CN103510028B - 轻合金材料强度和韧性的增强处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，该方法包括对轻合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后的深冷处理和在深冷处理过程中的超声场冲击处理。深冷处理过程包括从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将轻合金冷却到－196^oC保温12～30h。超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，超声场强度1～50Kw/m²，声场频率10～40KHZ，超声场处理时间为60～200S。将深冷处理和超声场冲击处理后的轻合金置于温度为110～170^oC烘箱中，保温2～6h，随后将轻合金置于空气中，自然恢复到室温。本发明可使轻合金材料组织致密，残余应力小，强韧性得到同步大幅提高。

Description

轻合金材料强度和韧性的增强处理方法

技术领域

本发明涉及一种轻合金材料的强化处理方法，特别是涉及一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法。

背景技术

轻质高强韧的轻合金材料在航空、航天、高客和军工等机械制造领域都有着广泛的的应用，制备轻质高强韧的轻合金材料是材料工作者的追求目标，但是从强化机制看，材料的强度和韧性存在着此消彼长的矛盾，因此，亟待研究一种新的材料制备和处理方法，使金属材料同时兼备高强度和高韧性两种特性。

从现有技术看，通常采用传统的热处理或等通道转角挤压法（ECAP）对轻合金材料进行细晶强化，或者采用在熔炼过程中加入细化剂对晶粒进行细晶强化或通过原位反应生成增强颗粒等方法，达到改善轻合金材料的力学性能。现有改善轻合金材料强韧性的中国专利主要有以下四个：一是专利号为200510037105.5，名称为一种高强韧挤压铸造铝合金材料的发明专利，其通过挤压铸造、淬火和不完全人工时效方法制备的铝合金材料具有强韧性，通过发挥细晶强化使材料具有高强韧性特征；二是专利号为200410023090.2，名称为一种改善超高强铝合金强韧性的热处理工艺的发明专利，其通过控制铝合金组织中晶界平衡相发生球化，在保证铝合金强度不降低或有所提高的基础上提高合金韧性，原理在于减少合金晶界处脆性相；三是专利号为201110400274.6，名称为一种超声场与细化剂复合细化AZ31镁合金晶粒的方法的发明专利，其通过AZ31镁合金在熔炼过程中，采用超声波将SiC陶瓷微粒引入到镁合金中，利用细化晶粒技术，改善铸造缺陷，提高合金的强度和韧性；四是专利号为201210580241.9，名称为一种原位自生Al₃BC增强镁基复合材料及其制备方法的发明专利，该方法通过将Al－A₃BC预制合金溶解，静置保温，搅拌或超声波处理后将合金液压铸或挤压铸造成形，即可得到颗粒增强镁基复合材料。上述方法都可提高轻合金材料的强度和韧性，但是，采用上述方法来提高轻合金强韧性的能力非常有限，很难制备出高强韧性的轻合金材料来满足工业生产的需要，因此，迫切需要寻求一种新方法，来大幅提高轻合金材料的强韧性，以满足日益发展的工业需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，通过该方法处理的轻合金材料不仅同时兼备高强度和高韧性两种特性，而且与现有技术相比，强韧性能得到大幅提高，从而能更好地满足工业需要。

为解决上述技术问题，本发明采用这样一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，该方法包括对轻合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后，对轻合金材料进行的深冷处理和在深冷处理过程中对轻合金材料进行的超声场冲击处理。

在本发明中，所述深冷处理的过程包括，从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将轻合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温12～30h。

在本发明中，所述对轻合金材料进行的超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，所述超声场的强度为1～50Kw/m²，声场频率为10～40KHZ，超声场的处理时间为60～200S。

在本发明中，所述深冷处理的后期是深冷处理离设定结束时间t≤0.5h。

在本发明中，可将深冷处理和超声场冲击处理后的轻合金材料置于温度为110～170 ^oC的烘箱中，保温时间为2～6h，随后将烘箱中的轻合金材料置于空气中，自然恢复到室温。

本发明的方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的轻合金材料放入15～45^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

在本发明中，所述固溶处理的过程包括将轻合金材料在400～540^oC的温度下保温2～7h。

在本发明中，所述时效处理的过程包括将轻合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

在本发明中，所述的轻合金材料为铝、镁、钛合金材料。

采用上述处理方法后，本发明具有以下有益效果：

从组织特征上看，当轻合金材料进行深冷处理时，因超低温作用，轻合金材料会发生收缩从而产生微塑性变形，塑性变形导致轻合金材料内部产生大量位错，这样在深冷处理时产生位错的基础上，通过施加一定强度的超声场冲击效应，利用超声场的空化效应和声流冲击效应，可促使轻合金材料中高密度位错实现快速运动，位错的快速运动可在轻合金材料内部诱发产生纳米孪晶，纳米孪晶的产生使轻合金材料具有纳米尺度共格晶面的组织特征，从而使轻合金材料同时具备高强度和高韧性的力学性能。

作为本发明的一种优选实施方式，所述超声场的强度为1～50Kw/m²，声场频率为10～40KHZ，超声场的处理时间为60～200S，并且在深冷处理的后期对轻合金材料进行超声场冲击处理，所述的深冷处理后期优选为深冷处理离设定结束时间t≤0.5h的时间范围内，即在深冷处理结束前的半小时内。采用这种技术方案后，由于超声场产生的高速瞬间冲击能量使轻合金材料表面的温度急剧升高又急剧冷却，这种高频能量从轻合金材料表面导入材料内部，因而引起材料组织不均匀的塑性变形和弹性应变，并促使轻合金材料中高密度位错的快速运动，使轻合金材料中产生大量的纳米孪晶，从而使轻合金材料的强韧性得到了大幅度提高。而且，当在深冷处理的后期对轻合金材料进行超声场冲击处理时，由于在深冷处理的后期，轻合金材料内部产生的位错更多，因此在轻合金材料内部能诱发产生更多的纳米孪晶，从而使轻合金材料具有更高的强韧性。

作为本发明的进一步改进，本发明将深冷处理和超声场冲击处理后的轻合金材料置于温度为110～170 ^oC的烘箱中，保温时间为2～6h，随后将烘箱中的轻合金材料置于空气中，自然恢复到室温。采用这种技术方案后，利用高低温处理方法，可使轻合金材料的力学性能更佳。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，该方法包括对轻合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，该方法还包括在时效处理后，对轻合金材料进行的深冷处理和在深冷处理过程中对轻合金材料进行的超声场冲击处理。

本发明的深冷处理过程包括，从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将轻合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温12～30h。

本发明对轻合金材料进行的超声场冲击处理优选在深冷处理的后期进行，所述超声场的强度为1～50Kw/m²，声场频率为10～40KHZ，超声场的处理时间为60～200S。

在本发明中，所述深冷处理的后期是指深冷处理离设定结束时间t≤0.5h，即在深冷处理结束前的半小时内。

本发明优选将深冷处理和超声场冲击处理后的轻合金材料置于温度为110～170 ^oC的烘箱中，保温时间为2～6h，随后将烘箱中的轻合金材料置于空气中，自然恢复到室温。

本发明的方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的轻合金材料放入15～45^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

在本发明中，所述固溶处理的过程包括将轻合金材料在400～540^oC的温度下保温2～7h。

在本发明中，所述时效处理的过程包括将轻合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

本发明所述的轻合金材料包括铝、镁、钛等合金材料。

在本发明中，实施深冷处理的装置可采用市售的具有隔热保温、不屏蔽超声场的深冷柜或箱，采用的冷源是液氮。实施超声场冲击处理的装置可采用市售的超声波发生器，所述超声波发生器能产生频率大于10kHz的振荡电信号，通过换能器转换为同频率的纵波机械振动能量，再通过变幅杆将换能器微小振幅（一般为4μm）变换到20～80μm，然后借助各种形式的工具头将振动能量传递到轻合金材料上。

在本发明中，优选将所述深冷处理和深冷处理后期的超声场冲击处理，以及深冷处理后的所述烘箱保温处理，重复循环操作2～3次。

实施例1：

采用6061铝合金棒材作为样品进行强化处理，该铝合金各成分的重量百分含量为Mg：0.8～1.2%，Si：0.4～0.8%，Cu：0.15～0.4%，Cr：0.15～0.35%，Mn：0.15%，Fe：0.7%，Zn：0.25%，Ti：0.15%，余量为Al。

固溶处理；将所述铝合金棒材放置在热处理炉中，在450^oC的温度下保温3h。

淬火处理；将固溶处理后的铝合金棒材放入15^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的铝合金棒材放置在热处理炉中，在100^oC的温度下保温30h，然后将铝合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的铝合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度10^oC/min，将铝合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温30h，在对铝合金棒材保温了29.5～30h时，对铝合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度50Kw/m²，声场频率40KHZ，超声处理时间60S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的铝合金棒材置于温度为110^oC的烘箱中，保温时间为6h，随后将烘箱中的铝合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的抗拉强度（δ_b）为456Mpa，屈服强度（δ_0.2）为388Mpa，伸长率（φ）为20%。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

实施例2：

采用7055铝合金棒材作为样品进行强化处理，该铝合金各成分的重量百分含量为Zn：8%，Mg：2.2%，Cu：2.2%，Zr：0.2%，Mn≤0.05%，Fe≤0.1%，Si≤0.15%，Ti≤0.06%，Cr≤0.04%，余量为Al。

固溶处理；将所述铝合金棒材放置在热处理炉中，在475^oC的温度下保温2h。

淬火处理；将固溶处理后的铝合金棒材放入20^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的铝合金棒材放置在热处理炉中，在120^oC的温度下保温24h，然后将铝合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的铝合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度1^oC/min，将铝合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温24h，在对铝合金棒材保温了23.5～24h时，对铝合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度30Kw/m²，声场频率20KHZ，超声处理时间150S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的铝合金棒材置于温度为110^oC的烘箱中，保温时间为4h，随后将烘箱中的铝合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的抗拉强度（δ_b）为688Mpa，屈服强度（δ_0.2）为654Mpa，伸长率（φ）为18.5%。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

实施例3：

采用6高硅（Si）铝合金棒材作为样品进行强化处理，该铝合金各成分的重量百分含量为Si：20%，Fe：2.0%，Sr：0.12%，余量为Al。

固溶处理；将所述铝合金棒材放置在热处理炉中，在540^oC的温度下保温4h。

淬火处理；将固溶处理后的铝合金棒材放入22^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的铝合金棒材放置在热处理炉中，在150^oC的温度下保温12h，然后将铝合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的铝合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度5^oC/min，将铝合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温12h，在对铝合金棒材保温了11.5～12h时，对铝合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度1Kw/m²，声场频率10KHZ，超声处理时间200S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的铝合金棒材置于温度为110^oC的烘箱中，保温时间为2h，随后将烘箱中的铝合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的抗拉强度（δ_b）为182Mpa，屈服强度（δ_0.2）为156Mpa，伸长率（φ）为21%。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

实施例4：

采用ZK61镁合金棒材作为样品进行强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al≤0.05%，Zn：5.0～6.0%，Mn≤0.1%，Zr：0.3～0.9%，Si≤0.05%，Fe≤0.05%，Cu≤0.05%，Ni≤0.005%，其它：0.31%，余量为Mg。

固溶处理；将所述镁合金棒材放置在热处理炉中，在400^oC的温度下保温3h。

淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入35^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在100^oC的温度下保温12h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度1^oC/min，将镁合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温12h，在对镁合金棒材保温了11.5～12h时，对镁合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度1Kw/m²，声场频率10KHZ，超声处理时间60S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170^oC的烘箱中，保温时间为2h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度（δ_b）为338Mpa，屈服强度（δ_0.2）为221Mpa，伸长率（φ）为23%。从检测报告中可以得出：镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

实施例5：

采用AZ61镁合金棒材作为样品进行强化处理，该镁合金各成分的重量百分含量为Al:5.5～6.5%，Zn:0.5～1.5%，Mn:0.15～0.4%，Si≤0.10%，Fe≤0.005%，Cu≤0.05%，Ni≤0.005%，其它≤0.35%，余量：Mg。

固溶处理；将所述镁合金棒材放置在热处理炉中，在470^oC的温度下保温7h。

淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入40^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在150^oC的温度下保温30h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度10^oC/min，将镁合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温30h，在对镁合金棒材保温了29.5～30h时，对镁合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度50Kw/m²，声场频率40KHZ，超声处理时间200S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170^oC的烘箱中，保温时间为6h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度（δ_b）为298Mpa，屈服强度（δ_0.2）为206Mpa，伸长率（φ）为20.5%。从检测报告中可以得出：镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

实施例6：

首先制备SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材，然后以SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材作为样品进行强化处理，所述AZ31镁合金各成分的重量百分含量为Al：3.0～4.0%，Mn：0.15～0.5%，Zn：0.2～0.8%，Cu：0.05%，Ni：0.005%，Si：0.15%，其它：0.37%，余量为Mg。

将AZ31镁合金铸锭装入720^oC坩埚中，此间输入N₂作为保护气体进行保护，待全部融化后，脱气、扒渣；将SiC粉末研磨成纳米颗粒（粒度小于100nm）按颗粒增强相理论重量的30%称量后，充分烘干，然后将烘干的SiC纳米颗粒放入坩埚中，并行电磁搅拌和人工搅拌，搅拌时间为5min。搅拌后的熔体静置2~3min，待温度再次升到720^oC时，浇铸成直径100mm铸锭；将所述100mm铸锭进行热挤压，挤压温度220^oC，挤压比30：1，得到直径28mm 的SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材。

固溶处理；将所述SiC颗粒增强AZ31镁合金棒材放置在热处理炉中，在420^oC的温度下保温5h。

淬火处理；将固溶处理后的镁合金棒材放入45^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

时效处理；将淬火处理后的镁合金棒材放置在热处理炉中，在130^oC的温度下保温20h，然后将镁合金棒材自然冷却到室温。

深冷处理和超声场冲击处理；将时效处理后的镁合金棒材放置在深冷箱中，从室温开始，冷却速度6^oC/min，将镁合金棒材冷却到－196^oC的超低温下保温20h，在对镁合金棒材保温了19.5～20h时，对镁合金棒材施加超声场冲击处理，超声场强度30Kw/m²，声场频率30KHZ，超声处理时间120S。

将经过深冷处理和超声场冲击处理后的镁合金棒材置于温度为170^oC的烘箱中，保温时间为4h，随后将烘箱中的镁合金棒材置于空气中，自然恢复到室温。

对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的抗拉强度（δ_b）为320Mpa，屈服强度（δ_0.2）为200Mpa，伸长率（φ）为17%。从检测报告中可以得出：镁合金材料的强韧性得到了同步大幅提高。

综上，采用本发明的方法后，可使轻合金材料组织致密，残余应力小，强韧性得到同步大幅提高，本发明将传统热处理进行了一种新的延伸和突破。

Claims (7)

1.一种轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，该方法包括对轻合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，在时效处理后，对轻合金材料进行深冷处理，其特征在于：该方法还包括在深冷处理过程中对轻合金材料进行超声场冲击处理，所述超声场冲击处理在深冷处理的后期进行，所述后期是指深冷处理离设定结束时间t≤0.5h，所述超声场的强度为1～50KW/m²，声场频率为10～40KHz，超声场的处理时间为60～200s。

2.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：所述深冷处理的过程包括，从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将轻合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温12～30h。

3.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：将深冷处理和超声场冲击处理后的轻合金材料置于温度为110～170 ^oC的烘箱中，保温时间为2～6h，随后将烘箱中的轻合金材料置于空气中，自然恢复到室温。

4.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：该方法还包括在固溶处理后、时效处理前进行的淬火处理，所述淬火处理的过程包括将固溶处理后的轻合金材料放入15～45^oC的水中进行淬火，然后冷却至室温。

5.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：所述固溶处理的过程包括将轻合金材料在400～540^oC的温度下保温2～7h。

6.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：所述时效处理的过程包括将轻合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

7.根据权利要求1所述的轻合金材料强度和韧性的增强处理方法，其特征在于：所述的轻合金材料为铝、镁、钛合金材料。