CN108796399B - 一种具有高抗冲击性能的金属合金及其制备方法 - Google Patents

一种具有高抗冲击性能的金属合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高抗冲击性能的金属合金，属于金属材料技术领域，由以下质量百分比的原料制成：Cu 3‑5％、Ni 2‑2.5％、V 1.2‑1.6％、萤石粉0.6‑0.9％、Mg 0.4‑0.6％、改性碳纤维0.5‑0.7％、纳米氮化硼0.9‑1.5％、Ce 0.1‑0.3％、余量为铝，所述改性碳纤维通过溶胶‑凝胶法在碳纤维表面负载铝金属氧化物制备而成，改性碳纤维可以改善碳纤维与基体的界面问题；本发明还提供了上述金属合金的制备方法，包括有深冷处理工艺和最后的激光冲击处理工艺，通过该工艺可以使金属合金组织致密，从而提高金属合金的硬度和抗冲击性能。

Description

一种具有高抗冲击性能的金属合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种具有高抗冲击性能的金属合金及其制备方法。
背景技术
合金是由两种或两种以上的金属与金属或金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的的金属材料，合金材料一般都会改善单质金属的性能，因此，金属合金材料的应用更为广泛。目前，一些轻质金属合金常被用于航空领域以及汽车制造领域，通过金属合金制造的发动机叶片可能会由于空中外物撞击而产生断裂飞出，从而造成灾难性的后果，而由合金制造的汽车在遇到撞击等交通事故时，会使汽车受到不同程度的损毁、人员受到伤亡，因此，提高金属合金材料的抗冲击性能和强度至关重要。
发明内容
针对上述背景，本发明旨在提供一种具有高抗冲击性能的金属合金及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采用的技术方案是：一种具有高抗冲击性能的金属合金，由以下质量百分比的原料制成：Cu 3-5％、Ni 2-2.5％、V 1.2-1.6％、萤石粉0.6-0.9％、Mg 0.4-0.6％、改性碳纤维0.5-0.7％、纳米氮化硼0.9-1.5％、Ce 0.1-0.3％、余量为铝。
优选地，所述具有高抗冲击性能的金属合金由以下质量百分比的原料制成：Cu5％、Ni 2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、改性碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce0.2％、余量为Al。
优选地，所述改性碳纤维是通过溶胶-凝胶法在碳纤维表面负载铝金属氧化物制备而成的碳纤维材料，碳纤维本身与金属之间存在结合力差的问题，因此难以形成具有良好界面的金属基复合材料，从而影响金属合金的性能，通过对碳纤维改性可以改善碳纤维与基体的界面问题。
优选地，所述萤石粉中氟化钙含量大于等于65％，硫的含量小于等于0.3％，磷的含量小于等于0.08％，萤石粉能够降低高熔点金属的熔点，并且能够提高金属合金的抗张强度。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、将铝盐溶解在去离子水中，然后缓慢滴加氨水调节溶液的pH为4-6，设定加热温度为80-90℃，不断搅拌使液体蒸发得到半透明的铝溶胶；将碳纤维加入制得的铝溶胶中浸渍24-36h，浸渍完成后低温烘干；烘干后将浸渍有铝金属氧化物凝胶的碳纤维放入马弗炉中烧制2-3h，即得到改性碳纤维；
S2、按照Cu 3-5％、Ni 2-2.5％、V 1.2-1.6％、萤石粉0.6-0.9％、Mg 0.4-0.6％、纳米氮化硼0.9-1.5％、Ce 0.1-0.3％的质量百分比称取各原料，然后称取0.5-0.7％S1步骤中制备的改性碳纤维，其余为Al；
S3、将S2步骤称取的Al、Cu、Ni、V、Mg、Ce、萤石粉置入真空高温熔炼炉中，升温至1250-1600℃，待其完全融化后搅拌加入纳米氮化硼、改性碳纤维，熔炼成金属锭；
S4、将S3步骤得到的金属锭依次固溶处理、时效处理，将时效处理后的金属锭在液氮中进行深冷处理，然后在进行回火，回火处理后冷却至室温，最后用激光冲击处理金属锭表面即得到具有高抗冲击性能的金属合金。
优选地，所述固溶处理的温度为500-550℃，固溶处理时间为5-6h，所述时效处理的温度为120-140℃，时效处理时间为10-12h，所述深冷处理时间为5-9h，所述回火温度为550-600℃，回火时间为1-1.5h。
优选地，所述激光处理的激光能量为3-8J、激光波长为1064nm、脉冲宽度为15-18ns、圆形光斑直径为2.5-6mm。
优选地，所述低温烘干温度为45-65℃。
本发明提供一种具有高抗冲击性能的金属合金，加入了纳米氮化硼和改性碳纤维对金属合金进行增强，改性后的碳纤维能够改善碳纤维与基体的界面问题，形成稳定的强化相，从而提高金属合金的抗冲击性能；本发明还提供了具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法，采用深冷处理以及最后的激光冲击处理，可以使金属合金的材料组织致密，提高金属合金的强度，并且激光冲击处理后在金属表面形成的残余应力可以平衡材料在使用过程中的拉应力，从而延缓撞击时裂纹的产生和扩展。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
一种具有高抗冲击性能的金属合金，由以下质量百分比的原料制成：Cu 5％、Ni2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、改性碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce 0.2％、余量为Al。
所述改性碳纤维通过以下步骤制备得到：称取200g硝酸铝溶解在去离子水中，水浴加热助溶，设定加热温度为85℃，当硝酸铝完全溶解后，向硝酸铝溶液中缓慢滴加氨水调节溶液的pH为5，继续加热不断搅拌使液体蒸发得到半透明的铝溶胶；将碳纤维加入制得的铝溶胶中浸渍30h，浸渍完成后在50℃烘干；烘干后将浸渍有铝金属氧化物凝胶的碳纤维放入马弗炉中烧制2h，即得到改性碳纤维。
所述萤石粉中氟化钙含量为70％，硫的含量为0.2％，磷的含量为0.06％
上述具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照Cu 5％、Ni 2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、改性碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce 0.2％的质量百分比称取各原料，余量为Al；
S2、将S1步骤称取的Al、Cu、Ni、V、Mg、Ce、萤石粉置入真空高温熔炼炉中，升温至1300℃，待其完全融化后搅拌加入纳米氮化硼、改性碳纤维，熔炼成金属锭；
S3、将S2步骤得到的金属锭依次按照如下工艺处理：固溶处理，处理温度为500℃，处理时间为5h；时效处理，处理温度为130℃，处理时间为10h；深冷处理，-196℃的液氮中处理6h；回火处理，处理温度500℃，处理时间1h。
S4、将S3步骤处理后的金属锭冷却到室温，然后在金属锭表面粘贴一层100μm厚的黑胶带作为吸收层，然后使用高能脉冲激光器进行冲击强化，所述激光器的激光能量为5J、激光波长为1064nm、脉冲宽度为18ns、圆形光斑直径为3mm，激光冲击强化时，用厚度为2mm的流动水膜作为约束层，激光冲击强化处理后即得到具有高抗冲击性能的金属合金。
对比例1
一种具有高抗冲击性能的金属合金，由以下质量百分比的原料制成：Cu 5％、Ni2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce 0.2％、余量为Al。
对比例1中具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法与实施例1中的制备方法相同。
对比例2
一种具有高抗冲击性能的金属合金，由以下质量百分比的原料制成：Cu 5％、Ni2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、改性碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce 0.2％、余量为Al。
对比例2中具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法与实施例1的制备方法不同的是，对比例2的金属合金在制作过程中不经过深冷处理和最后的激光冲击处理。
将实施例1、对比例1以及对比例2制备的金属合金进行冲击韧性和硬度的测试，冲击韧性测试标准为GB/T1817-1995《硬质合金常温冲击韧性试验方法》，硬度测试标准为GB/T4340.1-1999《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》，测试结果如表1所示：
表1金属合金的机械性能
Figure BDA0001715378880000051
从表1可以看出，实施例1相较于对比例1，金属合金的冲击消耗功明显增强，说明其抗冲击性能提高，说明改性碳纤维有效的改善了界面问题，但是金属合金的硬度没有明显变化，说明改线碳纤维对金属合金的硬度没有显著影响；实施例1与对比例1相比，实施例1中金属合金的冲击消耗功和硬度都有了提高，说明深冷处理和激光冲击处理，使得金属合金的组织致密，硬度和抗冲击性能提高。
尽管实施例已经详细描述了本发明，但是本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：Cu3-5％、Ni 2-2.5％、V 1.2-1.6％、萤石粉0.6-0.9％、Mg 0.4-0.6％、改性碳纤维0.5-0.7％、纳米氮化硼0.9-1.5％、Ce 0.1-0.3％、余量为Al；
所述的具有高抗冲击性能的金属合金的制备方法，主要包括以下步骤：
S1、将铝盐溶解在去离子水中，然后滴加氨水调节溶液的pH为4-6，设定加热温度为80-90℃，不断搅拌使液体蒸发得到半透明的铝溶胶；将碳纤维加入制得的铝溶胶中浸渍24-36h，浸渍完成后低温烘干；烘干后将浸渍有铝金属氧化物凝胶的碳纤维放入马弗炉中烧制2-3h，即得到改性碳纤维；
S2、按照Cu 3-5％、Ni 2-2.5％、V 1.2-1.6％、萤石粉0.6-0.9％、Mg 0.4-0.6％、纳米氮化硼0.9-1.5％、Ce 0.1-0.3％的质量百分比称取各原料，然后称取S1步骤中制备的改性碳纤维0.5-0.7％，余量为Al；
S3、将S2步骤称取的Al、Cu、Ni、V、Mg、Ce、萤石粉置入真空高温熔炼炉中，升温至1250-1600℃，待其完全融化后搅拌加入纳米氮化硼、改性碳纤维，熔炼成金属锭；
S4、将S3步骤得到的金属锭依次固溶处理、时效处理，将时效处理后的金属锭在液氮中进行深冷处理，然后再进行回火，回火处理后冷却至室温，最后用激光冲击处理金属锭表面即得到具有高抗冲击性能的金属合金。
2.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述具有高抗冲击性能的金属合金由以下质量百分比的原料制成：Cu 5％、Ni 2％、V 1.5％、萤石粉0.8％、Mg 0.5％、改性碳纤维0.7％、纳米氮化硼1％、Ce 0.2％、余量为Al。
3.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述改性碳纤维是通过溶胶-凝胶法在碳纤维表面负载铝金属氧化物制备而成的碳纤维材料。
4.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述萤石粉中氟化钙含量大于等于65％，硫的含量小于等于0.3％，磷的含量小于等于0.08％。
5.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述固溶处理的温度为500-550℃，固溶处理时间为5-6h，所述时效处理的温度为120-140℃，时效处理时间为10-12h，所述深冷处理时间为5-9h，所述回火温度为550-600℃，回火时间为1-1.5h。
6.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述激光处理的激光能量为3-8J、激光波长为1064nm、脉冲宽度为15-18ns、圆形光斑直径为2.5-6mm。
7.根据权利要求1所述的具有高抗冲击性能的金属合金，其特征在于，所述低温烘干温度为45-65℃。
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