CN112795825A

CN112795825A - 一种钛基Mxene增强的铝合金及其制备工艺

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Publication number: CN112795825A
Application number: CN202110118127.3A
Authority: CN
Inventors: 王素梅; 夏国栋; 刘现综; 刘献福; 张卫国
Original assignee: Shandong Besten Pneumatic Technology Co ltd; Shandong University
Current assignee: Shandong Besten Pneumatic Technology Co ltd; Shandong University
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2021-05-14

Abstract

本发明属于机械、材料及化工领域，特别涉及一种钛基Mxene增强的铝合金及其制备工艺。该材料由基体铝合金添加0.01‑0.1 wt%的钛基Mxene，经过混料、熔融及浇铸成型等工艺而成。钛基Mxene是由钛基Ti₃C₂Al陶瓷经过刻蚀剥离得到的超薄纳米片层材料，由于其很大的比表面积及易分散等优点，显著增强了在铝合金基体中的分散。同时，钛基Mxene的主要组成为TiC_x，可以显著增强铝合金的强度及韧性等性能。本发明所得增强的铝合金具有优良的机械性能，可望在机械、汽车、航空航天等工业中广泛应用。

Description

一种钛基Mxene增强的铝合金及其制备工艺

技术领域

本发明属于机械、材料及化工领域，特别涉及一种钛基Mxene增强的铝合金及其制备工艺，铝合金在航空、机械、建筑、汽车、电力等领域都有广泛的应用。

背景技术

铝是一种银白色金属，重量轻，具有良好延展性、导电性、导热性、耐热性和耐辐射性。铝在空气中其表面会生成致密的氧化物薄膜，从而使铝具有良好的耐蚀性。铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。因其含量丰富又具有良好性能，所以铝常被制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状而广泛应用在航空、机械、建筑、汽车、电力等重要工业领域。

但是纯铝的强度很低，退火状态 σ_b 值约为8 kgf/mm²，不适合作高性能的结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及利用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金，如掺铜掺硅的铸造铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σ_b 值分别可达 24～60 kgf/mm²。这就使得其“比强度”（强度与比重的比值 σ_b/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

随着工业的快速发展，对铝合金的性能提出了越来越高的要求。具有更高强重比和更好韧性的铝合金成为开发的重点。以往的研究表明添加合金元素，在提高强度的同时，韧性往往会降低，很难同时提高铝合金的强度和塑性。因此，寻找一种新的铝合金强化材料及技术，对于铝合金在各行业的大规模应用是极为重要和迫切的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛基Mxene增强的铝合金及其制备工艺，显著提高铝合金的强度及韧性。本发明的一个创新点在于：利用钛基Mxene的超薄纳米片，通过其超薄纳米片与其他组分作用，大大增强相应的铝合金性能。

本发明可采用多种铝合金，本案中采用典型的6061铝合金为例来说明钛基Mxene对铝合金的增强效果。

本发明的技术方案：一种钛基Mxene增强的铝合金，具体包括，其原料按重量百分比计为：

铜0.15～0.4 wt%，锰0.15 wt%，镁0.8～1.2 wt%，锌0.25 wt%，铬0.04～0.35wt%，钛基Mxene 0.01～0.1 wt%，硅0.4～0.8 wt%，铁0.7 wt%，其余成分为铝。

本发明还提供了相应铝合金的制备工艺，其制备按以下步骤：

步骤1：将组分为铜，锰，镁，锌，铬，钛基Mxene，硅，铁，铝的混合物，球磨均匀，加入坩埚中，将所述坩埚放入熔炼炉，其中，所述混合物中的重量比为，铜0.15～0.4 wt%，锰0.15 wt%，镁0.8～1.2 wt%，锌0.25 wt%，铬0.04～0.35 wt%，钛基Mxene 0.01～0.1 wt%，硅0.4～0.8 wt%，铁0.7 wt%，其余成分为铝；

步骤2：熔炼炉抽真空，充入惰性气体，反复抽真空充入惰性气体，形成所述熔炼炉中的惰性气体环境，所述惰性气体环境气压为400-600 Pa；

步骤3：开启电源，使熔炼炉升温到保温温度730-780 ℃，并保温5～10分钟；保温之后进行降温，降至浇铸温度630-660 ℃时，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。

进一步地，钛基Mxene是由钛基MAX陶瓷Ti₃C₂Al经过刻蚀剥离得到的超薄TiC_x纳米片层材料。

更进一步地，所述超薄TiC_x纳米片层材料为单层或少于10层的少层结构。

进一步地，所述的熔炼炉为电阻炉或感应加热炉。

进一步地，所述熔炼炉中所述惰性气体环境气压为480 Pa，490 Pa，500 Pa，510Pa，520 Pa。

进一步地，所述保温温度为740 ℃，750 ℃，760 ℃。

进一步地，所述浇铸温度为630 ℃，640 ℃，650 ℃，660 ℃。

进一步地，所述惰性气体为Ar气。

本发明的有益效果是：可以显著改善铝合金的强度和韧性等机械性能。其原因是：1. 通过添加钛基Mxene这种超薄的纳米片，可以在铝合金中起到细化晶粒的作用；2. 钛基Mxene纳米片可以把铝合金的晶粒有机的连接在一起，可以起到增强增韧的作用；3. 钛基Mxene纳米片本身成分是碳化钛，具有显著的强度和韧性。需补充说明的是：1. 钛基Mxene纳米片中的碳是化合物状态，不会像石墨烯那样增加碳的含量；2.钛基Mxene添加量很少，不会对成本增加很多；3. 随着产业化的发展，钛基Mxene的成本会不断降低。总之，本发明工艺简单易操作，原料廉价易得，所制备的铝合金性能高，有望在航空、机械、建筑、汽车、电力等领域中得到广泛应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为实施例1的的钛基Mxene增强的铝合金与对比样品（未添加钛基Mxene的铝合金）的强度对比图。通过图1，可以清晰的看到，添加钛基Mxene后的铝合金的强度可以由165提高到298兆帕，表明了添加钛基Mxene可以大幅度的提高铝合金的强度。而且最佳的钛基Mxene的掺杂量为0.1 wt%，0.1 wt%时强度达到最大值，低于或高于此值强度都会降低。

附图2为实施例2的钛基Mxene增强的铝合金与对比样品的韧性对比图。通过图2，可以清晰的看到，添加钛基Mxene后的铝合金的韧性可以由33提高到36兆帕*米^1/2，表明了添加钛基Mxene可以稍提高铝合金的韧性。这与通常在提高强度的同时会降低韧性截然不同，也说明了本专利提出的添加钛基Mxene，具有不同于一般技术的独特优势，充分展示了其新颖性和独创性。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

根据本发明一种钛基Mxene增强的铝合金的实施例，一种钛基Mxene增强的铝合金，其原料按重量百分比计为：铜0.15～0.4 wt%，锰0.15 wt%，镁0.8～1.2 wt%，锌0.25wt%，铬0.04～0.35 wt%，钛基Mxene 0.01～0.1 wt%，硅0.4～0.8 wt%，铁0.7 wt%，其余成分为铝。

根据本发明钛基Mxene增强的铝合金制备工艺的实施例，

根据本发明的一些实施例，钛基Mxene是由钛基MAX陶瓷Ti₃C₂Al经过刻蚀剥离得到的超薄TiC_x纳米片层材料。

根据本发明的一些实施例，所述超薄TiC_x纳米片层材料为单层或少于10层的少层结构。

根据本发明的一些实施例，所述的熔炼炉为电阻炉或感应加热炉。

根据本发明的一些实施例，所述熔炼炉中所述惰性气体环境气压为480 Pa，490Pa，500 Pa，510 Pa，520 Pa。

根据本发明的一些实施例，所述保温温度为740 ℃，750 ℃，760 ℃。

根据本发明的一些实施例，所述浇铸温度为630 ℃，640 ℃，650 ℃，660 ℃。

根据本发明的一个实施例，所述惰性气体为Ar气。

根据本发明的一个具体实施例，本实施例拟制备100 g钛基Mxene增强的铝合金，其中钛基Mxene的添加量为0.05 wt％，其他原料的重量百分比分别为：铜0.3 wt%，锰0.15wt%，镁1.0 wt%，锌0.25 wt%，铬0.2 wt%，硅0.6 wt%，铁0.7 wt%，铝余量；

步骤1：按化学计量比称取各原料，并球磨均匀，加入到坩埚中，放入感应熔炼炉；

步骤2：熔炼炉抽真空，充入Ar气，反复抽真空充Ar气尽量排走炉中的空气，维持500 Pa的气压；

步骤3：开启电源，使熔炼炉升到755 ℃，并保温5～10分钟；然后关闭电源，等降到一定温度660 ℃，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。

根据本发明的一个具体实施例，本实施例拟制备200 g钛基Mxene增强的铝合金，其中钛基Mxene的添加量为0.1 wt％，其他原料的重量百分比分别为：铜0.4 wt%，锰0.15wt%，镁0.9 wt%，锌0.25 wt%，铬0.3 wt%，硅0.5 wt%，铁0.7 wt%，铝余量；

步骤2：熔炼炉抽真空，充入Ar气，反复抽真空充Ar气尽量排走炉中的空气，维持600 Pa的气压；

步骤3：开启电源，使熔炼炉升到780 ℃，并保温5～10分钟；然后关闭电源，等降到一定温度640 ℃，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。

根据本发明的一个具体实施例，本实施例拟制备150 g钛基Mxene增强的铝合金，其中钛基Mxene的添加量为0.01 wt％，其他原料的重量百分比分别为：铜0.2 wt%，锰0.15wt%，镁1.2 wt%，锌0.25 wt%，铬0.1 wt%，硅0.8 wt%，铁0.7 wt%，铝余量；

步骤2：熔炼炉抽真空，充入Ar气，反复抽真空充Ar气尽量排走炉中的空气，维持400 Pa的气压；

步骤3：开启电源，使熔炼炉升到730 ℃，并保温5～10分钟；然后关闭电源，等降到一定温度630 ℃，把熔液浇铸到石墨模具中，冷却取样。

由上述几个具体实施例，可以看出，加入由钛基MAX陶瓷Ti₃C₂Al经过刻蚀剥离得到的超薄TiC纳米片层材料的铝合金性能得到了大幅度的提升，并且在0.1 wt%处达到了最佳效果。

上述实施例结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的对本发明的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种钛基Mxene增强的铝合金，其特征在于，其原料按重量百分比计为：铜0.15～0.4wt%，锰0.15 wt%，镁0.8～1.2 wt%，锌0.25 wt%，铬0.04～0.35 wt%，钛基Mxene 0.01～0.1wt%，硅0.4～0.8 wt%，铁0.7 wt%，其余成分为铝。

2.一种如权1中所述的钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于，

步骤1：将组分为铜，锰，镁，锌，铬，钛基Mxene，硅，铁，铝的混合物，球磨均匀，加入坩埚中，将所述坩埚放入熔炼炉，其中，所述混合物中的重量比为，铜0.15～0.4 wt%，锰0.15wt%，镁0.8～1.2 wt%，锌0.25 wt%，铬0.04～0.35 wt%，钛基Mxene 0.01～0.1 wt%，硅0.4～0.8 wt%，铁0.7 wt%，其余成分为铝；

3.根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：钛基Mxene是由钛基MAX陶瓷Ti₃C₂Al经过刻蚀剥离得到的超薄TiC_x纳米片层材料。

4.根据权利要求3所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述超薄TiC_x纳米片层材料为单层或少于10层的少层结构。

5.根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述的熔炼炉为电阻炉或感应加热炉。

6. 根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述熔炼炉中所述惰性气体环境气压为480 Pa，490 Pa，500 Pa，510 Pa，520 Pa。

7. 根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述保温温度为740 ℃，750 ℃，760 ℃。

8. 根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述浇铸温度为630 ℃，640 ℃，650 ℃，660 ℃。

9.根据权利要求2所述的一种钛基Mxene增强的铝合金制备工艺，其特征在于：所述惰性气体为Ar气。