一种铝合金基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及表面加工技术领域，尤其涉及一种铝合金基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金因其质量轻、强度高、可加工性能优良等特点已被广泛应用于航空航天、武器装备、医疗制造等领域。但是，由于铝合金的熔点较低、导电性能、导热性能较差，使得其在某些极端工作条件和特种环境下的发展遇到了瓶颈。
3.因此，如何提供一种强度高、导电性能优异的铝合金基复合材料的制备方法，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种铝合金基复合材料的制备方法，该方法工艺简单，成本较低，能够在保证铝合金基体强度的前提下大幅度提高复合材料的导电性能。除此之外，本发明还提供一种由该方法制备出的铝合金基复合材料，同样具有上述技术效果。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，所述混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为3：2-5：2；
8.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品；
9.s3.对所述初成品进行退火处理，得到成品。
10.本发明采用cu粉和al粉混合粉末作为冷喷涂粒子，其中cu的导电性仅次于ag，而同体积的al则比cu轻很多，将两种粉末混合使用，有利于混合粉末在喷涂过程中获得更大的飞行速度；且cu粉和al粉混合喷涂的涂层经一定温度的退火工艺处理后能发生明显的cu原子向铝合金基体扩散的趋势，这是由于cu的熔点比al高，al-al共价键容易断裂，导致cu易向al扩散从而提高涂层的致密度和与基体的结合强度。
11.优选的，所述混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1。
12.优选的，所述混合粉末中，cu粉的粒径为5-35μm，al粉的粒径为45-56μm。
13.优选的，cu粉的纯度不小于99.9％，al粉的纯度不小于99.9％。
14.优选的，所述步骤s2之前，先对所述混合粉末进行烘干处理，烘干温度为150-200℃，烘干时间为15-25min。
15.优选的，所述步骤s2中，喷涂气体的压力为0.5-2mpa，气体的工作温度为250-400℃，粉末的输送速率为35-45g/min，喷涂距离为20-40mm。
16.本发明中，工作气体的温度设置为250℃-400℃，不仅可以提高飞行过程中的混合粉末的温度，增加其塑性变形，而且可以使工作气体热胀冷缩增大压力。
17.本发明中，喷涂距离设置为20-40mm，一方面可以避免因喷涂距离过大导致的涂层
致密度较低，另一方面可以避免因喷涂距离过小导致的喷涂粒子对基体表面冲蚀的作用。
18.本发明中，将气体压力设置为0.5-2mpa，是为了给喷涂粒子提供足够的喷涂速度和能量，在一定范围内，喷涂粒子的速度随着气体压力的增大而增大，但超过一定压力后粒子的速度提升便不明显；
19.优选的，粉末的输送速率为40g/min。
20.优选的，喷涂气体为高纯氮气、高纯氩气或高纯氦气，其纯度不小于99％。
21.优选的，所述步骤s3中，退火温度为250-350℃，保温时间为1-3h。优选保温时间为1h。
22.本发明加入退火工序的目的在于：降低涂层的孔隙率；消除涂层与基体的局部界面；提高涂层与基体的界面结合强度。cu粉和al粉混合喷涂的涂层经一定温度的退火工艺处理后会发生明显的cu原子向铝合金基体扩散的趋势，这是由于cu的熔点比al高，al-al共价键容易断裂，导致cu易向al扩散从而提高涂层的致密度和与基体的结合强度。但是，随着退火温度的升高，扩散铝原子获得能量超越势垒的几率增大，而且空位浓度增大，此时扩散易发生倒置，涂层会表现脆韧性。因此，需要将退火温度控制在合适的范围内。
23.优选的，所述步骤s2之前，先对所述铝合金基体进行喷砂处理，然后在丙酮中用超声波清洗干净，再进行干燥处理。
24.优选的，所述喷砂处理采用的磨料为20-30目的刚玉磨料。
25.优选的，所述干燥处理的温度为80℃，时间为15-25min。
26.优选的，所述铝合金基体为7055铝合金。
27.优选的，所述7055铝合金包括以下重量份的原料：zn 7.6-8.4重量份，cu 2.0-2.6重量份，mg 1.8-2.3重量份，mn 0.02-0.15重量份，cr 0.02-0.20重量份，zr 0.08-0.25重量份，其余为al。
28.优选的，所述合金基体的尺寸为80
×
40
×
85mm。
29.除此之外，本发明还提供一种铝合金基复合材料，该复合材料由上述任一种方法制备而成。
30.本发明通过优化设计的冷喷涂技术在铝合金基体表面沉积cu涂层，所采用的冷喷涂技术工艺简单，成本较低，所制备的cu涂层与基体结合强度高，孔隙率较低，对基体合金的导电率优化效果明显，最大可提升26％。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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技术中记载的一些实施例，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。
32.图1本发明中铝合金基体表面cu涂层的形貌图；
33.图2为本发明中铝合金基体与cu涂层结合处的形貌图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合实施例对
本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
35.铝合金基体的表面预处理：首先对铝合金试样表面进行喷砂处理去除氧化层，然后在丙酮中用超声波清洗干净并置于真空干燥箱中烘干处理；所述喷砂处理所采用的磨料为20-30目的刚玉磨料；所述烘干处理采用的工艺为80℃下保温15-25min。
36.本发明实施例中混合粉末采用cu粉与al粉的混合粉末，cu粉的粒径为5-35μm，纯度不小于99.9％，al粉的粒径为45-56μm，纯度不小于99.9％。将cu粉与al粉以2:1的比例混合均匀后用真空干燥箱进行烘干处理，烘干温度为150-200℃，烘干时间为15-25min。
37.实施例1
38.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
39.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
40.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为20mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为0.5mpa，工作气体温度设置为250℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
41.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为250℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
42.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到46.78％iacs，结合强度为121mpa。
43.实施例2
44.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
45.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
46.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为25mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为0.5mpa，工作气体温度设置为300℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
47.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为250℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
48.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到46.89％iacs，结合强度为123mpa。
49.实施例3
50.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
51.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
52.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为25mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为1mpa，工作气体温度设置为300℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
53.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为300℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
54.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到47.03％iacs，结合强度为127mpa。
55.实施例4
56.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
57.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
58.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为30mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为1.5mpa，工作气体温度设置为300℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
59.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为300℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
60.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到47.19％iacs，结合强度为125mpa。
61.实施例5
62.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
63.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
64.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为35mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为1.5mpa，工作气体温度设置为350℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
65.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为300℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
66.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到47.23％iacs，结合强度为
122mpa。
67.实施例6
68.一种铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
69.s1.将cu粉与al粉按比例混合，得到混合粉末，混合粉末中，cu粉与al粉的质量比为2：1；
70.s2.采用冷喷涂工艺，在铝合金基体的表面进行混合粉末的喷涂，得到初成品：将混合粉末放入低压冷喷涂送粉装置对7055超高强铝合金基体进行喷涂作业，喷涂时设置送粉速率为40g/min，喷涂距离设置为40mm，喷涂气体选择氮气为工作气体，其纯度不小于99％，气体压力设置为2mpa，工作气体温度设置为400℃，每喷涂3mm左右后停止，待铝合金基体表面温度降至50℃以下后继续喷涂，直至铝合金基体表面均匀沉积完一层cu涂层，得到初成品；
71.s3.对初成品进行退火处理，得到成品：将初成品放置在电阻炉中进行退火处理，退火温度选择为350℃，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却。
72.本实施例制备的cu涂层的孔隙率为0％，导电率达到47.24％iacs，结合强度为119mpa。
73.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。