CN114855035A - 耐热高强度汽车轮毂铝合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，按重量百分比计，其包括以下成分：Si：5‑16.3％；Fe：0.18‑0.65％；Cu：3.3‑7.2％；Mn：0.4‑0.6％；TaC：6.2‑13.8％；石墨烯：0.8‑3.6％；Zn：0.25‑0.63％；Ti：0.08‑0.5％；Cr：0.04‑0.25％；余量为Al和不可避免的杂质。本发明中通过TaC‑石墨烯‑铜铝中间合金的形式在铝合金材料中引入石墨烯、TaC的方案，能够藉由多种组分相互的协同增强效果，使得铝合金材料的强度和耐热性能得到大幅度提升。

Description

耐热高强度汽车轮毂铝合金材料
技术领域
本发明涉及轮毂材料领域，特别涉及一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
背景技术
轮毂是承载汽车全部重量和高速度旋转的关键部件，所以对轮毂材料的性能具有严苛要求。铝合金材料因其质量轻、机械性能优异等优点被广泛用于制造轮毂，例如专利CN103060635B公开的一种三片式铝合金锻造轮毂材料、专利CN112095031B公开的轮毂用高强高韧A356.2铝基复合材料的制备方法、专利CN107488801B公开的一种汽车轮毂用高强耐蚀镁合金复合材料及其制备方法等。
但随着对更高性能轮毂要求的日益提升，仍需对铝合金材料进行优化，以提高其强度、耐热性能等。石墨烯特殊的结构致使其具有很多优异的性质：如极好的力学性能，石墨烯已经被尝试作为增强体来提高铝合金材料的强度，但由于石墨烯大的比表面积往往使其团聚在一起，且石墨烯与铝之间润湿性差，导致石墨烯很难在铝材料中充分、均匀分散，会严重影响石墨烯自身优异性能的发挥，导致石墨烯作为增强体往往难以到达预期效果。
TaC具有高硬度、高热力学稳定性等特点，在合金材料中添加TaC还能抑制合金中晶粒的长大，从而显著提升其综合性能，且TaC粒度越细，提升效果越佳。传统方案中，通过球磨来制备细粒度的TaC存在时间长、功耗高等缺陷，且细粒度的TaC在合金材料中的均匀分散性对TaC提升作用的充分发挥具有重要作用，而传统方案中也往往难以实现TaC的均匀分散。
所以，石墨烯、TaC有望应用于铝合金材料中来改善其性能，但现在缺少能很好的将其应用的可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，按重量百分比计，其包括以下成分：Si：5-16.3％；Fe：0.18-0.65％；Cu：3.3-7.2％；Mn：0.4-0.6％；TaC：6.2-13.8％；石墨烯：0.8-3.6％；Zn：0.25-0.63％；Ti：0.08-0.5％；Cr：0.04-0.25％；余量为Al和不可避免的杂质；
该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过熔炼制备得到。
优选的是，该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过以下方法制备得到：
S1、按照重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于650-780℃下熔炼50-120min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于715-745℃、氩气气氛下熔炼20-45min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂，于660-695℃下静置15-40min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到所述耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
优选的是，该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过以下方法制备得到：
S1、按照以上重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到所述耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
优选的是，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液；
2)将氧化石墨烯分散液、铜盐、纳米铝粉、钽的氢化物粉末、去离子水加入到酸溶液中，混合均匀；
3)真空干燥；
4)将步骤3)得到的固体产物在830-1050℃下真空加热30-120min；
5)升温至1150-1250℃，氩气气氛下熔炼60-180min；
6)降温至920-1100℃，氩气气氛中保温60-120min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
优选的是，所述步骤1)具体为：将氧化石墨烯分散到乙醇中，超声振荡40-70min，得到氧化石墨烯分散液。
优选的是，所述铜盐为醋酸铜。
优选的是，所述酸溶液为0.2-2mol/L的盐酸溶液。
优选的是，钽的氢化物粉末为TaH、TaH2、TaH3中的一种或多种的混合物粉末。
优选的是，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将2.5-10g氧化石墨烯加入到分散到2-8L无水乙醇中，超声振荡60-120min，得到氧化石墨烯分散液；
2)取1-4L氧化石墨烯分散液、5-25g醋酸铜、7-30g纳米铝粉、5-15g TaH2粉末、0.2-1L去离子水加入到0.2-1L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理1-3h；
3)60-95℃下真空干燥1.5-5h；
4)将步骤3)的固体产物在830-1050℃下真空加热30-120min；
5)升温至1150-1250℃，氩气气氛下熔炼60-180min；
6)降温至920-1100℃，氩气气氛中保温60-120min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
优选的是，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
5)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
本发明的有益效果是：
本发明提供的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式引入石墨烯和TaC，能够很好的克服石墨烯易团聚、细粒度TaC难以制备且不易均匀分散的缺陷，可充分发挥石墨烯和TaC的功效，显著提升铝合金材料的力学性能和耐热性能；
本发明中采用的氧化石墨烯表面具有大量带负电的含氧官能团(-O、-OH、-COOH等)，铝粉表面的铝水解后会产生Al(OH)3，从而出现带正电的Al3+，藉由静电作用，Al3+可与这些含氧官能团结合而使氧化石墨烯吸附到铝粉表面，其为氧化石墨烯与铝粉结合的第一重作用；由于体系中加入了Cu2+，带正电的Cu2+能够作为键合桥，Cu2+与氧化石墨烯表面的含氧官能团通过静电作用结合，同时，Cu2+又与铝粉表面水解产生的-OH结合，从而通过Cu2+的键桥作用能够促进氧化石墨烯均匀吸附到铝粉表面，其为氧化石墨烯与铝粉结合的第二重作用；
本发明的体系中加入的钽的氢化物藉由与氧化石墨烯带负电的含氧官能团的结合作用，而与氧化石墨烯吸附，此时氧化石墨烯起到了桥接钽的氢化物粉末和铝粉的作用，使得钽的氢化物能够与铝粉中充分匀混分散；
本发明的体系在真空加热下，脆性的钽氢化物开始分解，氢析出，钽恢复塑性，而析出的氢具有强还原性，一方面使体系中的大量氧化石墨烯被还原为石墨烯，使得体系的力学性能得到增强(石墨烯具有极高的强度，氧化后虽然能够为表面引入大量含氧官能团，但会导致强度下降)；另一方面，析出的氢还会使体系中的Cu2+被还原为铜粒子，使石墨烯上纳米铜粒子的附着量大大提高，藉由纳米铜粒子能改善石墨烯与铝之间的浸润性这一特性，使得石墨烯更加容易在铝体系中分散，通过钽的氢化物与Cu2+的作用，对石墨烯在铝体系中分散性能的提高起到了协同增强的效果；
本发明的体系在继续加热的过程中，添加的醋酸铜中的醋酸根在高温下能够生成无定形碳层，一方面，还原得到的纳米铜粒子能够大量吸附在无定形碳层上，从而藉由无定形碳层容易附着在石墨烯表面的特性，进一步提高了纳米铜粒子在石墨烯上的附着量；另一方面，石墨烯上的钽与无定形碳层提供的C源在高温下反应，能在石墨烯上原位生成纳米级的TaC颗粒，既实现了细粒度TaC的制备，同时藉由在体系中被充分分散的石墨烯作为载体，也实现了TaC在体系中的均匀分散，从而能够充分发挥TaC在提升铝合金材料强度、耐热性能等方面的功效。从而，本发明中通过TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式在铝合金材料中引入石墨烯、TaC的方案，能够藉由多种组分相互的协同增强效果，使得铝合金材料的强度和耐热性能得到大幅度提升。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供了一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，按重量百分比计，其包括以下成分：Si：5-16.3％；Fe：0.18-0.65％；Cu：3.3-7.2％；Mn：0.4-0.6％；TaC：6.2-13.8％；石墨烯：0.8-3.6％；Zn：0.25-0.63％；Ti：0.08-0.5％；Cr：0.04-0.25％；余量为Al和不可避免的杂质；
该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过熔炼制备得到。
在优选的实施例中，该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过以下方法制备得到：
S1、按照重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于650-780℃下熔炼50-120min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于715-745℃、氩气气氛下熔炼20-45min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(采用常规覆盖剂即可)，于660-695℃下静置15-40min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将氧化石墨烯分散到乙醇中，超声振荡40-70min，得到氧化石墨烯分散液；氧化石墨烯可采用市售常规产品或通过Hummers法自制得到；
2)将氧化石墨烯分散液、铜盐、纳米铝粉、钽的氢化物粉末、去离子水加入到酸溶液中，混合均匀(超声搅拌或高压均质处理)；
3)真空干燥；
4)将步骤3)得到的固体产物在830-1050℃下真空加热30-120min；
5)升温至1150-1250℃，氩气气氛下熔炼60-180min；
6)降温至920-1100℃，氩气气氛中保温60-120min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
其中，铜盐为醋酸铜，酸溶液为0.2-2mol/L的盐酸溶液，钽的氢化物粉末为TaH、TaH2、TaH3中的一种或多种的混合物粉末。
铝合金材料因其质量轻、机械性能优异等优点被广泛用于制造轮毂，但随着对更高性能轮毂要求的日益提升，仍需对铝合金材料进行优化，以提高其强度、耐热性能等。石墨烯特殊的结构致使其具有很多优异的性质：如极好的力学性能，石墨烯已经被尝试作为增强体来提高铝合金材料的强度，但由于石墨烯大的比表面积往往使其团聚在一起，且石墨烯与铝之间润湿性差，导致石墨烯很难在铝材料中充分、均匀分散，会严重影响石墨烯自身优异性能的发挥，导致石墨烯作为增强体往往难以到达预期效果。而本发明中，以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式引入石墨烯，能够很好的克服石墨烯不易分散的缺陷，可显著改善上述问题。
另一方面，TaC具有高硬度、高热力学稳定性等特点，在合金材料中添加TaC还能抑制合金中晶粒的长大，从而显著提升其综合性能，且TaC粒度越细，提升效果越佳。传统方案中，通过球磨来制备细粒度的TaC存在时间长、功耗高等缺陷，且细粒度的TaC在合金材料中的均匀分散性对TaC提升作用的充分发挥具有重要作用，而传统方案中也往往难以实现TaC的均匀分散。而本发明中，一方面采用了原位合成TaC的工艺，能够方便制备得到细粒度且粒度均匀的TaC颗粒，另一方面，还能够藉由TaC-石墨烯-铜铝中间合金负载TaC引入到合金体系中的方式，实现TaC在铝合金体系中的均匀分散，从而充分发挥TaC的功效；与石墨烯产生协同增强效果，能够显著提升制得的铝合金材料的强度和耐热性能。
具体的，本发明中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金的制备及作用原理为：
1、本发明中采用的氧化石墨烯表面具有大量带负电的含氧官能团(-O、-OH、-COOH等)，铝粉表面的铝水解后会产生Al(OH)3，从而出现带正电的Al3+，藉由静电作用，Al3+可与这些含氧官能团结合而使氧化石墨烯吸附到铝粉表面，其为氧化石墨烯与铝粉结合的第一重作用；
2、由于体系中加入了Cu2+，带正电的Cu2+能够作为键合桥，Cu2+与氧化石墨烯表面的含氧官能团通过静电作用结合，同时，Cu2+又与铝粉表面水解产生的-OH结合，从而通过Cu2+的键桥作用能够促进氧化石墨烯均匀吸附到铝粉表面，其为氧化石墨烯与铝粉结合的第二重作用；
3、体系中加入的钽的氢化物藉由与氧化石墨烯带负电的含氧官能团的结合作用，而与氧化石墨烯吸附，此时氧化石墨烯起到了桥接钽的氢化物粉末和铝粉的作用，使得钽的氢化物能够与铝粉中充分匀混分散；
4、体系在真空加热下，脆性的钽氢化物开始分解，氢析出，钽恢复塑性，而析出的氢具有强还原性，一方面使体系中的大量氧化石墨烯被还原为石墨烯，使得体系的力学性能得到增强(石墨烯具有极高的强度，氧化后虽然能够为表面引入大量含氧官能团，但会导致强度下降)；另一方面，析出的氢还会使体系中的Cu2+被还原为铜粒子，使石墨烯上纳米铜粒子的附着量大大提高，藉由纳米铜粒子能改善石墨烯与铝之间的浸润性这一特性，使得石墨烯更加容易在铝体系中分散，通过钽的氢化物与Cu2+的作用，对石墨烯在铝体系中分散性能的提高起到了协同增强的效果；
5、在1150-1250℃下继续加热的过程中，添加的醋酸铜中的醋酸根在高温下能够生成无定形碳层，一方面，还原得到的纳米铜粒子能够大量吸附在无定形碳层上，从而藉由无定形碳层容易附着在石墨烯表面的特性，进一步提高了纳米铜粒子在石墨烯上的附着量；另一方面，石墨烯上的钽与无定形碳层提供的C源在高温下反应，能在石墨烯上原位生成纳米级的TaC颗粒，既实现了细粒度TaC的制备，同时藉由在体系中被充分分散的石墨烯作为载体，也实现了TaC在体系中的均匀分散，从而能够充分发挥TaC在提升铝合金材料强度、耐热性能等方面的功效。综上，本发明中通过TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式在铝合金材料中引入石墨烯、TaC的方案，能够藉由多种组分相互的协同增强效果，使得铝合金材料的强度和耐热性能得到大幅度提升。
以上为本发明的总体构思，以下再提供更为详细的实施例和对比例。
实施例1
一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
5)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
实施例2
一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
Si：11.0％；Fe：0.42％；Cu：5.0％；Mn：0.44％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.10％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于750℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于725℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于680℃下静置30min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在990℃下真空加热50min；
5)升温至1200℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至970℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
实施例3
一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
Si：11.3％；Fe：0.45％；Cu：5.0％；Mn：0.46％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.12％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于765℃下熔炼80min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于730℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于685℃下静置30min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡70min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在995℃下真空加热50min；
5)升温至1250℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至1050℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处主要在于本例中不添加TaC、石墨烯，具体如下。
本对比例提供的一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr、Cu的原料；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将所有原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，不同之处主要在于本例中TaC、石墨烯不以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式添加到铝合金材料中，具体如下。
本对比例提供的一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC纳米颗粒、石墨烯；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将所有原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同，不同之处主要在于本例中铜不以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式添加到铝合金材料中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金替换为TaC-石墨烯-铝中间合金，具体如下。
本对比例提供的一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr、Cu的原料以及TaC-石墨烯-铝中间合金；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr、Cu的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-石墨烯-铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
5)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铝中间合金。
对比例4
本对比例与实施例1基本相同，不同之处主要在于本例中TaC不以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式添加到铝合金材料中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金替换为石墨烯-铜铝中间合金，具体如下。
本对比例提供的一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr、的原料、TaC纳米颗粒以及石墨烯-铜铝中间合金；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入TaC纳米颗粒和粉碎后的石墨烯-铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
5)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到石墨烯-铜铝中间合金。
对比例5
本对比例与实施例1基本相同，不同之处主要在于本例中石墨烯不以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式添加到铝合金材料中，TaC-石墨烯-铜铝中间合金替换为TaC-铜铝中间合金，具体如下。
本对比例提供的一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其通过以下方法制备得到：
S1、按照以下重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr、的原料、石墨烯以及TaC-铜铝中间合金；
Si：10.5％；Fe：0.40％；Cu：5.0％；Mn：0.42％；TaC：7.5％；石墨烯：2.5％；Zn：0.40％；Ti：0.11％；Cr：0.09％；余量为Al和不可避免的杂质；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入石墨烯和粉碎后的TaC-铜铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂(氧化锌)，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
其中，TaC-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)将13g醋酸铜、15g纳米铝粉、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
2)75℃下真空干燥3h；
3)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
4)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
5)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-铜铝中间合金。
性能测试
将实施例1-3以及对比例1-5制备的汽车轮毂铝合金材料制成试样，进行力学性能测试：按照GB/T 16865-2013检测标准进行拉伸试验(在常温和360℃下分别检测)；根据ASTM E18-2018金属材料洛氏硬度标准测试方法(常温下测试)，测试洛氏硬度，测试结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0003664791080000151
从实施例1-3的测试结果可以看出，本发明制备的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料具有优异的机械强度和耐热性能；
从对比例1、对比例2与实施例1的结果对比可以看出，TaC和石墨烯的添加能够提高机械强度和耐热性能，但TaC、石墨烯不以TaC-石墨烯-铜铝中间合金的形式添加时，TaC、石墨烯的提升效果大幅度降低，主要归因于对比例2中，TaC、石墨烯在铝体系中难以均匀分散，导致其无法充分发挥其作用；
从对比例3-5与实施例1的结果对比可以看出，TaC-石墨烯-铜铝中间合金中，TaC、石墨烯和铜之间对铝合金材料的强度和耐热性能的提升起到了显著的协同增强效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，按重量百分比计，其包括以下成分：Si：5-16.3％；Fe：0.18-0.65％；Cu：3.3-7.2％；Mn：0.4-0.6％；TaC：6.2-13.8％；石墨烯：0.8-3.6％；Zn：0.25-0.63％；Ti：0.08-0.5％；Cr：0.04-0.25％；余量为Al和不可避免的杂质；
该耐热高强度汽车轮毂铝合金材料通过含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过熔炼制备得到。
2.根据权利要求1所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，其通过以下方法制备得到：
S1、按照重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于650-780℃下熔炼50-120min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于715-745℃、氩气气氛下熔炼20-45min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂，于660-695℃下静置15-40min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到所述耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
3.根据权利要求2所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，其通过以下方法制备得到：
S1、按照重量百分比称取原料：含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料以及TaC-石墨烯-铜铝中间合金；
S2、将含Al、Si、Fe、Mn、Zn、Ti、Cr的原料粉碎后投入熔炼炉中，搅拌，于745℃下熔炼90min；
S3、机械打渣后加入粉碎后的TaC-石墨烯-铜铝中间合金，搅拌，于720℃、氩气气氛下熔炼30min，扒渣；
S4、向熔液中加入覆盖剂，于675℃下静置25min；
S5、将步骤4)得到的铝合金熔液浇筑成锭，然后冷却至室温，得到所述耐热高强度汽车轮毂铝合金材料。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液；
2)将氧化石墨烯分散液、铜盐、纳米铝粉、钽的氢化物粉末、去离子水加入到酸溶液中，混合均匀；
3)真空干燥；
4)将步骤3)得到的固体产物在830-1050℃下真空加热30-120min；
5)升温至1150-1250℃，氩气气氛下熔炼60-180min；
6)降温至920-1100℃，氩气气氛中保温60-120min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
5.根据权利要求4所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述步骤1)具体为：将氧化石墨烯分散到乙醇中，超声振荡40-70min，得到氧化石墨烯分散液。
6.根据权利要求5所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述铜盐为醋酸铜。
7.根据权利要求6所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述酸溶液为0.2-2mol/L的盐酸溶液。
8.根据权利要求7所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，钽的氢化物粉末为TaH、TaH2、TaH3中的一种或多种的混合物粉末。
9.根据权利要求8所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将2.5-10g氧化石墨烯加入到分散到2-8L无水乙醇中，超声振荡60-120min，得到氧化石墨烯分散液；
2)取1-4L氧化石墨烯分散液、5-25g醋酸铜、7-30g纳米铝粉、5-15g TaH2粉末、0.2-1L去离子水加入到0.2-1L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理1-3h；
3)60-95℃下真空干燥1.5-5h；
4)将步骤3)的固体产物在830-1050℃下真空加热30-120min；
5)升温至1150-1250℃，氩气气氛下熔炼60-180min；
6)降温至920-1100℃，氩气气氛中保温60-120min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
10.根据权利要求9所述的耐热高强度汽车轮毂铝合金材料，其特征在于，所述TaC-石墨烯-铜铝中间合金通过以下方法制备得到：
1)制备氧化石墨烯分散液：
将5g氧化石墨烯加入到分散到4L无水乙醇中，超声振荡65min，得到氧化石墨烯分散液；
2)将2L氧化石墨烯分散液、13g醋酸铜、15g纳米铝粉、7.1g TaH2粉末、0.5L去离子水加入到0.4L浓度为1mol/L的盐酸溶液中，高压均质处理2h；
3)75℃下真空干燥3h；
4)将步骤3)的固体产物在970℃下真空加热60min；
5)升温至1180℃，氩气气氛下熔炼120min；
6)降温至950℃，氩气气氛中保温80min，冷却至室温，硝酸清洗，去离子水清洗，干燥，得到TaC-石墨烯-铜铝中间合金。
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