜，但粉末表面很快又会生成一层新的氧化膜，同时球磨等表面处理方法会对粉末表面粗糙度、微硬度、残余应力及抗疲劳性能产生影响。利用活性元素将残余和新生成氧化铝还原，其中较为理想的是镁，但镁粉本身增加含氧量，加上元素扩散产生的Kirkendall效应，会不能实现全致密化烧结。
中国专利CN104999074A公开了一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，其是采用无水乙醇作为溶剂配置浓度一定的氧化硼溶液，向溶液中加入一定质量的铝合金粉，搅拌均匀，经过干燥后得到表面改性的铝合金粉，之后成形、烧结工艺制备；虽然能够提高致密度，但是不能够达到全致密，且高温下氧化硼能够与几乎所有的金属氧化物发生化学反应形成硼玻璃。
中国专利CN106670467A公开了一种快速凝固粉末冶金高硅铝合金脱皮热挤压的制备方法，通过雾化制粉、过筛、包套、脱皮热挤压、机加工、固溶、时效得到成品高硅铝合金，其中不仅硅含量非常高，而且工序复杂，真空除气过程操作难度大，成本高、效率低，制备所得为高硅铝合金棒材，并不能够适合粉末冶金的尺寸和形状。
中国专利CN111906314A公开了一种同步提升粉末冶金材料致密度和延伸率的方法，其是通过将原料粉末压制成形，得到压坯；将所得压坯装入石墨模具中并一同放入热压炉内，保持炉膛的真空状态，然后采用低温高压+高温低压的烧结方式烧结，得到成品；其中的分段加压烧结方式并未解决氧化膜阻碍铝合金粉末烧结致密化的问题，之后还是可能出现阻碍传质的问题；且所制备的铝合金拉伸强度相对较低，塑性相对较高。
中国专利CN113684391A公开了一种高性能铝合金及其复合材料的制备方法，需要通过旋锻致密化与强韧化，然而所制备的材料尺寸和形状受限，需要增强体粉末的高成本添加，混合粉末并未经过热处理和烧结处理，而是直接进行机加工，是通过物理方式来破坏铝合金粉末表面的氧化膜，然而破坏后又会生成新的氧化膜，且破坏后铝合金粉末的表面性能受到硬性，最终制备的铝合金残余应力和疲劳性能较差。
因此，亟需开发一种在保证粉末冶金铝合金强塑性能基础上实现铝合金粉末烧结全致密化的先进技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是当前粉末冶金铝合金由于铝合金粉末表面的氧化膜所导致的致密度、强度和塑性不能协同提高，且现有的机械研磨破坏氧化膜存在破坏后新生成、对粉末表面粗糙度、微硬度、残余应力及抗疲劳性能产生影响；或者是通过机械破坏氧化膜和添加活性元素无法获得全致密粉末冶金烧结铝合金的技术缺陷；或者是通过物理化学方法来破坏氧化膜中存在的工序复杂、操作难度大、成本高、效率低等技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
通过低温液相快速反应法制备高纯金属硫化物纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的高纯金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末进行干式机械混合，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过模压或冷等静压成形，得到压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯进行全致密无压烧结，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行热处理，得到高性能粉末冶金铝合金。
优选地，S1中低温液相快速反应法为将单质硫粉溶解于二硫化碳中，再将金属纳米粉末置于上述溶有硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在20-50℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒。
优选地，S1中金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心、干燥得到金属硫化物纳米粉末。
优选地，S1中的金属纳米粉末为W、Mo、Mn、Cu、Zn、Sn、Sb、In中的一种或几种，平均粒径为10-100nm。
优选地，S2中金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末以质量比1:1000-1:100配备。
优选地，S2中铝合金粉末为气雾化粉末、空气雾化粉末、水雾化粉末、水气联合雾化粉末、机械合金化粉末中的一种或几种，平均粒径为2-150μm，粉末表面氧化膜厚度为3-20nm。
优选地，S2中干式机械混合为滚动球磨、行星球磨、搅拌球磨、振动球磨、V型混料、三维混料中的一种或几种，混合时间为2-48h，球料比为1:1-20:1，混合气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
优选地，S3中模压或冷等静压成形压力为100-500MPa，保压时间为10-300s。
优选地，S4中全致密无压烧结为真空烧结、气氛保护烧结中的一种或多种，烧结温度为450-630℃，保温时间为0.5-5h，真空度为10-3-10-1Pa，气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
优选地，S5中热处理为450-550℃固溶0.5-5h，水淬，之后在120-190℃下时效8-24h。
优选地，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，7xxx系合金的抗拉强度为508-653MPa，屈服强度为425-594MPa，延伸率为4-8％；2xxx系合金的抗拉强度为310-488MPa，屈服强度为245-429MPa，延伸率为5-8％。
本发明的技术原理：
首先采用低温液相快速反应法制备出高纯金属硫化物纳米粉末，将铝合金粉末与纳米金属硫化物粉末以一定比例混合均匀，得到复合粉体，随后进行压制成形、无压烧结得到全致密、高性能粉末冶金铝合金。金属硫化物纳米粉末镶嵌在铝合金粉末表面，烧结过程中与铝合金粉末表面的致密氧化膜发生反应，使氧化膜由连续分布状态转变成几个纳米尺度的氧化铝颗粒，变害为利，形成弥散分布的强化相，同时打开铝基体烧结传质通道，提高铝合金的烧结密度，从而获得高性能粉末冶金铝合金。
其中，金属硫化物纳米粉末是实现铝合金粉末烧结全致密化的核心添加剂，金属硫化物粉末的纳米尺寸是重要前提，其合成工艺参数决定了硫化物粉末的粒径，必须严格控制硫与金属纳米粉末的反应温度，才能调控合成金属硫化物纳米粉末。温度偏低，反应合成速率较慢，影响制备效率；温度偏高，合成的纳米粉末会发生团聚，导致粉末粒径长大，可能形成大颗粒夹杂，会降低烧结铝合金的力学性能。
其中，无压烧结温度、时间、气氛是保证实现连续分布的氧化膜转变成弥散分布的纳米氧化铝颗粒的重要工艺条件，只有掌握合适的无压烧结工艺参数，才能精准调控氧化铝颗粒的尺寸和空间分布，起到阻碍晶粒长大的作用，提高基体室温和高温强度，改善合金的塑韧性。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，本发明提出了一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，可以解决现有技术中冶金铝合金氧化膜降低烧结致密度和性能的问题，使得合金的致密度、强度和塑性在室温和高温都能够得到显著提高。
本发明通过在铝合金粉末中加入少量金属硫化物纳米粉末，利用烧结过程硫元素来打破铝合金粉末表面氧化膜的连续分布，从而在铝合金粉末表面形成弥散分布的纳米氧化铝颗粒。
本发明的方法并不需要机械研磨破坏铝合金粉末表面的氧化膜，而是金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末的连续氧化膜反应生成粘附在其表面的纳米氧化铝颗粒，打开铝基体的烧结传质通道，促进烧结致密化，同时纳米氧化铝颗粒能够起弥散强化作用，进一步提升烧结铝合金的强度，改善塑韧性。
本发明通过无压烧结，简化了制备工艺，流程短，生产效率高，可实现大规模工业化生产，尤其在制造复杂形状、大尺寸、高强铝合金制品方面独具优势，在航空航天、国防军工、轨道交通等领域有重要应用前景。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过少量金属硫化物纳米粉末在铝合金粉末的添加，创造性不通过机械研磨来破坏铝合金粉末表面的氧化膜，避免了机械研磨的技术缺陷，能够在铝合金粉末表面生成纳米氧化铝颗粒，烧结致密化，改善强塑性，工艺流程短，成本低、效率高，利于工业大规模生产和推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备7075铝合金材料的应力-应变曲线图；
图2为本发明实施例2的一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备7055铝合金材料的应力-应变曲线图；
图3为本发明实施例3的一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备2014铝合金材料的应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种提高粉末冶金7075铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金7075铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将10g单质硫粉溶解于200ml二硫化碳溶液中，在20℃下磁力搅拌1h，得到混合均匀的含硫的二硫化碳溶液；再将4g平均粒径为100nm的Cu金属纳米粉末置于前述含硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在20℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心清洗，将清洗后的产物放置于真空干燥箱中，在60℃下真空干燥处理2h以完全去除二硫化碳液体，得到硫化铜纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的硫化铜纳米粉末与7075铝合金粉末以质量比1:500配备进行滚动球磨，转速为300r/min，混合时间为24h，球料比为1:1，混合气氛为氩气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：7075铝合金粉末为气雾化粉末、空气雾化粉末、水雾化粉末、水气联合雾化粉末、机械合金化粉末中的一种或几种，平均粒径为36μm，粉末表面氧化膜厚度为12nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过冷等静压成形，需要将复合粉末放入硅胶包套中振实，将包套密封放入冷等静压机中，在200MPa的压力下保压90s，制得直径600mm、高度为800mm的压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯，放入真空烧结炉中，首先在350℃下保温2h，使硫化铜纳米粉末与7075铝合金粉末表面充分反应，之后以5℃/min的速率升至烧结温度580℃，真空度为10- 2Pa，保温时间3h，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行470℃固溶2h，水淬，之后在120℃下时效24h；得到高性能粉末冶金7075铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金7075铝合金，如图1所示，抗拉强度为512MPa，屈服强度为436MPa，延伸率为5.4％。
实施例2
一种提高粉末冶金7055铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金7055铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将10g单质硫粉溶解于200ml二硫化碳溶液中，在40℃下磁力搅拌1h，得到混合均匀的含硫的二硫化碳溶液；再将5g平均粒径为30nm的Zn金属纳米粉末置于前述含硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与Zn金属纳米粉末在40℃发生快速反应生成Zn金属硫化物纳米颗粒，Zn金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心清洗，将清洗后的产物放置于真空干燥箱中，在60℃下真空干燥处理2h以完全去除二硫化碳液体，得到硫化锌纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的硫化锌纳米粉末与7055铝合金粉末以质量比1:100配备进行振动球磨，混合时间为2h，球料比为20:1，混合气氛为氩气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：7055铝合金粉末为气雾化粉末、空气雾化粉末、水雾化粉末、水气联合雾化粉末、机械合金化粉末中的一种或几种，平均粒径为20μm，粉末表面氧化膜厚度为15nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过冷等静压成形，需要将复合粉末放入硅胶包套中振实，将包套密封放入冷等静压机中，在500MPa的压力下保压30s，制得500mm×400mm×60mm的压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯，放入真空烧结炉中，首先在450℃下保温2h，使硫化铜纳米粉末与7055铝合金粉末表面充分反应，之后以5℃/min的速率升至烧结温度630℃，保温时间0.5h，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行470℃固溶2h，水淬，之后在120℃下时效24h；得到高性能粉末冶金7055铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金7055铝合金，如图2所示，抗拉强度为569MPa，屈服强度为502MPa，延伸率为5.2％。
实施例3
一种提高粉末冶金2014铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金2014铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将20g单质硫粉溶解于300ml二硫化碳溶液中，在50℃下磁力搅拌1h，得到混合均匀的含硫的二硫化碳溶液；再将7g平均粒径为10nm的W金属纳米粉末置于前述含硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与W金属纳米粉末在50℃发生快速反应生成W金属硫化物纳米颗粒，W金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心清洗，将清洗后的产物放置于真空干燥箱中，在60℃下真空干燥处理2h以完全去除二硫化碳液体，得到硫化钨纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的硫化钨纳米粉末与2014铝合金粉末以质量比1:1000配备进行三维混料机混合，混合时间为48h，混合气氛为氮气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：2014铝合金粉末为空气雾化粉末，平均粒径为150μm，粉末表面氧化膜厚度为20nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过模压成形，需要将复合粉末放入钢模中，在100MPa的压力下保压300s，制得外轮廓直径50mm、高度28mm齿轮的压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯，放入氮气烧结炉中，首先在400℃下保温2h，使二硫化钨纳米粉末与2014铝合金粉末表面充分反应，之后以5℃/min的速率升至烧结温度600℃，保温时间5h，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行505℃固溶2h，水淬，之后在178℃下时效24h；得到高性能粉末冶金2014铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金2014铝合金，如图3所示，抗拉强度为387MPa，屈服强度为316MPa，延伸率为6.5％。
实施例4
一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将单质硫粉溶解于二硫化碳溶液中，再将平均粒径为30nm的Mo金属纳米粉末置于前述溶有硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在50℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心、干燥得到金属硫化物纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的高纯金属硫化物纳米粉末与2024铝合金粉末以质量比1:200配备进行搅拌球磨，混合时间为36h，球料比为10:1，混合气氛为氩气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：2024铝合金粉末为水雾化粉末，平均粒径为15μm，粉末表面氧化膜厚度为3nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过冷等静压成形，成形压力为200MPa，保压时间为200s，得到压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯进行真空烧结，烧结温度为590℃，保温时间为4h，真空度为10- 3Pa，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行490℃固溶0.5h，水淬，之后在190℃下时效10h，得到高性能粉末冶金铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金2024铝合金的抗拉强度为488MPa，屈服强度为429MPa，延伸率为5％。
实施例5
一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将单质硫粉溶解于二硫化碳溶液中，再将平均粒径为80nm的Mn金属纳米粉末置于前述溶有硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在40℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心、干燥得到金属硫化物纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的高纯金属硫化物纳米粉末与7050铝合金粉末以质量比1:400配备进行振动球磨，球磨时间为40h，球料比为10:1，保护气氛为氩气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：7050铝合金粉末为水气联合雾化粉末，平均粒径为2μm，粉末表面氧化膜厚度为8nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过模压成形，成形压力为400MPa，保压时间为40s，得到压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯进行氩气保护烧结，烧结温度为630℃，保温时间为2h，，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行485℃固溶1h，水淬，之后在125℃下时效18h，得到高性能粉末冶金铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金7050铝合金的抗拉强度549MPa，屈服强度为480MPa，延伸率为6.3％。
实施例6
一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
将单质硫粉溶解于二硫化碳溶液中，再将平均粒径为50nm的Sn金属纳米粉末置于前述溶有硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在20℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心、干燥得到金属硫化物纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的高纯金属硫化物纳米粉末与Al-11.5％Zn-3.4％Mg-1.7％Cu(质量分数)铝合金粉末以质量比1:100配备进行行星球磨，球磨时间为30h，球料比为10:1，保护气氛为氮气，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；其中：Al-11.5％Zn-3.4％Mg-1.7％Cu铝合金粉末为氮气雾化粉末，平均粒径为44μm，粉末表面氧化膜厚度为6nm；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过冷等静压成形，成形压力为300MPa，保压时间为120s，得到压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯进行真空烧结，烧结温度为550℃，保温时间为5h，真空度为10- 1Pa，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行485℃固溶5h，水淬，之后在120℃下时效24h，得到高性能粉末冶金铝合金。
本实施例所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法所制备高性能粉末冶金Al-11.5％Zn-3.4％Mg-1.7％Cu铝合金的抗拉强度为653MPa，屈服强度为594MPa，延伸率为4％。
上述方案，本发明提出了一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，可以解决现有技术中冶金铝合金氧化膜降低烧结致密度和性能的问题，使得合金的致密度、强度和塑性在室温和高温都能够得到显著提高。
本发明通过在铝合金粉末中加入少量金属硫化物纳米粉末，利用烧结过程硫元素来打破铝合金粉末表面氧化膜的连续分布，从而在铝合金粉末表面形成弥散分布的纳米氧化铝颗粒。
本发明的方法并不需要机械研磨破坏铝合金粉末表面的氧化膜，而是金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末的连续氧化膜反应生成粘附在其表面的纳米氧化铝颗粒，打开铝基体的烧结传质通道，促进烧结致密化，同时纳米氧化铝颗粒能够起弥散强化作用，进一步提升烧结铝合金的强度，改善塑韧性。
本发明通过无压烧结，简化了制备工艺，流程短，生产效率高，可实现大规模工业化生产，尤其在制造复杂形状、大尺寸、高强铝合金制品方面独具优势，在航空航天、国防军工、轨道交通等领域有重要应用前景。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过少量金属硫化物纳米粉末在铝合金粉末的添加，创造性不通过机械研磨来破坏铝合金粉末表面的氧化膜，避免了机械研磨的技术缺陷，能够在铝合金粉末表面生成纳米氧化铝颗粒，烧结致密化，改善强塑性，工艺流程短，成本低、效率高，利于工业大规模生产和推广使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，所述提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法包括以下工艺步骤：
S1、金属硫化物纳米粉末制备
通过低温液相快速反应法制备高纯金属硫化物纳米粉末；
S2、复合粉末制备
将S1的高纯金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末进行干式机械混合，得到金属硫化物纳米粉末包覆于铝合金粉末表面的复合粉末；
S3、压制生坯
将S2的复合粉末通过模压或冷等静压成形，得到压制生坯；
S4、烧结
将S3的压制生坯进行全致密无压烧结，得到全致密铝合金烧结坯锭；
S5、热处理
将S4的全致密铝合金烧结坯锭进行热处理，得到高性能粉末冶金铝合金。
2.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S1中低温液相快速反应法为将单质硫粉溶解于二硫化碳中，再将金属纳米粉末置于上述溶有硫的二硫化碳溶液中搅拌均匀，硫与金属纳米粉末在20-50℃发生快速反应生成金属硫化物纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S1中金属硫化物纳米颗粒悬浮于溶液中，之后需要经过超声搅拌、离心、干燥得到金属硫化物纳米粉末。
4.根据权利要求2所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S1中的金属纳米粉末为W、Mo、Mn、Cu、Zn、Sn、Sb、In中的一种或几种，平均粒径为10-100nm。
5.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S2中金属硫化物纳米粉末与铝合金粉末以质量比1:1000-1:100配备。
6.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S2中铝合金粉末为气雾化粉末、空气雾化粉末、水雾化粉末、水气联合雾化粉末、机械合金化粉末中的一种或几种，平均粒径为2-150μm，粉末表面氧化膜厚度为3-20nm。
7.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S2中干式机械混合为滚动球磨、行星球磨、搅拌球磨、振动球磨、V型混料、三维混料中的一种或几种，混合时间为2-48h，球料比为1:1-20:1，混合气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S3中模压或冷等静压成形压力为100-500MPa，保压时间为10-300s。
9.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S4中全致密无压烧结为真空烧结、气氛保护烧结中的一种或多种，烧结温度为450-630℃，保温时间为0.5-5h，真空度为10-3-10-1Pa，气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
10.根据权利要求1所述的提高粉末冶金铝合金烧结密度和性能的方法，其特征在于，S5中热处理为450-550℃固溶0.5-5h，水淬，之后在120-190℃下时效8-24h。
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