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一種石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金的制備方法與流程

文檔序號(hào):11146426閱讀:1076來(lái)源:國(guó)知局

本發(fā)明是一種石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金的制備方法,屬于復(fù)合金屬材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。



背景技術(shù):

石墨烯是一種新型二維納米材料,其納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層厚度的二維材料,是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料,強(qiáng)度高下達(dá)1.01Tpa,是結(jié)構(gòu)鋼的100倍,密度卻是結(jié)構(gòu)鋼的1/5。導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下電子遷移率超過(guò)200000cm2/V·S,高于納米碳管或硅晶體,電阻率只約1Ω·m,比鋁或銀更低,為世上電阻率最小的材料。另外,石墨烯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,對(duì)氣體分子為不可滲透膜,是理想的防腐材料。

石墨烯屬于納米級(jí)材料,具有表面活性,易與其他材料粒子結(jié)合。納米粒子最主要的應(yīng)用是作為其他非納米材料改性時(shí)的填充材料,但很多的納米粒子制取和保存都相對(duì)困難,石墨烯比較便于大規(guī)模制取和保存,因此可以用作其他材料改性時(shí)的填充材料。由于石墨烯的韌性和強(qiáng)度及表面活性,當(dāng)作為填充材料時(shí),可使石墨烯成為其他基礎(chǔ)材料晶粒之間的隱性焊接材料,在晶粒界面形成鏈橋效應(yīng)?;A(chǔ)材料晶粒間通過(guò)石墨烯表面活性作用,形成晶粒界面呈現(xiàn)無(wú)縫隙連接的形態(tài)。基礎(chǔ)材料中的晶粒界面形成無(wú)縫隙連接后,在外力作用時(shí),其晶界滑移現(xiàn)象減少,抗應(yīng)力能力增加,從而使得被填充的基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度隨著抗應(yīng)力能力的提高而增強(qiáng)。另外,石墨烯還可以有效包覆基體材料,隔絕或者減少基體與腐蝕介質(zhì)的接觸從而顯著降低基體的腐蝕速率。

蒙乃爾合金是以鎳為基體的鎳銅合金,其主要成分為約70wt.%的鎳和30wt.%的銅,除此外還有少量鐵、錳、鋁等強(qiáng)化元素。該合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性;高的強(qiáng)度、硬度及良好的加工性能,因此特別適用于要求高強(qiáng)度、耐高壓及承受腐蝕介質(zhì)作用的場(chǎng)合,是應(yīng)用十分廣泛的一類耐蝕材料,廣泛應(yīng)用于航空、航海、煉油、化工、冶金、電器、造紙、食品機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備中,如動(dòng)力工廠的無(wú)縫輸水管、蒸汽管,海水交換器和蒸發(fā)器,硫酸、濃堿管道,化學(xué)反應(yīng)釜、海水環(huán)境服役泵軸、螺旋槳等。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)蒙乃爾合金產(chǎn)品的性能要求越來(lái)越高,如各類泵、軸、蒙乃爾合金螺旋槳、高溫高壓反應(yīng)釜等都對(duì)蒙乃爾合金材料本身的強(qiáng)度提出了新的要求。例如,現(xiàn)階段石油開(kāi)采的難度較之以往更大,各類機(jī)械裝置工作工況越來(lái)惡虐,潛油電泵工作過(guò)程中的各類蒙乃爾合金軸使用壽命越來(lái)越短,目前,傳統(tǒng)工藝方法已很難提高蒙乃爾合金基體的強(qiáng)度,在這一背景條件下,使用密度小強(qiáng)度大的石墨烯作為增強(qiáng)材料,在提高蒙乃爾合金基體強(qiáng)度的同時(shí)還能降低材料的密度。另外,石墨烯還可以有效包覆基體材料,隔絕或者減少基體與腐蝕介質(zhì)的接觸,進(jìn)一步提高蒙乃爾合金的抗腐蝕能力。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計(jì)提供了一種石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金的制備方法,其目的是為了提高蒙乃爾合金的機(jī)械強(qiáng)度并進(jìn)一步提高其耐蝕性能。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:

該種石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金的制備方法的步驟如下:

步驟一、利用超聲分散儀制備石墨烯或氧化石墨烯單分散溶液,該溶液的溶劑為質(zhì)量百分比濃度為20%~100%的乙醇、NMP、聚乙二醇或PVP,溶劑的重量為石墨烯或氧化石墨烯的19~191倍;

步驟二、在石墨烯或氧化石墨烯單分散溶液中加入蒙乃爾合金粉體,蒙乃爾合金粉體的加入量占蒙乃爾合金粉體和石墨烯或氧化石墨烯總重量的95%~99.9%;

步驟三、將加入蒙乃爾合金粉體的石墨烯或氧化石墨烯單分散溶液放入球磨罐中球磨5~50h,得到混合溶液;

步驟四、將步驟三得到的混合溶液在50~60℃下攪拌烘干,得到石墨烯或氧化石墨烯和蒙乃爾合金混合粉體;

步驟五、將石墨烯或氧化石墨烯和蒙乃爾合金混合粉體冷壓成冷壓塊;

步驟六、將冷壓塊置于馬弗爐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1100~1280℃,保溫時(shí)間2~4h,氧化石墨烯被熱還原為石墨烯,得到石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金塊;

步驟七、將燒結(jié)成型后的石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金塊加熱至900~1150℃并保溫,再用噸位200~500t的熱鍛機(jī)進(jìn)行熱鍛,使塑性變形量達(dá)到10~80%,得到石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金板;

步驟八、將石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金板加熱至250~500℃并保溫2-5h,進(jìn)行去應(yīng)力退火。

蒙乃爾合金粉體的粒徑為5~100μm。

球磨的球料比為10:1~15:1,轉(zhuǎn)速為300r/min,球磨機(jī)的磨球?yàn)楦咛笺t軸承鋼質(zhì)材料制成,磨球?yàn)槿N不同尺寸磨球混合級(jí)配而成,三種磨球直徑分別為8毫米、5毫米、3毫米,質(zhì)量比為1:2:2。

步驟八中的應(yīng)力退火溫度為400℃~500℃,保溫時(shí)間為2~5h。

本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:

1.本發(fā)明方法通過(guò)超聲分散和高能球磨的方式,解決了石墨烯容易團(tuán)聚、不易分散的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了石墨烯與蒙乃爾合金粉末的均勻混合;

2.本發(fā)明方法通過(guò)高能球磨的方式,將石墨烯鑲嵌到蒙乃爾合金粉末表面,實(shí)現(xiàn)了石墨烯與蒙乃爾合金界面的牢固結(jié)合;

3.本發(fā)明方法將混合粉體壓坯在氬氣保護(hù)條件下于1100-1280℃高溫?zé)Y(jié),有利于實(shí)現(xiàn)壓坯的致密燒結(jié),且不被氧化;

4.本發(fā)明方法在粉末燒結(jié)成型之后在900-1150℃之間保溫,通過(guò)熱鍛工藝進(jìn)一步改善合金的微觀組織,有利于提高合金的機(jī)械性能。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述:

實(shí)施例

采用本發(fā)明所述方法制備石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾400合金的步驟如下:

步驟一、利用超聲分散儀制備石墨烯單分散溶液,該溶液的溶劑為質(zhì)量百分比濃度為20%~100%的乙醇、NMP、聚乙二醇或PVP,溶劑的重量為石墨烯的19~191倍;

本實(shí)施例中石墨烯稱量為5g,(Hummer’s法制備),溶劑為石墨烯重量19倍的乙醇,乙醇的質(zhì)量百分比濃度為80%,超聲工作時(shí)間為2h;

步驟二、在石墨烯單分散溶液中加入蒙乃爾合金粉體,蒙乃爾合金粉體的加入量占蒙乃爾合金粉體和石墨烯總重量的95%~99.9%;

本實(shí)施例中蒙乃爾合金粉末稱量為1kg(市售monel 400合金粉體,成分符合國(guó)標(biāo)),蒙乃爾合金粉體的粒徑為20~25μm。

步驟三、將加入蒙乃爾合金粉體的石墨烯單分散溶液放入球磨罐中球磨5~50h,得到混合溶液;

本實(shí)施例中球磨的球料比為10:1,轉(zhuǎn)速為300r/min,球磨時(shí)間為10h,球磨機(jī)的磨球?yàn)楦咛笺t軸承鋼質(zhì)材料制成,磨球?yàn)槿N不同尺寸磨球混合級(jí)配而成,三種磨球直徑分別為8毫米、5毫米、3毫米,質(zhì)量比為1:2:2;

步驟四、將步驟三得到的混合溶液在50℃下攪拌烘干,得到石墨烯和蒙乃爾合金混合粉體;

步驟五、將石墨烯和蒙乃爾合金混合粉體冷壓成冷壓塊;

步驟六、將冷壓塊置于馬弗爐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1180℃,保溫時(shí)間2h,隨爐冷后得到石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金塊;

步驟七、將燒結(jié)成型后的石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金塊加熱至1150℃并保溫4h,再用噸位200t的熱鍛機(jī)進(jìn)行熱鍛,使塑性變形量達(dá)到30%,得到石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金板;

步驟八、將石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金板加熱至500℃并保溫2.5h,進(jìn)行去應(yīng)力退火。

本實(shí)施例制備的石墨烯增強(qiáng)蒙乃爾合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度為575Mpa,伸長(zhǎng)率為32.7%。與未添加石墨烯的蒙乃爾合金(抗拉強(qiáng)度491MPa,伸長(zhǎng)率為35%)相比,蒙乃爾合金板材的強(qiáng)度明顯提高,而且增加強(qiáng)度的同時(shí),延伸率并沒(méi)有下降,凸顯石墨烯與其他增強(qiáng)相相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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