CN108315615B - 一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型铝基合金的粉末冶金制备技术，具体涉及一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al‑Cu‑Mg合金及其制备方法。所述稀土元素氧化物分布于Al‑Cu‑Mg合金基体中；所述纳米级别的稀土氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al‑Cu‑Mg合金总质量的0.001‑1％。其制备方法为：按设计组分配取各原料；混合均匀后得到备用料；通过压制方式，将备用料制成压坯；在保护气氛下，对步骤二所得压坯进行烧结，得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al‑Cu‑Mg合金；所述烧结的温度为625‑675℃。本发明通过添加微量的稀土元素氧化物，有效改善铝合金的组织结构，明显提高其力学性能，可进/一步拓宽铝合金的应用领域。

Description

一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种铝基合金的粉末冶金制备技术，具体涉及一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年里，随着能源和环境危机的日益严重促进了结构的轻量化发展，以轻质高强的材料在各种结构中代替传统材料已经成为不可避免的趋势。铝及其合金具有低密度、高比强和高比刚度等优良特性，是目前民用交通运输、航空航天等领域应用最多的轻质金属材料。

近年来，为了进一步改善铝合金的应用性能，通过加入其它元素对其进行组元强化，以期进一步提高其应用性能。稀土元素由于其微量就可以改善材料性能受到广泛的关注。稀土元素非常活泼，极易与气体(如氢)、非金属(如硫)及金属作用，生成相应的稳定化合物。一般认为，稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用，此外，它与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，故它有一定的除氢、精炼、净化作用，同时，稀土元素化学活性极强，它可以在长大的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，结果导致晶粒细化，有变质的作用。以往国内对稀土铝合金的研究主要集中在La、Ce、Y及混合稀土在铸造铝及其合金中的作用和机理方面，而对稀土元素在粉末冶金铝合金中的作用效果研究较少。

综上所述，稀土元素在粉末冶金技术中的作用规律研究较少，相关机理理论尚未成熟，而由于粉末冶金技术具有的渐进成形特点，在特定的领域具有广阔的应用前景，研究稀土元素在粉末冶金铝合金中的作用很有必要，因此，本领域急切需要研究一种新的粉末冶金稀土铝合金的制备技术，进一步开发的铝基合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铝合金结构和粉末冶金制备技术的不足，提供一种高强的稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金及其制备方法。

本发明首次实现了通过粉末冶金法直接将稀土氧化添加进Al-Cu-Mg合金粉末中；得到了性能优异的稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金。

本发明制备工艺简单，操作灵活，优化效果明显，节约能源等特点。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，所述稀土元素氧化物分布于 Al-Cu-Mg合金基体中；所述纳米级别的稀土氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.001-1％。在本发明中，即使稀土元素氧化物有团聚现象，其团聚后的颗粒分布于Al-Cu-Mg合金基体时，其粒径小于1微米。

作为优选，本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，所述稀土元素氧化物均匀分布于Al-Cu-Mg合金基体中；所述纳米级别的稀土氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.1-0.6％，进一步优选为0.15-0.4wt.％。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，所述Al-Cu-Mg合金基体以质量百分比计，包括下述组分：

Cu:3.8％-4.9％，

Mg:1.2％-1.8％，

Mn:0.30％-1.0％，

铝Al:余量。

作为优选，本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，所述Al-Cu-Mg合金基体以质量百分比计，包括下述组分：

Cu:3.8％-4.9％，

Mg:1.2％-1.8％，

Mn:0.30％-1.0％，

Si：0.5％，

Fe：0.5％，

Cr:0.10％，

Zn:0.25％，

铝Al:余量。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，所述稀土元素氧化物选自 Y₂O₃、CeO₂、La₂O₃中的至少一种。优选CeO₂或CeO₂与Y₂O₃、La₂O₃中的至少一种所组成的混合物。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

按设计组分配取Cu源、Mg源、Mn源、Cr源、Zn源、铝源、纳米级稀土元素氧化物或纳米级稀土元素氧化物和纳米级稀土组成的混合物；将配取的各原料混合均匀后得到备用料；

步骤二

通过压制方式，将备用料制成压坯；

步骤三

在保护气氛下，对步骤二所得压坯进行烧结，得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；所述烧结的温度为625-675℃。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，步骤一中，将各原料粉末按照要求配取并置于气氛保护的球磨罐中，后置于相应的三维混料机或者V型混料机中，以20-40r/min的转速，混料时间180-720min，球料比5:1-10:1；得到混合均匀的备用料。在工业化应用时，除稀土元素氧化物外，其他各原料以粉末态配取；其粒径优选为8-15μm，且球形度大于等于90％。在本发明中，混料时间太短和/或者混料速度太低，均导致纳米级别的稀土元素氧化分布不均匀。混料时间过长和/或者混料速度过高，将导致原来料的球形度得不到控制，很容易在压制成型过程中，出现压坯分层、开裂的情况。同时烧结时，极易出现裂纹。进而影响产品的力学性能。

在工业化应用时，在保护气氛下，将各原料粉末置于60-80℃烘干至少4小时、优选为 4-6小时，确保各原料粉末表面不允许出现羟基。为了防止原料吸收空气中的水以及氧气，一旦有羟基和/或吸氧后，纳米级别的稀土氧化物极易在羟基位或氧化位出现大于1微米的团聚；热处理后，在手套箱中装料后，在保护气氛中进行混料；所述保护气氛选自氩气、氮气中的至少一种。

在工业化应用时，纳米级稀土元素氧化物的粒径为10-200nm、优选为10-100nm。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，步骤二中，压制时，控制成形压力为150-400MPa、优选为200-300MPa，保压时间为5-30s、优选15-30s。

作为优选，一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，采用模压成形的工艺进行压制成型，成形压力150-300MPa，保压时间5-30s，保压完成后采用正向脱模方式得到成形坯体。模压成形的内壁均匀涂有润滑剂，所述润滑剂优选为硬脂酸锌。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，步骤三中，在保护气氛下，首先采用5-15℃/min的升温速率升温至280-320℃，保温15-60min，然后以5-15℃ /min的升温速率升温至625-675℃，保温120-240min，保温过程中加载0-10MPa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃保温，保温后随炉冷却至室温；得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，步骤三中，所述保护气氛为真空气氛，所述真空气氛的真空度为1×10^-2～1×10^-6Pa。

本发明一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的制备方法，当所述Cu源、 Mg源、Mn源、Cr源、Zn源、铝源由2A12铝合金粉末提供，所述2A12铝合金粉末的粒度为8-15微米时；

当所述纳米级稀土元素氧化物为纳米级CeO₂粉末时；

按稀土元素氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.2％配置；

压制成型得到压坯后，在保护气氛下，将压坯置于烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至650℃并保温240min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；所得稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的抗拉强度为236MPa。

本发明烧结后所得产品可进行热处理；在相同的热处理制度下；本发明所得产品与热处理后的铸态产品相比较，抗拉强度有一定的提升，这超出了当时实验的预计。

采用本发明所设计的工艺技术，所制备得到的稀土铝合金组织形貌较好，稀土氧化物组元分布均匀，可以明显改善材料的力学性能，本发明可以适用于任何尺寸和厚度的粉末冶金稀土铝合金的制备，可进一步扩展材料的应用途径。

优势

一、本发明可以通过控制稀土氧化物含量制备得到高性能的稀土铝合金；

二、本发明通过稀土氧化物的添加可以有效改善铝合金的组织结构，明显提高其力学性能；

三、本发明制备工艺简单、操作灵活，适用于任何尺寸和厚度的粉末冶金稀土铝合金的制备。

综上，本发明采用粉末冶金技术，通过稀土氧化物的添加进一步改善了铝基合金的应用性能，并有效的降低了制备工艺流程，可以适用于任何尺寸和厚度的粉末冶金稀土铝合金的制备，相关研究理论也可以扩展到其他的粉末冶金材料中。本发明制备工艺简单，容易操作，工业化投产的可行性较高。

附图说明

图1为本发明实施例所用原料铝合金粉末和稀土氧化物CeO₂的扫描电镜照片。

图2为实施例1中制备得到的不同含量CeO₂的稀土铝合金微观组织照片。

图3为实施例1中制备得到的不同含量CeO₂的稀土铝合金的力学性能。

图4为实施例2中制备得到的不同含量Y₂O₃的稀土铝合金的力学性能。

图1中，a为原料铝合金粉末的扫描电镜照片、b为所用原料稀土氧化物CeO₂的扫描电镜照片；从图1可以看出本发明实施例所用铝合金粉末的粒径分布为8-15μm，且球形度在90％以上，稀土氧化物为纳米级的粉末。

图2中a为不含CeO₂的稀土铝合金微观组织照片，b为CeO₂含量为0.2％的稀土铝合金微观组织照片，c为CeO₂含量为0.6％的稀土铝合金微观组织照片；从图2可以看出本发明实施例1所制备得到的稀土铝合金中，随着CeO₂含量的增加，白色析出相明显增多。

从图3可以看出本发明实施例1所制备得到的稀土铝合金中，随着CeO₂含量的增加，铝合金的拉伸性能先增大后减小，在0.2wt.％达到最大值，提高了23％。

从图4可以看出本发明实施例2所制备得到的稀土铝合金中，随着Y₂O₃含量的增加，铝合金的拉伸性能先增大后减小，在0.2wt.％达到最大值，提高了8％左右。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法作进一步的说明。

实施例1

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的2A12铝合金粉末(球形度大于90％)和CeO₂粉末(粒径为90-100nm)在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：混合；将2A12粉末和CeO₂粉末按照一定配比进行配备，CeO₂的含量分别为0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1wt.％，然后在三维混料机中混合3h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：成形；将步骤2得到的复合粉末在模腔中铺设平整，在200MPa进行预制坯体的成形，保压20s，制备得到不同含量稀土铝合金的预制坯体。

步骤4：烧结：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至650℃并保温180min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土铝合金样品的烧结坯体。

对本实施方式所得稀土铝合金样品进行性能测定，样品总厚度2mm，拉伸强度均有明显提升，在0.2wt.％时达到了218MPa，和未添加相比提升了20％以上。

实施例2

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的2A12铝合金粉末(球形度大于90％)和Y₂O₃粉末(粒径为50-75nm)在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：混合；将2A12粉末和Y₂O₃粉末按照一定配比进行配备，Y₂O₃的含量分别为0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1wt.％，然后在三维混料机中混合3h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：成形；将步骤2得到的复合粉末在模腔中铺设平整，在200MPa进行预制坯体的成形，保压20s，制备得到不同含量稀土铝合金的预制坯体。

步骤4：烧结：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至 650℃并保温180min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土铝合金样品的烧结坯体。

对本实施方式所得稀土铝合金样品进行性能测定，样品总厚度2mm，拉伸强度均有明显提升，在0.2wt.％时达到了188MPa，和未添加相比提升了8％左右。

实施例3

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的2A12铝合金粉末(球形度大于90％)和CeO₂粉末(粒径为90-100nm)在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：混合；将2A12粉末和CeO₂粉末按照一定配比进行配备，CeO₂的含量分别为0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1wt.％，然后在三维混料机中混合3h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：成形；将步骤2得到的复合粉末在模腔中铺设平整，在200MPa进行预制坯体的成形，保压30s，制备得到不同含量稀土铝合金的预制坯体。

步骤4：烧结：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至 650℃并保温240min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土铝合金样品的烧结坯体。

对本实施方式所得稀土铝合金样品进行性能测定，样品总厚度2mm，拉伸强度均有明显提升，在0.2wt.％时达到了236MPa，和未添加相比提升了32.6％。

实施例4

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的2A12铝合金粉末(球形度大于90％)和CeO₂粉末(粒径为90-100nm)在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：混合；将2A12粉末和CeO₂粉末按照一定配比进行配备，CeO₂的含量分别为0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1wt.％，然后在三维混料机中混合3h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：成形；将步骤2得到的复合粉末在模腔中铺设平整，在200MPa进行预制坯体的成形，保压30s，制备得到不同含量稀土铝合金的预制坯体。

步骤4：烧结：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至 670℃并保温240min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土铝合金样品的烧结坯体。

对本实施方式所得稀土铝合金样品进行性能测定，样品总厚度2mm，拉伸强度均有明显提升，在0.2wt.％时达到了212MPa，和未添加相比提升了20％。比较实施例1、3、4可以看出，即使选择纳米级CeO₂粉末；但在各条件参数的协同作用下，所得产品的性能还是有比较大的差距；具体表现为实施例3所得产品性能最为优越。

对比例1

其他条件均与实施例1和实施例2保持一致，采用不添加稀土氧化物的铝基粉末替代稀土铝合金复合粉末，得到的样品拉伸性能为178MPa。

对比例2

其他条件均与实施例3保持一致，采用不添加稀土氧化物的铝基粉末替代稀土铝合金复合粉末，得到的样品拉伸性能为191MPa。

对比例3

其他条件均与实施例4保持一致，采用不添加稀土氧化物的铝基粉末替代稀土铝合金复合粉末，得到的样品拉伸性能为172MPa。

对比例4

采用0.2wt％稀土元素替代0.2wt％稀土元素氧化物；其他参数和实施例3一致；所得样品的拉伸性能为197MPa。

对比例5

以2A12铝合金为基体，按2A12铝合金为基体进行配料；尝试了采用熔铸的方式制备，在熔铸过程中引入稀土元素氧化物(量和实施例3中0.2wt％一致)；但成品中稀土元素氧化物几乎不存在，稀土元素此时以零价的形式存在于产品中。且熔铸态所得产品的拉伸强度仅为188MPa。

以实施例3所得产物和对比例5所得产物进行相同制度的热处理；发现实施例3所得产物经热处理后，抗拉强度为对比例5所得产物(热处理后的)1.12倍以上。

Claims (6)

1.一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，其特征在于：所述稀土元素氧化物分布于Al-Cu-Mg合金基体中；所述稀土氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.001-1%；

所述Al-Cu-Mg合金基体以质量百分比计，包括下述组分：

Cu:3.8%-4.9 %，

Mg:1.2%-1.8%，

Mn:0.30%-1.0 %，

铝Al:余量；

所述稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金由下述步骤制备：

步骤一

按设计组分配取Cu源、Mg源、Mn源、铝源、纳米级稀土元素氧化物或纳米级稀土元素氧化物和纳米级稀土组成的混合物；将各原料粉末按照要求配取并置于气氛保护的球磨罐中，后置于相应的三维混料机或者V型混料机中，以20-40r/min的转速，混料时间180-720min，球料比5:1-10:1；得到混合均匀的备用料；

步骤一中，除稀土元素氧化物外，其他各原料以粉末态配取；其粒径为8-15μm，且球形度大于等于90%；

步骤二

通过压制方式，将备用料制成压坯；

步骤三

在保护气氛下，首先采用5-15℃/min的升温速率升温至280-320℃，保温15-60min，然后以5-15℃/min的升温速率升温至625-675℃，保温120-240min，保温过程中加载0-10MPa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃保温，保温后随炉冷却至室温；得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金。

2.根据权利要求1所述的一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，其特征在于：所述稀土元素氧化物均匀分布于Al-Cu-Mg合金基体中；所述纳米级别的稀土氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.1-0.6%。

3.根据权利要求1所述的一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金，其特征在于：所述稀土元素氧化物选自Y₂O₃、CeO₂、La₂O₃中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；其特征在于：步骤二中，压制时，控制成形压力为150-400MPa，保压时间为15-30s。

5.根据权利要求1所述的一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；其特征在于：步骤三中，所述保护气氛为真空气氛，所述真空气氛的真空度为1×10^-2~1×10^-6Pa。

6.根据权利要求1所述的一种稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；其特征在于：

当所述Cu源、Mg源、Mn源、铝源由2A12铝合金粉末提供，所述2A12铝合金粉末的粒度为8-15微米时；

当所述纳米级稀土元素氧化物为纳米级CeO₂粉末时；

按稀土元素氧化物占稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金总质量的0.2%配置；

压制成型得到压坯后，在保护气氛下，将压坯置于烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至650℃并保温240min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金；所得稀土元素氧化物强化粉末冶金Al-Cu-Mg合金的抗拉强度为236MPa。