CN103628010A

CN103628010A - 一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法

Info

Publication number: CN103628010A
Application number: CN201310686582.9A
Authority: CN
Inventors: 李桂荣; 王宏明
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu Jintianchen New Material Co ltd
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103628010B

Abstract

本发明涉及铝基复合材料，特指一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，属新材料制备技术领域。该方法是基于光照和磁场的“光磁耦合致塑性”效应来提高材料的塑性变形能力，即在“磁场”和“光照”耦合作用下辅以“应力场”进行材料塑性变形加工，通过协调控制磁场类型、磁感应强度、磁场与应力场位相关系、光照种类、光照强度、耦合作用时间等参数提高铝基复合材料的延伸率。

Description

一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，特指一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，属新材料制备技术领域。

背景技术

金属塑性加工是以材料高塑性为前提并在外力作用下进行的，从金属塑性加工的角度出发，具有高塑性变形能力将是材料的重要优势之一；但众所周知，对于金属材料，高强度和低塑性往往是伴生的，在实际生产中往往需要对 “高强度、低塑性”材料进行塑性变形加工，目的在于改善制品尺寸或提高材料综合性能，因此探索一条行之有效的提高此类材料塑性变形能力的途径是非常迫切的；在备受关注的高性能铝材研究和应用领域中，在铝基复合材料出现之前，对铝材的研发和应用主要集中在不同系列铝合金方面，强化机制主要涉及固溶强化、析出相强化、细晶强化等方面，材料的强韧性和弹性模量在较长时间内停留在一个不太高的极值水平；近十余年来国家各主要支撑行业如轨道交通、军事国防的迅速发展对轻质高强韧铝材提出了迫切需求，在此应用背景下铝基复合材料应运而生，其中原位内生颗粒增强铝基复合材料满足了研发新材料新工艺必备的“高性能、高效率、低成本、低污染”的外在和内在需求，且日渐受到关注；从组织特征上看，内生颗粒尺寸细小且容易控制，基体与颗粒界面结合良好，无副产物生成，材料具有综合优异的使用性能，包括高比强度、高比刚度、高比模量、高耐磨、高耐腐蚀、低热膨胀（尺寸稳定性好）等，在轨道交通、航空航天、军事装备、电子器件等领域有着广泛应用前景；但研究同时也发现：因为硬质颗粒的存在弱化了材料塑性变形能力，复合材料的延展性远不及基体材料，较大程度上限制了复合材料在更广度和更深度层面的使用，因此亟待寻找一条能提高复合材料塑性变形能力的有效途径以弥补其塑性变形能力差之关键缺陷。

目前来看，与材料高塑性变形能力直接相关的研究是超塑性材料，使金属具备超塑性的方法主要是使其发生特定的组织变性并获得晶粒直径10μm以下的稳定等轴超细晶粒；常采用剧烈变形方法通过大应变实现基体晶粒纳米化和超塑性（专利：CN200810230081.9一种细晶超塑性耐热镁合金制备方法；专利CN200710011887.4一种短流程细晶超塑性材料制备方法；专利CN200910183585.4基于多对轮轧制和等通道转角挤压的金属材料大应变加工方法），控制并优化超塑性变形时的温度、应变速率、加热方式等使金属更易获得超塑性；但对几个专利的分析可知：通过剧烈变形实现晶粒纳米化和超塑性的方法只适合于延展性好的合金，比如变形铝、镁和钛合金等，换句话说：通过晶粒纳米化实现塑性提高或者超塑性的途径只适合某些高塑性金属材料；并且在剧烈变形过程中材料尺寸变形、组织变形和残余应力都很大，对于有特殊要求的构件并不适合；因此针对此类构件探索一条“高性能、高效率、低成本、低污染”的加工途径非常有必要。

理论分析表明：塑性变形的本质是位错缺陷的运动，而位错缺陷的实质具有电子特征，能影响电子行为的外场就能影响位错行为和运动性，进而影响材料的塑性变形特征及规律；在诸多物理场中光照能激发电子，电子的衰弱导致了电离、光化学反应、原子在晶格中的迁移等，进而影响位错运动；磁场（主要是≤30T的磁场）能诱发材料内部的磁敏感位错钉扎中心，进而影响位错运动。

实验研究表明：在光照和磁场共同作用下，对金属材料进行固态处理时，在处理后组织中观察到位错的大量增殖和位错运动痕迹，并发现了层错和形变孪晶等多数在剧烈变形条件下才会出现的塑性变形特征，同时试样仍保留着原有的形状和尺寸，说明材料内部发生了实质性的塑性变形但外观尺寸上仍保持着原有特征，属于微塑性变形范畴，并将该现象定义为“光磁致塑性变形”，是一个重要的研究发现；进一步进行理论分析认为：根据公式λf=c（λ是波长，f是频率，c是光速3.4×10⁸m/s，当光照频率超过临界频率时（1.035×10¹⁵/s）或波长小于临界波长（329nm）时，一定强度的光子能激发电子离开原子核的束缚，并形成电子流，电子流运动后嵌入位错沟壑并在磁场中受力，其在位错中间的运动引发了位错运动，此时对应较高的光子能量，位错运动所需要的磁场强度较小；而当光子能量较小时，电子只能发生跃迁，偏离原有轨道，形成一个附加磁矩，附加磁矩在磁场中受力运动，进而诱发位错运动，此时对应较低的光子能量，位错运动所需要的磁场强度较高；特别发现，在铝材（包括铝、铝合金和铝基复合材料等）中，当颗粒相和析出相体积分数高时，“光磁耦合塑性变形”效果越明显，本发明即是基于此效应，提出一种提高铝基复合材料塑性变形能力的新方法。

发明内容

本发明通过在材料塑性变形过程中同时施加一定强度和一定时间的光照和电磁场，利用“光磁致塑性效应”实现提高材料塑性变形能力的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一步：铝基复合材料的制备。

选择一定组分的铝合金作为基体，比如铸造铝合金ZL101或变形铝合金2024、6063或7055铝合金等。以颗粒或纤维增强金属基复合材料作为制备对象，增强相的引入方法有两种：外加法和内生法。内生法即是通过原位反应方法制备内生增强相。无论是外加法还是内生法，引入的增强相既要与基体有晶格匹配关系，即晶格错配度≤5%，符合条件的增强相有Al₂O₃、Al₃Zr、Al₃Ti及其混杂相Al₃（Ti_xZr_1-x）（0＜x＜1）、TiB₂、ZrB₂等；又要具有微纳米尺寸，即增强相尺寸要求≤1μm，采用外加法引入增强相时需要控制增强相的初始粒度≤1μm，如果是采用内生法引入增强相则分为两种情况：第一，某些内生增强相在铝熔体中生成后即具有微纳尺度特征，比如Al₂O₃、TiB₂、ZrB₂等；第二，对于金属间化合物，如Al₃Zr、Al₃Ti及其混杂相Al₃(Ti_xZr_1-x)（0＜x＜1），则要在合成过程中施加电磁场或超声场，促进增强相形核，减小增强相尺寸，通过控制物理场类型、强度和作用时间将增强相尺寸控制在≤1μm水平，可选择方法为：（1）旋转电磁场，磁感应器强度范围0.4~0.5T，作用时间3~4min；（2）超声场，超声强度范围1.3~1.6KW，作用时间3~4min；且在基体中弥散分布，以不出现局部团聚为准；若要定量衡量，则要求粒子与周围粒子最小间距≥0.5μm，平均间距在1~5μm为宜，主要通过快速凝固实现，比如采用铜模铸造或半连续铸造方法。

第二步：根据基体特性，对复合材料进行前期处理。

如果是铸造合金，要按照基体常规热处理制度进行固溶时效处理，一般定义为T6处理，比如对于ZL101，720℃铸造后先经过535℃×6h的固溶处理，水冷后再经过180℃×6h的时效处理，属常规热处理制度；如果是变形铝合金，要先经过均质退火处理和挤压或轧制变形加工，再进行固溶时效处理，如对于7055铝合金，在铸造后，先经过450℃×24h的均质退火处理，之后进行挤压或轧制变形加工，再经过475℃×2h的固溶处理，水冷后再进行120℃×24h的时效处理。

第三步：进行“光磁耦合塑性加工”，制备超塑性铝基复合材料，在特定光照和磁场条件下对固相材料进行处理。

光照条件主要包括：

（1） 光照类型：光的频率要大于铝的临界频率（即铝原子中的电子能被

激发时需要的最小频率，为1.035×10¹⁵），相应地光的波长要小于铝的临界波长（光速/临界频率，为329nm），在可获得的光源中符合条件的光种类有：①紫外光，又被划分为A 射线、B 射线和C 射线(简称UVA、UVB 和UVC),波长范围分别为A 射线400-315nm,B射线315-280nm,C射线280-190nm；②X射线波长0.01-10nm；③γ射线波长，波长短于0.02nm，结合实验成本和对光特征的要求，常选择紫外光中的UVA、UVB 和UVC；研究表明：光照种类不是决定塑性变形能力的重要因素，只要频率和波长满足要求即可。

（2） 光子能量：适宜的光子能量范围为2~10eV，但光磁耦合效果要使得

光照与磁感应强度匹配，即当光子能量在2＜E≤5ev范围内时，适宜的磁感应强度B范围为20≤B＜30T；当光子能量在5＜E≤10ev范围内时，适宜的磁感应强度B范围为1≤B＜20T，即低能量光子对应较大的磁感应强度，高光子能量对应较低的磁感应强度，才能得到较大的塑性变形量；特别当光子能量5eV，磁感应强度B为20T时，塑性变形增量达到同样应变速率下的最大值。

（3） 光照时间：时间数量级以秒计，和磁场作用时间同步。

磁场条件主要包括：

（1） 磁场类型和磁感应强度：可选择的磁场类型有直流静强磁场和脉冲

强磁场，磁感应强度范围1~30T，磁场参数在发挥作用时需与光照参数配合，才能得到较大的塑性变形能力（如上“光子能量”部分所述）。

（2） 磁场作用时间：适宜的磁场作用时间范围20s~200s，低于该时间时

不能充分发挥磁场作用，也不能实现“光磁耦合塑性变形”效应，高于该时间，磁场热效应增加，样品和体系工作环境温度不易控制，不可预测因素增加；在该范围内时，随处理时间延长，材料变形能力增加，根据需求来设定时间；特别强调，对于脉冲磁场，磁场作用时间是用“脉冲周期×脉冲个数”来度量，一般地磁感应强度高，脉冲周期短，脉冲个数少；相反磁感应强度低，脉冲周期长，脉冲个数多。

（3） 磁场与应力场位相关系：有平行和垂直两种方式，按照前期实验优

化结果，垂直较平行方式更有利于材料塑性变形。

最后，光磁耦合作用效果与应变速率有一定关系，应变速率较高时（比如10^-2/s），同等光磁条件下延伸率增幅较小；当应变速率较低时（比如10^-3/s），同等光磁条件下延伸率增幅较大；10^-2/s是相对较高应变速率，此时延伸率增幅相对较小，而10^-3/s是相对较底应变速率，此时延伸率增幅相对较大，从追求高延伸率角度看，是10^-3/s有益，但是应变速率小，变形周期长，而且也不是所有构件都需要较大变形量，基于这样的考虑，应变速率为10^-2/s-10^-3/s。

在以上条件下进行材料塑性变形时，延伸率提高幅值范围为100%~250%，具体数据与基体合金及实验条件有关。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

（1）以往提高材料塑性变形能力的方法主要是细晶，需要首先通过剧烈变形等方法制备细晶材料，需要大型变形设备和能量消耗；而“光磁耦合塑性变形”是光照和磁场引入材料塑性变形过程中来，是基于“光磁致塑性效应”，即光照和磁场耦合作用提高了材料的塑性变形能力，省略了细晶变形过程，缩短了高塑性材料的制备工序，节省了能量消耗，充分发挥了光照和磁场在材料加工中的应用潜力，满足新材料制备应有的“高效率、高性能、低成本、低污染”特征。

（2）再者，先前常用的大变形处理只适合于变形铝合金，不适合于铸造铝合金，适合的材料应用范围较窄并有限，而“光磁耦合塑性变形”方法对材料组分等无特殊要求。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例一： (Al ₃ Zr _(s) + Al ₂ O _3(s) ) _p /7055铝基复合材料的制备和不同条件下塑性变形特征

该种铝基复合材料所具有的特征为：Al₃Zr、Al₂O₃颗粒增强7055铝基复合材料，是微纳米颗粒增强形变铝基复合材料，材料制备方法为：熔炼7055铝合金（Zn：8.4%，Cu：2.2%，Mg：2.4%，Zr：0.2%，均为质量百分数，其余为铝），以碳酸锆粉体作为原料，通过与铝液之间的反应生成Al₂O₃，Al₃Zr颗粒，颗粒总体积分数设计为4 vol.%，按照式（1）计量方程式，并根据实验设定碳酸锆反应收得率为75%，则生成4vol.% （Al₂O₃+Al₃Zr）增强颗粒需要加入的碳酸锆量为为合金中铝量的7.24wt.%（质量百分数）。

13Al+3Zr(CO₃)₂=2Al₂O₃+3Al₃Zr+6CO₂（1）

通过熔体直接反应法，即将烘烤处理好的碳酸锆粉末加入到850℃的高温铝合金熔体中，原位反应生成Al₂O₃和Al₃Zr颗粒，颗粒尺寸在微纳米级，增强相平均尺寸≤1μm，通过铜质结晶器半连铸浇注成直径100mm的铸锭，将铸锭经过450℃，24小时的均质处理后，进行热挤压，挤压比16：1，挤压棒直径25mm；对样品实施475℃固溶2小时和120℃时效24小时热处理后进行“单独磁场塑性变形”和“光磁耦合塑性变形”对比实验。

表1是单独磁场时(Al₃Zr_(s)+ Al₂O_3(s))_p/7055铝基复合材料的延伸率，主要参数包括磁场类型、磁感应强度、作用时间等；表2是不同光磁等实验条件下(Al₃Zr_(s)+ Al₂O_3(s))_p/7055铝基复合材料的延伸率，主要参数包括磁场类型、磁感应强度、作用时间、光照种类和光子强度等；在表1和表2中都给出了未施加磁场和光磁耦合场时的延伸率数值作为空白样，磁场和光磁耦合场施加后的延伸率值与空白样进行对比得出延伸率增幅值，以此衡量不同参数下材料塑性变形能力的效果。

表1 单独磁场时(Al ₃ Zr _(s) + Al ₂ O _3(s) ) _p /7055铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE001

表1结果显示：对于(Al₃Zr_(s)+ Al₂O_3(s))_p/7055铝基复合材料，单独施加磁场时，当处理时间一定时，磁感应强度越大，塑性变形能力越强（如以上1、2、3所示）；当磁感应强度一定时，处理时间越长，塑性变形能力越强（如以上4、5、6所示），延伸率增幅范围为35%~70%。

表2不同光磁等实验条件下(Al ₃ Zr _(s) + Al ₂ O _3(s) ) _p /7055铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE002

备注*：磁场垂直于应力场；

表2结果显示：对于(Al₃Zr_(s)+Al₂O_3(s))_p/7055铝基复合材料，在光照和磁场耦合条件进行材料塑性加工时，材料的塑性变形能力得以大幅提高，高于单独施加磁场时的作用效果；特别当磁场光照参数耦合时可以获得最大塑性变形能力；不同光照和磁场耦合实验条件下，延伸率增幅范围为130%~245%之间，属于发明限定的增幅范围100%~250%。

实施例二：高塑性TiB ₂ 颗粒增强铸造铝基复合材料

该种铝基复合材料所具有的特征为：微纳米颗粒增强铸造铝基复合材料，材料制备方法为：熔炼A356铝合金（Si：7 ％,Mg：0.3％，均为质量百分数，其余是铝），以氟钛酸钾K₂TiF₆和氟硼酸钾KBF₄作为反应盐，颗粒体积分数设计为3vol.%，根据式（2）反应计量方程式，根据实验设定氟钛酸钾K₂TiF₆和氟硼酸钾KBF₄的收得率为90%，则生成3vol.% TiB₂增强颗粒需要加入K₂TiF₆量为基体合金中铝量的18.6%（质量百分数），需要加入的KBF₄量为基体合金中铝量的19.5%（质量百分数）。

2 K₂TiF₆+2KBF₄+5Al=TiAl₃+TiB₂+6KF+2AlF₃+4F₂（2）

在熔体温度750℃时通过混合盐反应法制备TiB₂颗粒增强铝基复合材料，颗粒体积分数控制在3~4vol%，颗粒尺寸范围为200~500nm在近纳米尺度，通过铜质结晶器半连铸浇注成直径100mm的铸锭，对铸锭实施535℃固溶4h和150℃时效15h的热处理后进行“单独磁场塑性变形”和“光磁耦合塑性变形”对比实验。

表3 单独磁场时TiB _2p /A356铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE003

表3结果显示：单独施加磁场时，当处理时间一定时，磁感应强度越大，塑性变形能力越强（如以上1、2、3所示）；当磁感应强度一定时，处理时间越长，塑性变形能力越强（如以上4、5、6所示）。延伸率增幅范围为35%~70%。

表4 不同光磁等实验条件下TiB _2p /A356铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE004

备注*：磁场垂直于应力场；

表4结果显示：对于TiB₂颗粒增强A356铝基复合材料，在光照和磁场耦合条件进行材料塑性加工时，材料的塑性变形能力得以大幅提高，高于单独施加磁场时的作用效果；特别当磁场光照参数耦合时可以获得最大塑性变形能力；不同光照和磁场耦合实验条件下，延伸率增幅范围为130%~245%之间，属于发明限定的增幅范围100%~250%。

实施例三：高塑性SiC纤维增强2024铝基复合材料

该种铝基复合材料所具有的特征为：纤维增强变形铝基复合材料，材料制备方法为：将熔融2024铝合金（Cu：4.18%，Mg：1.44%，Mn：0.58%，Si：0.06%，其余为Al）液强制压入内置SiC纤维预制件的固定模腔，所用压强20MPa，压力一直施加到凝固结束，制备出SiC纤维增强2024铝基复合材料，此时纤维体积分数控制为5vol.%，SiC密度3.17×10³kg/m³，则加入的SiC纤维质量为合金中铝量的6.4%（质量百分数），试样为正方体，尺寸100mm×100mm×100mm，将样品经过三道次轧制处理，轧制成厚度为10mm的薄板，将薄板实施490℃固溶3h和190℃时效10h的热处理后进行“单独磁场塑性变形”和“光磁耦合塑性变形”对比实验。

表5单独磁场时SiC _f /2024铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE005

表5结果显示：单独施加磁场时，当处理时间一定时，磁感应强度越大，塑性变形能力越强（如以上1、2、3所示）；当磁感应强度一定时，处理时间越长，塑性变形能力越强（如以上4、5、6所示）；延伸率增幅范围为35%~70%。

表6不同光磁等实验条件下SiC _f /2024铝基复合材料的延伸率

Figure 2013106865829100002DEST_PATH_IMAGE006

备注*：磁场垂直于应力场；

表6结果显示：对于SiC纤维增强2024铝基复合材料，在光照和磁场耦合条件进行材料塑性加工时，材料的塑性变形能力得以大幅提高，高于单独施加磁场时的作用效果；特别当磁场光照参数耦合时可以获得最大塑性变形能力；不同光照和磁场耦合实验条件下，延伸率增幅范围为125%~233%之间，属于发明限定的增幅范围100%~250%。

Claims

1.一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，塑性变形能力增幅范围达到150~250%，其特征在于：对铝基复合材料同时施加光照和磁场，协调控制磁场类型、磁感应强度、磁场与应力场位相关系、光照种类、光照强度、耦合作用时间和铝基复合材料的应变速率实现材料延伸率的大幅提高。

2.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述光照处理的光照频率要大于铝的临界频率，相应地光的波长要小于铝的临界波长，光子能量范围为2~10eV。

3.如权利要求2所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述光照处理中选择紫外光中的UVA、UVB 或UVC。

4.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述磁场的类型为直流静强磁场或脉冲强磁场，磁感应强度范围1~30T。

5.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：当光子能量在2＜E≤5ev范围内时，适宜的磁感应强度B范围为20≤B＜30T；当光子能量在5＜E≤10ev范围内时，适宜的磁感应强度B范围为1≤B＜20T，即低能量光子对应较大的磁感应强度，高光子能量对应较低的磁感应强度，才能得到较大的塑性变形量；耦合作用时间20s~200s。

6.如权利要求5所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：当光子能量为5eV，磁感应强度B为20T时，塑性变形增量达到同样应变速率下的最大值。

7.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述铝基复合材料的应变速率为10^-3~10^-2/s。

8.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述磁场与拉伸方向的应力场的位相关系为垂直。

9.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述铝基复合材料引入的增强相要与基体有晶格匹配关系，即晶格错配度≤5%；要求增强相具有微纳米尺寸，即增强相尺寸要求≤1μm；要求增强相在在基体中弥散分布，以不出现局部团聚为准，若要定量衡量，则要求粒子与周围粒子最小间距≥0.5μm，平均间距在1~5μm为宜。

10.如权利要求1所述的一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，其特征在于：所述铝基复合材料应进行前期处理；如基体为铸造合金，要按照基体常规热处理制度进行固溶时效处理；如基体为变形铝合金，按照常规要先经过均质退火处理和挤压或轧制变形加工，再进行固溶时效处理。