CN103525995A - 一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，包括固溶和时效处理，该方法还包括深冷、回火和激光冲击处理。深冷处理包括从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将合金冷却到－196^oC保温10～40h。回火处理将合金加热到100～150^oC后保温2～3h。激光冲击处理参数为，激光冲击光斑直径1～10mm，脉冲能量1～10J，激光波长900～1200nm，重复率0.1～1HZ，脉冲宽度15～40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。合金材料优选为铝、镁、钛合金。本发明可使合金材料组织致密，残余应力小，存在细化的晶粒，合金材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性和抗疲劳寿命能得到同步大幅度提高。

Description

一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法

技术领域

本发明涉及合金材料的强化处理方法，特别是涉及一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法。

背景技术

制备高强度、高冲击韧性及高抗疲劳寿命合金材料是材料学者的追求目标，但是从强化机制看，合金材料的强度和韧性存在着此消彼长的矛盾。随着国家产业结构的调整和国民经济发展，航空、航天、高客和军工等行业得到了长足发展，对轻质高强韧合金材料提出了更高的迫切要求，因此亟待研究一种新的合金材料处理方法，使得合金材料在获得高强度、高韧性的同时，还具有高抗疲劳寿命特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，通过该方法处理的合金材料不仅同时兼备高强度和高韧性两种特性，而且还具有高抗疲劳寿命特征，并且与现有技术相比，强韧性和抗疲劳寿命能得到大幅提高，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提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，该方法包括对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，对合金材料进行的深冷处理；

在深冷处理后，将合金材料自然恢复到室温，然后对合金材料进行回火处理；

在回火处理后，将合金材料自然冷却到室温，然后对合金材料进行激光冲击处理。

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，将合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温10～40h。

在本发明中，所述回火处理的过程包括，将合金材料加热到100～150^oC后保温2～3h。

在本发明中，所述激光冲击处理的参数为，激光冲击光斑直径1～10mm，脉冲能量1～10J，激光波长900～1200nm，重复率0.1～1HZ，脉冲宽度15～40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。

在本发明中，所述固溶处理的过程包括，将合金材料在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，将合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

本发明在固溶处理前，还包括对合金材料依次进行的均质处理和挤压或轧制变形加工处理。

在本发明中，所述的合金材料为铝、镁、钛合金材料，优选为颗粒增强铝、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，当合金材料进行深冷处理时，因超低温作用，合金材料会发生收缩从而产生收缩塑性变形，塑性变形导致合金材料内部产生大量高密度位错，这样在深冷处理产生高密度位错的基础上，通过施以激光冲击处理，在激光冲击作用下，一方面，更加显著提高了合金材料内部的位错密度，另一方面，促使高密度位错相互缠绕和位错的快速运动，从而引起合金内部结构发生变化，使合金材料在宏观上产生硬化，而且，激光冲击合金材料，会使合金材料表层产生严重的塑性变形，并且，若合金材料屈服强度为δ，位错密度为ρ，因δ∝ρ^1/2，故ρ的大幅度提高使材料的屈服强度同时得到大幅度提高，这必然导致抗疲劳寿命的大幅延长。因此，通过本发明所述方法处理的合金材料不仅同时兼备高强度和高韧性两种特性，而且还具有高抗疲劳寿命特征，并且与现有技术相比，强韧性和抗疲劳寿命得到了大幅度提高，从而能更好地满足工业需要。

作为本发明的一种优选实施方式，本发明采用激光冲击光斑直径1～10mm，脉冲能量1～10J，激光波长900～1200nm，重复率0.1～1HZ，脉冲宽度15～40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%的激光冲击处理后，能使合金材料内部产生的位错更多，位错的运动更快，从而使合金材料具有更高的强韧性和抗疲劳寿命。

本发明采用将合金材料加热到100～150^oC保温2～3h的回火处理后，可将深冷处理后的合金材料保持在一个具有高密度位错的稳定组织状态。

本发明的合金材料优选为颗粒增强铝、镁、钛合金材料，这样一方面能保留合金材料中增强相的弥散强化、位错强化效果，使材料保留高强度特征，另一方面进一步发挥纳米孪晶强化效果，从而更好地改善合金材料的力学性能。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为6061铝合金材料在经过本发明方法处理后，在透射电镜下显示的位错组织结构图。

图2为6061铝合金材料在经过本发明方法处理后，组织的SEM图。

图3为6061铝合金材料在没有经过本发明方法处理时，在透射电镜下显示的位错组织结构图。

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。

一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，该方法包括对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，对合金材料进行的深冷处理；在深冷处理后，将合金材料自然恢复到室温，然后对合金材料进行回火处理；在回火处理后，将合金材料自然冷却到室温，然后对合金材料进行激光冲击处理。

本发明的深冷处理的过程包括，从室温开始，冷却速度1～10^oC/min，将合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温10～40h。

本发明的回火处理的过程包括，将合金材料加热到100～150^oC后保温2～3h。

本发明的激光冲击处理的参数为，激光冲击光斑直径1～10mm，脉冲能量1～10J，激光波长900～1200nm，重复率0.1～1HZ，脉冲宽度15～40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。

本发明的固溶处理的过程包括，将合金材料在400～540^oC的温度下保温2～7h。

本发明的时效处理的过程包括，将合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

本发明在固溶处理前，还包括对合金材料依次进行的均质处理和挤压或轧制变形加工处理。

本发明所述的合金材料为容易发生塑性变形的合金材料，例如铝、镁、钛等合金材料，优选为颗粒增强铝、镁、钛合金材料。

在本发明中，实施深冷处理的装置可采用市售的外层是无磁不锈钢、内层是高真空多层绝热材料的深冷柜或箱，采用的冷源是液氮。实施激光冲击处理的装置可采用市售的激光冲击机，在激光冲击时可采用铝箔作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时的约束层，流水厚度优选为1～2mm。冲击前，可将试样先进行抛光，然后放入盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。

实施例1：

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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

时效处理；将固溶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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

深冷处理；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，然后将铝合金棒材从深冷箱中取出，让其自然恢复到室温。

回火处理；将深冷处理后的铝合金棒材放置在真空热处理炉中，加热到130^oC后保温2h，然后将铝合金棒材从真空热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

激光冲击处理；在Nd：glass型激光冲击机上对回火处理后的铝合金棒材进行激光冲击，激光冲击处理的参数为：激光冲击光斑直径3mm，脉冲能量3J，激光波长1054nm，重复率0.5HZ，脉冲宽度23ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。冲击前，可将铝合金棒材先进行抛光，然后放置到盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。另外，可采用0.1mm的专用铝箔（其中一面为粘合剂，与铝合金棒材表面粘贴）作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时约束层，流水厚度约为1～2mm。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的强度625MPa，延伸率16.7%，硬度HV 178，冲击韧性7.8J.cm^-2，使用寿命提高到3～7倍。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

实施例2：

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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

时效处理；将固溶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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

深冷处理；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，然后将铝合金棒材从深冷箱中取出，让其自然恢复到室温。

回火处理；将深冷处理后的铝合金棒材放置在真空热处理炉中，加热到150^oC后保温2h，然后将铝合金棒材从真空热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

激光冲击处理；在Nd：glass型激光冲击机上对回火处理后的铝合金棒材进行激光冲击，激光冲击处理的参数为：激光冲击光斑直径5mm，脉冲能量5J，激光波长900nm，重复率0.3HZ，脉冲宽度30ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。冲击前，可将铝合金棒材先进行抛光，然后放置到盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。另外，可采用0.1mm的专用铝箔（其中一面为粘合剂，与铝合金棒材表面粘贴）作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时约束层，流水厚度约为1～2mm。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的强度196MPa，冲击韧性3.8J.cm^-2，使用寿命提高到2～4倍。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

实施例3：

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，然后将镁合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

时效处理；将固溶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，然后将镁合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

深冷处理；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10h，然后将镁合金棒材从深冷箱中取出，让其自然恢复到室温。

回火处理；将深冷处理后的镁合金棒材放置在真空热处理炉中，加热到120^oC后保温3h，然后将镁合金棒材从真空热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

激光冲击处理；在Nd：glass型激光冲击机上对回火处理后的镁合金棒材进行激光冲击，激光冲击处理的参数为：激光冲击光斑直径7mm，脉冲能量7J，激光波长1150nm，重复率0.7HZ，脉冲宽度35ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。冲击前，可将镁合金棒材先进行抛光，然后放置到盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。另外，可采用0.1mm的专用铝箔（其中一面为粘合剂，与镁合金棒材表面粘贴）作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时约束层，流水厚度约为1～2mm。

对经过处理后的镁合金棒材进行性能检试，镁合金棒材的强度360MPa，冲击韧性6.2J.cm^-2，使用寿命提高到3～4倍。从检测报告中可以得出：镁合金材料的强韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

实施例4：

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，然后将镁合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

时效处理；将固溶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，然后将镁合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

深冷处理；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40h，然后将镁合金棒材从深冷箱中取出，让其自然恢复到室温。

回火处理；将深冷处理后的镁合金棒材放置在真空热处理炉中，加热到100^oC后保温2h，然后将镁合金棒材从真空热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

激光冲击处理；在Nd：glass型激光冲击机上对回火处理后的镁合金棒材进行激光冲击，激光冲击处理的参数为：激光冲击光斑直径10mm，脉冲能量10J，激光波长1200nm，重复率1HZ，脉冲宽度40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。冲击前，可将镁合金棒材先进行抛光，然后放置到盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。另外，可采用0.1mm的专用铝箔（其中一面为粘合剂，与镁合金棒材表面粘贴）作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时约束层，流水厚度约为1～2mm。

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310MPa，屈服强度256MPa，冲击韧性4.9J.cm^-2，使用寿命提高到3～5倍。从检测报告中可以得出：镁合金材料的强韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

实施例5：

首先制备Al₂O₃颗粒增强6061铝合金棒材，然后以Al₂O₃颗粒增强6061铝合金棒材作为样品进行强化处理，所述6061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。

将6061铝合金铸锭装入坩埚，待全部融化后升温到900^oC，脱气、扒渣；将Al₂O₃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Al₂O₃纳米颗粒放入坩埚中，并进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900^oC时，浇铸成直径100mm铸锭；将所述100mm铸锭进行450^oC×12h的均质处理，然后进行热挤压，挤压温度220^oC，挤压比17：1，得到直径28mm 的Al₂O₃颗粒增强6061铝合金棒材。

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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

时效处理；将固溶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，然后将铝合金棒材从热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

深冷处理；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，然后将铝合金棒材从深冷箱中取出，让其自然恢复到室温。

回火处理；将深冷处理后的铝合金棒材放置在真空热处理炉中，加热到100^oC后保温3h，然后将铝合金棒材从真空热处理炉中取出，让其自然恢复到室温。

激光冲击处理；在Nd：glass型激光冲击机上对回火处理后的铝合金棒材进行激光冲击，激光冲击处理的参数为：激光冲击光斑直径1mm，脉冲能量1J，激光波长952nm，重复率0.1HZ，脉冲宽度15ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。冲击前，可将铝合金棒材先进行抛光，然后放置到盛有乙醇的槽内，利用超声波进行清洗。另外，可采用0.1mm的专用铝箔（其中一面为粘合剂，与铝合金棒材表面粘贴）作为激光能量吸收层，采用流水作为激光冲击时约束层，流水厚度约为1～2mm。

对经过处理后的铝合金棒材进行性能检试，铝合金棒材的强度376MPa，硬度为HBS 110，延伸率15%，冲击韧性5.6J.cm^-2，使用寿命提高到2～3倍，参见图1至图3的对比图。从检测报告中可以得出：铝合金材料的强韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

综上，采用本发明的方法后，可使合金材料组织致密，残余应力小，存在细化的晶粒，合金材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性和抗疲劳寿命得到了同步大幅度提高。

Claims (9)

1.一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，该方法包括对合金材料依次进行的固溶处理和时效处理，其特征在于：该方法还包括，

在时效处理后，对合金材料进行的深冷处理；

在深冷处理后，将合金材料自然恢复到室温，然后对合金材料进行回火处理；

在回火处理后，将合金材料自然冷却到室温，然后对合金材料进行激光冲击处理。

2.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，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，将合金材料冷却到－196^oC的超低温下保温10～40h。

3.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述回火处理的过程包括，将合金材料加热到100～150^oC后保温2～3h。

4.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述激光冲击处理的参数为，激光冲击光斑直径1～10mm，脉冲能量1～10J，激光波长900～1200nm，重复率0.1～1HZ，脉冲宽度15～40ns，输出激光脉冲能量起伏≤±5%。

5.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述固溶处理的过程包括，将合金材料在400～540^oC的温度下保温2～7h。

6.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述时效处理的过程包括，将合金材料在100～150^oC的温度下保温12～30h。

7.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：在固溶处理前，该方法还包括对合金材料依次进行的均质处理和挤压或轧制变形加工处理。

8.根据权利要求1所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述的合金材料为铝、镁、钛合金材料。

9.根据权利要求8所述的提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，其特征在于：所述的合金材料为颗粒增强铝、镁、钛合金材料。

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