一种耐高温抗腐蚀铝合金型材及其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金技术领域，具体为一种耐高温抗腐蚀铝合金型材及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。
3.铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属al-cu-mg系，一般含有少量的mn，可热处理强化.其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属al-cu-mg-zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐腐蚀性差，高温软化快。
4.泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装。
5.目前通过现有工艺制备出的泡沫铝结构的铝合金型材虽然具有上述优点，但是其本身的耐高温及耐腐蚀性能相对不足；从而影响其质量及品级的同时，也会缩短其使用寿命。因此，提供一种耐高温抗腐蚀铝合金型材及其制备方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题！


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种耐高温抗腐蚀铝合金型材及其制备方法，本发明所制备的铝合金型材不仅具有优良的耐高温性能，而且还具有优良的抗腐蚀性能及力学性能，有效地保证了所制备的铝合金型材品质的同时，也延长了其使用寿命。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种耐高温抗腐蚀铝合金型材，包括铝合金基体及熔覆在其表面的耐高温涂层，所述铝合金基体由金属底材及体积为其1～2.5倍的复配填料组成；
9.所述金属底材按质量分数计包括以下组分：fe：0.35～0.5、cu：0.38～0.45、si：0.18～0.25、mg：0.38～0.65、mo：0.035～0.072、zn：0.42～0.55、ti：0.25～0.43、zr：0.1～0.15、b：0.015～0.022、cr：0.46～0.72、v：0.016～0.023、ni：0.08～0.18、re：0.3～0.5、余量为al和杂质。
10.更进一步地，所述复配填料的制备方法为：将黏土、粉煤灰、金属氢化物及纳米氧化钛按重量比1.8～2.3：1：3～3.5：0.8～1.5混合搅拌均匀后转入造粒机中，加水将之制成球体坯料，干燥后备用；然后将球体坯料及质量分别为其20～30％的黏土、40～50％的碳酸钙粉末混合均匀，再将所得混合料转入造粒机中，加水制成粒径为0.2～0.6mm的复配填料
成品。
11.更进一步地，所述金属氢化物选用tih2、zrh2、cah2、mgh2中的任意一种。
12.更进一步地，所述耐高温涂层由以下重量份原料组成：12～20份b2o3、20～30份tic、8～15份cr2o3、10～18份nio、5～10份si3n4、20～30份al2o3及12～20份复配功能添加剂。
13.更进一步地，所述复配功能添加剂的制备方法包括以下步骤：
[0014]ⅰ、按照2～6：1的重量比将纳米五氧化二钒与酚醛树脂混合均匀，并在70～95℃的温度下固化处理，然后将固化后所得混合物置于制粉机中将之粉碎，所得混合粉体置于模具中进行挤压成型，得到坯料；
[0015]ⅱ、所得坯料经高温烧结处理后对其进行破碎处理，通过球化机将之制成3～6μm的实心微粒，将所得实心微粒与蒸馏水按照重量比2：1混合，同时向其中加入适量的添加剂，经充分搅拌均匀后对其进行过滤处理，然后采用高压喷射高速离心旋转喷雾法使之形成微球，在分区控制的增氧燃气炉上经过膨胀、高温烧结、表面熔融玻化、成球，经风力清选分级得到粒径为4～8μm的碳化钒中空微球成品；
[0016]ⅲ、按0.2～0.4g/ml的固液比将碳化钒中空微球均匀分散于浓度为0.2～0.4mol/l的硝酸钕溶液中，然后向硝酸钕溶液中加入摩尔量为硝酸钕2～5倍的尿素；经超声分散8～15min后，将所得混合相在50～80℃的温度下搅拌反应20～35h；待反应完毕后，对反应产物进行离心分离，并除去上层离心液，所得固体离心产物依次经水洗、乙醇洗涤后，再经分散、离心及洗涤2～3次后，将之置于50～80℃的气氛下干燥处理，所得固体微粉即为复配功能添加剂成品。
[0017]
更进一步地，所述纳米五氧化二钒的制备方法为：将摩尔比为1：3～8的含钒化合物及草酸混合均匀后，向所得的混合液中依次投入质量为含钒化合物0.95～1.0倍的柠檬酸及0.35～0.5倍的乙二醇；所得混合组分输送至气流式喷雾干燥机中进行喷雾干燥，然后将所得粉体进行有氧烧结及筛分处理，所得即为纳米五氧化二钒成品；其中，烧结温度为450～550℃，烧结时间为3～8h。
[0018]
更进一步地，所述含钒化合物选用五氧化二钒、偏钒酸铵中的任意一种。
[0019]
更进一步地，所述步骤ⅰ中所得混合粉体的粒径为2～5μm，且挤压成型时压力为1.5～2.8mpa。
[0020]
更进一步地，所述步骤ⅱ中的添加剂选用碳酸钙、硫酸钾或硫酸钠中的任意一种，且其用量为1.5～3g/l。
[0021]
一种耐高温抗腐蚀铝合金型材的制备方法，包括以下步骤：
[0022]
步骤一、对复配填料进行干燥处理后将之转入模具中，然后将模具及其中的复配填料在惰性气氛的保护下加热至600～700℃；
[0023]
步骤二、将原料中的纯铝加热至熔化状态，并向其中加入组成金属底材的其他原料，并以1000～1600r/min的速率对混合物料充分搅拌5～10min；然后在700～820℃的温度下静置30～45min，所得熔体保存，备用；
[0024]
步骤三、将步骤二中所得熔体加入至步骤一中的模具中，加压至15～50mpa，使熔体充分渗入到球状体间隙，所得高温铝合金熔体经冷却处理后使之在模具中固定成型、锯板；然后用温度为60～80℃的热水水洗熔化去除球状体，烘干成型得铝合金型材坯料；
[0025]
步骤四、对所得铝合金型材坯料进行清洗及干燥处理；然后将耐高温涂层的原料与粘结剂混合后制成糊状，将糊状涂料预置在铝合金型材坯料的表面，经干燥处理后对其进行激光熔覆处理，再经自然时效处理后，即得耐高温抗腐蚀铝合金型材成品；
[0026]
其中，激光熔覆处理时的工艺参数为：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为3.5～4.5mm，扫描速度为2～3mm/s，功率为1.5～1.8kw，熔覆层厚度为0.4～0.8mm。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
1、本发明中以含钒化合物、草酸及柠檬酸等为原料制备出纳米五氧化二钒，然后以所制备的纳米五氧化二钒、酚醛树脂等为原料，经固化、粉碎及挤压成型制成坯料，然后对其进行高温烧结及破碎处理后采用球化机将其制成实心微粒，所得实心微粒再与添加剂相配合，依次通过转喷雾法、膨胀、高温烧结、表面熔融玻化、成球等工序的处理，最终制备出碳化钒中空微球成品。所得碳化钒中空微球后浸没在硝酸钕溶液中，两者在尿素及超声分散的条件下相互作用，最终在碳化钒中空微球表面包覆一层耐高温性能及耐腐蚀性较优的氧化钕粉体。由于碳化钒本身具有较好的耐化学性能及耐高温性能，再配合其本身的中空结构及其表面包覆的氧化钕粉体，使得所制备的复配功能添加剂的耐高温性能及耐腐蚀性能均有了很大程度上地提高。而采用复配功能添加剂与b2o3、tic、cr2o3及si3n4等作为耐高温涂层的原料时，由于复配功能添加剂与各原料产生相互协同的作用，能明显地提高所制备的铝合金型材的耐高温性能及抗腐蚀性能。有效地保证了所制备的铝合金型材的品质，延长了其使用寿命。
[0029]
2、本发明中以al、fe、cu、si、mo、ti及zr等作为制备铝合金型材的原料，其中，cu、cr、ni及ti之间相互协同能增强铝合金型材的抗腐蚀性能，延长其使用寿命。另外，采用发泡工艺最终制备出含有泡沫结构的铝合金型材，所得铝合金型材不仅密度较小，重量较轻；而且其本身的耐高温及耐腐蚀性能也十分的优良。此外，所制备的铝合金型材的结构与熔覆在其表面的耐高温涂层相互配合，不仅使得铝合金型材的耐高温性能及抗腐蚀性能得到很大程度的提升，也使得其本身的力学性能得到了一定程度的改善。有效地保证了所制备的铝合金型材的品级。
具体实施方式
[0030]
下面将对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
实施例1
[0032]
一种耐高温抗腐蚀铝合金型材，包括铝合金基体及熔覆在其表面的耐高温涂层，铝合金基体由金属底材及体积与之相等的复配填料组成；
[0033]
金属底材按质量分数计包括以下组分：fe：0.35、cu：0.38、si：0.18、mg：0.38、mo：0.035、zn：0.42、ti：0.25、zr：0.1、b：0.015、cr：0.46、v：0.016、ni：0.08、ce：0.3、余量为al和杂质。
[0034]
复配填料的制备方法为：将黏土、粉煤灰、tih2及纳米氧化钛按重量比1.8：1：3：0.8混合搅拌均匀后转入造粒机中，加水将之制成球体坯料，干燥后备用；然后将球体坯料
及质量分别为其20％的黏土、40％的碳酸钙粉末混合均匀，再将所得混合料转入造粒机中，加水制成粒径为0.2mm的复配填料成品。
[0035]
耐高温涂层由以下重量份原料组成：12份b2o3、20份tic、8份cr2o3、10份nio、5份si3n4、20份al2o3及12份复配功能添加剂。
[0036]
复配功能添加剂的制备方法包括以下步骤：
[0037]ⅰ、按照2：1的重量比将纳米五氧化二钒与酚醛树脂混合均匀，并在70℃的温度下固化处理，然后将固化后所得混合物置于制粉机中将之粉碎，所得混合粉体置于模具中进行挤压成型，得到坯料；其中，所得混合粉体的粒径为2μm，且挤压成型时压力为1.5mpa。
[0038]ⅱ、所得坯料经高温烧结处理后对其进行破碎处理，通过球化机将之制成3μm的实心微粒，将所得实心微粒与蒸馏水按照重量比2：1混合，同时向其中加入适量的添加剂，经充分搅拌均匀后对其进行过滤处理，然后采用高压喷射高速离心旋转喷雾法使之形成微球，在分区控制的增氧燃气炉上经过膨胀、高温烧结、表面熔融玻化、成球，经风力清选分级得到粒径为4μm的碳化钒中空微球成品；其中，添加剂选用碳酸钙，且其用量为1.5g/l。
[0039]ⅲ、按0.2g/ml的固液比将碳化钒中空微球均匀分散于浓度为0.2mol/l的硝酸钕溶液中，然后向硝酸钕溶液中加入摩尔量为硝酸钕2倍的尿素；经超声分散8min后，将所得混合相在50℃的温度下搅拌反应20h；待反应完毕后，对反应产物进行离心分离，并除去上层离心液，所得固体离心产物依次经水洗、乙醇洗涤后，再经分散、离心及洗涤2次后，将之置于50℃的气氛下干燥处理，所得固体微粉即为复配功能添加剂成品。
[0040]
纳米五氧化二钒的制备方法为：将摩尔比为1：3的五氧化二钒及草酸混合均匀后，向所得的混合液中依次投入质量为五氧化二钒0.95倍的柠檬酸及0.35倍的乙二醇；所得混合组分输送至气流式喷雾干燥机中进行喷雾干燥，然后将所得粉体进行有氧烧结及筛分处理，所得即为纳米五氧化二钒成品；其中，烧结温度为450℃，烧结时间为3h。
[0041]
一种耐高温抗腐蚀铝合金型材的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤一、对复配填料进行干燥处理后将之转入模具中，然后将模具及其中的复配填料在惰性气氛的保护下加热至600℃；
[0043]
步骤二、将原料中的纯铝加热至熔化状态，并向其中加入组成金属底材的其他原料，并以1000r/min的速率对混合物料充分搅拌5min；然后在700℃的温度下静置30min，所得熔体保存，备用；
[0044]
步骤三、将步骤二中所得熔体加入至步骤一中的模具中，加压至15mpa，使熔体充分渗入到球状体间隙，所得高温铝合金熔体经冷却处理后使之在模具中固定成型、锯板；然后用温度为60℃的热水水洗熔化去除球状体，烘干成型得铝合金型材坯料；
[0045]
步骤四、对所得铝合金型材坯料进行清洗及干燥处理；然后将耐高温涂层的原料与粘结剂混合后制成糊状，将糊状涂料预置在铝合金型材坯料的表面，经干燥处理后对其进行激光熔覆处理，再经自然时效处理后，即得耐高温抗腐蚀铝合金型材成品；
[0046]
其中，激光熔覆处理时的工艺参数为：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为3.5mm，扫描速度为2mm/s，功率为1.5kw，熔覆层厚度为0.4mm。
[0047]
实施例2
[0048]
本实施例所提供的铝合金型材的制备方法和实施例1大致相同，其主要区别在于，所用原料的具体配比不同，具体为：
[0049]
所述耐高温抗腐蚀铝合金型材包括铝合金基体及熔覆在其表面的耐高温涂层，铝合金基体由金属底材及体积为其1.8倍的复配填料组成；
[0050]
金属底材按质量分数计包括以下组分：fe：0.45、cu：0.42、si：0.22、mg：0.55、mo：0.06、zn：0.5、ti：0.35、zr：0.12、b：0.02、cr：0.6、v：0.02、ni：0.15、la：0.4、余量为al和杂质。
[0051]
复配填料的制备方法为：将黏土、粉煤灰、zrh2及纳米氧化钛按重量比2：1：3.2：1.2混合搅拌均匀后转入造粒机中，加水将之制成球体坯料，干燥后备用；然后将球体坯料及质量分别为其25％的黏土、45％的碳酸钙粉末混合均匀，再将所得混合料转入造粒机中，加水制成粒径为0.4mm的复配填料成品。
[0052]
耐高温涂层由以下重量份原料组成：16份b2o3、25份tic、12份cr2o3、15份nio、8份si3n4、25份al2o3及16份复配功能添加剂。
[0053]
复配功能添加剂的制备方法包括以下步骤：
[0054]ⅰ、按照4：1的重量比将纳米五氧化二钒与酚醛树脂混合均匀，并在85℃的温度下固化处理，然后将固化后所得混合物置于制粉机中将之粉碎，所得混合粉体置于模具中进行挤压成型，得到坯料；其中，所得混合粉体的粒径为4μm，且挤压成型时压力为2.0mpa。
[0055]ⅱ、所得坯料经高温烧结处理后对其进行破碎处理，通过球化机将之制成4μm的实心微粒，将所得实心微粒与蒸馏水按照重量比2：1混合，同时向其中加入适量的添加剂，经充分搅拌均匀后对其进行过滤处理，然后采用高压喷射高速离心旋转喷雾法使之形成微球，在分区控制的增氧燃气炉上经过膨胀、高温烧结、表面熔融玻化、成球，经风力清选分级得到粒径为5μm的碳化钒中空微球成品；其中，添加剂选用硫酸钾，且其用量为2.5g/l。
[0056]ⅲ、按0.3g/ml的固液比将碳化钒中空微球均匀分散于浓度为0.3mol/l的硝酸钕溶液中，然后向硝酸钕溶液中加入摩尔量为硝酸钕4倍的尿素；经超声分散10min后，将所得混合相在60℃的温度下搅拌反应30h；待反应完毕后，对反应产物进行离心分离，并除去上层离心液，所得固体离心产物依次经水洗、乙醇洗涤后，再经分散、离心及洗涤2次后，将之置于60℃的气氛下干燥处理，所得固体微粉即为复配功能添加剂成品。
[0057]
纳米五氧化二钒的制备方法为：将摩尔比为1：5的偏钒酸铵及草酸混合均匀后，向所得的混合液中依次投入质量为偏钒酸铵0.98倍的柠檬酸及0.45倍的乙二醇；所得混合组分输送至气流式喷雾干燥机中进行喷雾干燥，然后将所得粉体进行有氧烧结及筛分处理，所得即为纳米五氧化二钒成品；其中，烧结温度为500℃，烧结时间为5h；
[0058]
激光熔覆处理时的工艺参数为：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为4mm，扫描速度为2.5mm/s，功率为1.6kw，熔覆层厚度为0.6mm。
[0059]
实施例3
[0060]
本实施例所提供的铝合金型材的制备方法和实施例1大致相同，其主要区别在于，所用原料的具体配比不同，具体为：
[0061]
所述耐高温抗腐蚀铝合金型材包括铝合金基体及熔覆在其表面的耐高温涂层，铝合金基体由金属底材及体积为其2.5倍的复配填料组成；
[0062]
金属底材按质量分数计包括以下组分：fe：0.5、cu：0.45、si：0.25、mg：0.65、mo：0.072、zn：0.55、ti：0.43、zr：0.15、b：0.022、cr：0.72、v：0.023、ni：0.18、pr：0.5、余量为al和杂质。
[0063]
复配填料的制备方法为：将黏土、粉煤灰、cah2及纳米氧化钛按重量比2.3：1：3.5：1.5混合搅拌均匀后转入造粒机中，加水将之制成球体坯料，干燥后备用；然后将球体坯料及质量分别为其30％的黏土、50％的碳酸钙粉末混合均匀，再将所得混合料转入造粒机中，加水制成粒径为0.6mm的复配填料成品。
[0064]
耐高温涂层由以下重量份原料组成：20份b2o3、30份tic、15份cr2o3、18份nio、10份si3n4、30份al2o3及20份复配功能添加剂。
[0065]
复配功能添加剂的制备方法包括以下步骤：
[0066]ⅰ、按照6：1的重量比将纳米五氧化二钒与酚醛树脂混合均匀，并在95℃的温度下固化处理，然后将固化后所得混合物置于制粉机中将之粉碎，所得混合粉体置于模具中进行挤压成型，得到坯料；其中，所得混合粉体的粒径为5μm，且挤压成型时压力为2.8mpa。
[0067]ⅱ、所得坯料经高温烧结处理后对其进行破碎处理，通过球化机将之制成6μm的实心微粒，将所得实心微粒与蒸馏水按照重量比2：1混合，同时向其中加入适量的添加剂，经充分搅拌均匀后对其进行过滤处理，然后采用高压喷射高速离心旋转喷雾法使之形成微球，在分区控制的增氧燃气炉上经过膨胀、高温烧结、表面熔融玻化、成球，经风力清选分级得到粒径为8μm的碳化钒中空微球成品；其中，添加剂选用硫酸钠，且其用量为3g/l。
[0068]ⅲ、按0.4g/ml的固液比将碳化钒中空微球均匀分散于浓度为0.4mol/l的硝酸钕溶液中，然后向硝酸钕溶液中加入摩尔量为硝酸钕5倍的尿素；经超声分散15min后，将所得混合相在80℃的温度下搅拌反应35h；待反应完毕后，对反应产物进行离心分离，并除去上层离心液，所得固体离心产物依次经水洗、乙醇洗涤后，再经分散、离心及洗涤3次后，将之置于80℃的气氛下干燥处理，所得固体微粉即为复配功能添加剂成品。
[0069]
纳米五氧化二钒的制备方法为：将摩尔比为1：8的五氧化二钒及草酸混合均匀后，向所得的混合液中依次投入质量为五氧化二钒1.0倍的柠檬酸及0.5倍的乙二醇；所得混合组分输送至气流式喷雾干燥机中进行喷雾干燥，然后将所得粉体进行有氧烧结及筛分处理，所得即为纳米五氧化二钒成品；其中，烧结温度为550℃，烧结时间为8h；
[0070]
激光熔覆处理时的工艺参数为：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为4.5mm，扫描速度为3mm/s，功率为1.8kw，熔覆层厚度为0.8mm。
[0071]
对比例1：本实施例所提供的铝合金型材的制备方法和实施例1大致相同，其主要区别在于：采用等量的tih2粉末代替复配填料；
[0072]
对比例2：本实施例所提供的铝合金型材的制备方法和实施例1大致相同，其主要区别在于：所用耐高温涂层所用原料中不含复配功能添加剂。
[0073]
性能测试
[0074]
分别将通过本发明中实施例1～3制备的铝合金型材记作实验例1～3；通过对比例1～2制备的铝合金型材记作对比例1～2；然后分别对实施例1～3和对比例1～2提供的铝合金型材的相关性能进行测试；
[0075]
其中，各实施例及对比例提供的铝合金型材按照gb/t 3880-2006的要求制备各组待测样品，然后依据gb/t 1038-1040标准对各组待测样品的压缩屈服强度进行检测；
[0076]
依据gb/t 22639-2008标准对各组待测样品的剥落腐蚀等级进行检测；
[0077]
依据gb/t 3880-2006标准对各组待测样品的耐高温性能进行检测；
[0078]
并将所得的各组铝合金型材的测试结果记录于下表：
[0079][0080]
通过对比及分析表中的相关数据可知，根据本发明所制备的铝合金型材不仅具有优良的耐高温性能，而且其本身还具有优良的抗腐蚀性能及力学性能，有效地保证了所制备的铝合金型材品质的同时，也延长了其使用寿命。由此，表明本发明制备的铝合金型材具有更广阔的市场前景，更适宜推广。
[0081]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0082]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。