CN103352193A - 一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，涉及铝合金及其复合材料，具体而言为：首先将铝合金或者铝基复合材料制备成板材，然后将板材与一定厚度的相同材质的块体材料贴合，采用摩擦加热部件在压力作用下对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到指定温度，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆，边施压边搅拌，同时摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，直至搅拌杆移出材料；然后在上述板材的大平面上贴合上另一块相同材质的板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度，去除最初的块体材料部分即得到块体细晶材料。与现有方法相比，加热的范围更宽，设备布置更加灵活，材料组织更均匀。

Description

一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其复合材料，具体而言为涉及一种采用搅拌摩擦方法制备超细晶铝合金及其复合材料的方法。
技术背景
晶粒细化可以有效提高材料强度，同时对材料塑性和韧性也能有很大改善，因此晶粒尺寸小于1μm的超细晶材料应用潜力巨大；目前，超细晶材料的制备方法主要包括喷射沉积法、机械研磨法、机械合金化法、非晶晶化法、摩擦压扭法、电解沉积法、快速凝固法和强烈塑性变形法等；但是，上述方法由于各自的技术限制，如喷射沉积法工艺复杂、非晶晶化法实现非晶化过程比较困难等，目前还位能实现工业应用。
搅拌摩擦加工是一种全新的细晶材料制备技术，该方法利用搅拌头造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现材料显微组织的致密化、均匀化和细化；采用该技术制备晶粒尺寸为纳米级的细晶铝合金，其强度和塑性都得到很大提高；该方法的基本过程是：搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待处理材料；停留一段时间，搅拌头附近区域的材料得到足够的摩擦热而出现软化变形；此时可以进行处理，热塑化的材料不断被搅拌头向后转移，这部分材料在一定锻压力的作用下可以与周围材料形成牢固的扩散连接；搅拌摩擦加工过程中，在热和机械的双重作用下，材料发生剧烈的塑性变形和回复再结晶，促使晶粒细化，使材料组织均匀致密，缺陷减少；目前，该技术主要用于改善各种铸造合金的微观组织，从而提高合金的综合性能。
然而，研究表明，由于搅拌摩擦加工的加热方式为由一端进行加热，材料的加工厚度受到很大限制，目前加工的材料一般为板类，切厚度在10mm以下；同时，只有通过增加FSP道次来提高材料组织的均匀性和得到大范围的FSP材料，但仍不能得到完全意义上的组织分布均匀；从目前研究来看，在FSP的实现方式上未能脱离FSW模式，这就从根本上难于解决材料微观结构不均匀现象。因此，迫切需要开发基于FSP基本思想的材料制备新工艺，以突破组织均匀性和材料厚度的瓶颈。
发明内容
本发明提出一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其原理是：通过对一定厚度的板材在厚度方向上进行摩擦加热，然后通过局部加压并采用跨越整个板材宽度的搅拌杆的搅拌作用，将板材的大平面部分连接在一起，在实现连接的同时实现材料组织的细化；该方法在材料整个宽度上加热，可实现搅拌细化的范围更大；而局部加压方式的采用，可以用更小的设备对需要连接的部分施加更大的压力，更加有利于搅拌杆的行走。
本发明提出一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，具体而言为：首先将铝合金或者铝基复合材料制备成板材，然后将板材与一定厚度的相同材质的块体材料贴合，采用摩擦加热部件在压力作用下对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到指定温度，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆，摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，边施压边搅拌，直至搅拌杆移出材料；然后在上述板材的大平面上贴合上另一块相同材质的板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度，去除最初的块体材料部分即得到块体细晶材料。
所涉及的板材，是指厚度为3~6mm、宽度为50~160mm的铝合金或者颗粒增强铝基复合材料板材。
所涉及的一定厚度的相同材质的块体材料，是指厚度为5~10mm，长度、宽度及材质与板材相同的铝合金或者铝基复合材料。
所涉及的摩擦加热部件，是指由5~8个可旋转的摩擦头组成的摩擦加热部件，摩擦头与板材贴合的一面做成目前搅拌摩擦加工轴肩常见的形状，如多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为9~18mm，相邻摩擦头之间相距1~2mm，板材越宽摩擦头个数越多。
所涉及的压力作用，是指将摩擦加热部件以0.5~5.0MPa的压应力贴合指定在板材的表面。
所涉及的加热到指定温度，是指通过摩擦加热部件对板材加热，并通过板材对块体材料进行加热，加热温度为0.8~0.9Tm，其中Tm为板材的熔点，单位是K。
所涉及的搅拌杆，是指直径4~8mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆的长度与板材的宽度相等，长度越长，直径越大。
所涉及的保温挡板，是指直径为8~15mm、厚度为10~15mm的由耐热保温材料，如耐火棉制作的挡板，两侧的保温挡板与搅拌杆做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接。
所涉及的摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，是指摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距5~10mm，以30~80mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动。
所涉及的边施压边搅拌，是指搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加0.5~5.0MPa的压应力，搅拌杆的旋转速度为800~1200rpm。
本发明提出的方法的优点在于：与现有方法相比，加热的范围更宽，压力更大，设备布置更加灵活，材料组织更均匀，既可以对铝合金进行处理，也可以对铝基复合材料进行处理，其原理还可用于其它合金材料及其复合材料，可以获得大尺寸超细晶材料。
附图说明
图1为本发明装置示意图，其中1为待加工板材，2为摩擦加热部件，3为搅拌杆，4为保温挡板，5为相同材质的块体材料或已加工过的材料；
图2为本发明为摩擦加热部件，其中1为摩擦头，2为摩擦加热部件框架。
图3为A356合金的显微组织照片；其中（a）为常规金属型铸造；（b）为本发明制备的超细晶。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
本实施例具体实施一种制备超细晶A356合金的方法：首先将A356合金制备成厚度3mm、宽度50mm、长度200mm的板材，然后将板材与厚度为5mm、宽度50mm、长度200mm的A356合金材料贴合，在0.5MPa压应力作用下采用摩擦加热部件对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到550℃，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆；摩擦加热部件由5个可旋转的摩擦头组成，摩擦头与板材贴合的一面做成多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为9mm，相邻摩擦头之间相距1mm；搅拌杆为直径4mm、长度50mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆与两侧的保温挡板做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接，保温挡板直径为8mm、厚度为10mm，由耐火棉制作而成；搅拌过程中，搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加0.5MPa的压应力，搅拌杆的旋转速度为800rpm；该过程中，摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距5mm，以30mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动，直至搅拌杆移出材料；然后，在上述板材的大平面上贴合上另一块厚度3mm、宽度50mm、长度200mm的A356合金板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度60mm，去除最初5mm厚的块体材料部分，得到块体细晶A356合金材料；从图3可以看出，细晶A356合金中α相明显细化，α相晶粒由常规金属型的平均40μm细化到低于10μm，且晶粒尺寸均匀，共晶硅呈细小颗粒状。
实施例2
本实施例具体实施一种制备超细晶6061合金的方法：首先将6061合金制备成厚度6mm、宽度160mm、长度500mm的板材，然后将板材与厚度为10mm、宽度160mm、长度500mm的6061合金材料贴合，在5.0MPa压应力作用下采用摩擦加热部件对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到450℃，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆；摩擦加热部件由8个可旋转的摩擦头组成，摩擦头与板材贴合的一面做成多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为18mm，相邻摩擦头之间相距2mm；搅拌杆为直径8mm、长度160mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆与两侧的保温挡板做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接；保温挡板直径为15mm、厚度为15mm，由耐火棉制作而成；搅拌过程中，搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加5.0MPa的压应力，搅拌杆的旋转速度为1200rpm；该过程中，摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距10mm，以80mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动，直至搅拌杆移出材料。然后，在上述板材的大平面上贴合上另一块厚度6mm、宽度160mm、长度500mm的6061合金板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度200mm，去除最初10mm厚的块体材料部分，得到块体细晶6061合金材料。
实施例3
本实施例具体实施一种制备细晶SiCp/6061复合材料的方法：首先将SiC/6061复合材料制备成厚度6mm、宽度160mm、长度400mm的板材，然后将板材与厚度为10mm、宽度160mm、长度400mm的SiC/6061复合材料贴合，在3.0MPa压应力作用下采用摩擦加热部件对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到500℃，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆；摩擦加热部件由8个可旋转的摩擦头组成，摩擦头与板材贴合的一面做成多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为18mm，相邻摩擦头之间相距2mm；搅拌杆为直径8mm、长度160mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆与两侧的保温挡板做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接；保温挡板直径为15mm、厚度为15mm，由耐火棉制作而成；搅拌过程中，搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加3.0MPa的压应力，搅拌杆的旋转速度为1000rpm；该过程中，摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距10mm，以70mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动，直至搅拌杆移出材料；然后，在上述板材的大平面上贴合上另一块厚度6mm、宽度160mm、长度400mm的SiCp/6061复合材料板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度150mm，去除最初10mm厚的块体材料部分，得到块体细晶SiCp/6061复合材料。
实施例4
本实施例具体实施一种制备超细晶TiCp/A356复合材料的方法：首先将TiCp/A356复合材料制备成厚度5mm、宽度100mm、长度300mm的板材，然后将板材与厚度为8mm、宽度100mm、长度300mm的TiCp/A356复合材料贴合，在2.0MPa压应力作用下采用摩擦加热部件对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到500℃，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆；摩擦加热部件由6个可旋转的摩擦头组成，摩擦头与板材贴合的一面做成多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为15mm，相邻摩擦头之间相距2mm；搅拌杆为直径6mm、长度100mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆与两侧的保温挡板做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接。保温挡板直径为10mm、厚度为12mm，由耐火棉制作而成；搅拌过程中，搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加2.0MPa的压应力，搅拌杆的旋转速度为1000rpm；该过程中，摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距8mm，以60mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动，直至搅拌杆移出材料；然后，在上述板材的大平面上贴合上另一块厚度5mm、宽度100mm、长度300mm的TiCp/A356复合材料板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度150mm，去除最初8mm厚的块体材料部分，得到块体细晶TiCp/A356复合材料。 

Claims (10)

1.一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：首先将铝合金或者铝基复合材料制备成板材，然后将板材与一定厚度的相同材质的块体材料贴合，采用摩擦加热部件在压力作用下对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到指定温度，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆，摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，边施压边搅拌，直至搅拌杆移出材料；然后在上述板材的大平面上贴合上另一块相同材质的板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度，去除最初的块体材料部分即得到块体细晶材料。
2.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的板材，是指厚度为3~6mm、宽度为50~160mm的铝合金或者颗粒增强铝基复合材料板材。
3.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的一定厚度的相同材质的块体材料，是指厚度为5~10mm，长度、宽度及材质与板材相同的铝合金或者颗粒增强铝基复合材料。
4.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的摩擦加热部件，是指由5~8个可旋转的摩擦头组成的摩擦加热部件，摩擦头与板材贴合的一面做成目前搅拌摩擦加工轴肩常见的多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为9~18mm，相邻摩擦头之间相距1~2mm，板材越宽摩擦头个数越多。
5.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的压力作用，是指将摩擦加热部件以0.5~5.0MPa的压应力贴合指定在板材的表面。
6.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的加热到指定温度，是指通过摩擦加热部件对板材加热，并通过板材对块体材料进行加热，加热温度为0.8~0.9Tm，其中Tm为板材的熔点，单位是K。
7.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的搅拌杆，是指直径4~8mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆的长度与板材的宽度相等，长度越长，直径越大。
8.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的保温挡板，是指直径为8~15mm、厚度为10~15mm的由耐热保温材料制作的挡板，两侧的保温挡板与搅拌杆做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接。
9.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，是指摩擦加热部件在前，搅拌杆在后，摩擦加热部件沿板材宽度方向的对称中心线与搅拌杆中轴线水平距离相距5~10mm，以30~80mm/min的相同移动速度一起从板材一端向另一端移动。
10.如权利要求1所述的一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其特征在于：所述的边施压边搅拌，是指搅拌杆紧跟摩擦加热部件，并由摩擦加热部件对板材表面施加0.5~5.0MPa的压应力，施加的压力应与摩擦加热部件对板材加热时施加的压力相等，搅拌杆的旋转速度为800~1200rpm。
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Application publication date: 20131016

Assignee: Danyang Rongjia Precision Machinery Co., Ltd.

Assignor: Jiangsu University

Contract record no.: 2016320000060

Denomination of invention: Method for preparing ultrafine grained aluminum alloy and composite material thereof

Granted publication date: 20150610

License type: Exclusive License

Record date: 20160229

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