CN106636718B - 一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法 - Google Patents

一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法，属于铝合金制备技术领域。本发明以二氧化钛与氧化硼等反应得到的产物为添加剂，与纯铝液混合熔融后，经梯度降温得到耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法。本发明首先利用炭黑和铝粉为还原剂，与二氧化钛和氧化硼在高温下反应，生成硼钛化合物，提高铝合金的耐应力腐蚀和常规的耐酸碱腐蚀能力，经熔融混合后，采用梯度降温，使合金中晶界析出相粗化，析出相间距增大，从而进一步提高耐应力腐蚀能力和屈服强度，最终制得耐应力腐蚀高强铝合金。本发明通过添加自制硼钛化合物配合梯度降温，进一步提高铝合金材料的耐应力腐蚀能力，有效解决了传统铝合金因应力腐蚀出现的无征兆断裂破坏问题。

Description

一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法，属于铝合金制备技术领域。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
高强铝合金一般是指以铝锌镁铜系列的超硬高强铝合金。近些年来，优化合金成分设计、提高纯度、发展新的热处理制度、超细化合金的组织结构、精确调控合金中强化相的最佳三维分布，成为发展高性能铝合金的重要方向。在铝合金构件的服役过程中，局部腐蚀往往是导致其失效的主要原因，而其中高强铝合金的应力腐蚀开裂问题尤为突出。应力腐蚀的特点是材料构件在断裂破坏前没有明显的预兆，故其破坏性和危害性极大。因此，铝合金应力腐蚀开裂一直倍受人们关注。铝合金在潮湿空气中发生的应力腐蚀开裂就属于阳极溶解型，因为铝合金在自然状态下易形成氧化层保护膜，具有较好的耐蚀性。在拉应力作用下，由于氧化膜与基体金属延伸性存在差异，氧化膜破裂，使裸露的基体金属与氧化膜在介质环境中形成小阳极和大阴极的自腐蚀电池，发生阳极溶解，从而促使裂纹较快扩展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对传统高强铝合金在使用过程中出现的因应力腐蚀而使材料出现无明显征兆的断裂破坏，导致材料失效的问题，提供了一种以二氧化钛与氧化硼等反应得到的产物为添加剂，与纯铝液混合熔融后，经梯度降温得到耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法。本发明首先利用炭黑和铝粉为还原剂，与二氧化钛和氧化硼在高温下反应，生成硼钛化合物，提高铝合金的耐应力腐蚀和常规的耐酸碱腐蚀能力，经熔融混合后，采用梯度降温，使合金中晶界析出相粗化，析出相间距增大，从而进一步提高耐应力腐蚀能力和屈服强度，最终制得耐应力腐蚀高强铝合金。本发明通过添加自制硼钛化合物配合梯度降温，进一步提高铝合金材料的耐应力腐蚀能力，有效解决了传统铝合金因应力腐蚀出现的无征兆断裂破坏问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）按重量份数计，依次称取80～85份180～200目二氧化钛，70～75份150～200目氧化硼，45～50份180～200目炭黑，10～15份150～200目铝粉，倒入混料机中，于转速为600～800r/min条件下，搅拌混合45～60min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以3～5mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1100～1200℃，恒温反应30～45min；
（2）待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为10～15%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣3～5次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为75～85℃条件下干燥4～6h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过180～200目筛，得过筛滤渣；
（3）称取100～200g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将3～5kg预热至760～800℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至200～250℃，脱模，并挤压成厚度为0.2～0.4mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温30～45min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；
（4）待模具中物料自然冷却至480～500℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至200～250℃，保温10～20s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
本发明制得的耐应力腐蚀高强铝合金抗拉强度为820～870MPa，伸长率为13～15%，屈服强度为740～780MPa，裂纹敏感性2.2～2.8%，屈服值290～352MPa，应力腐蚀门槛值为180～220MPa。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明制备步骤简单，所得铝合金具有较强的抗应力腐蚀性能，与传统铝合金相比抗应力腐蚀性能提高了15～21%；
（2）本发明耐应力腐蚀高强铝合金与传统铝合金相比断裂韧性提高了28～36%，应力腐蚀裂纹扩展速率降低了29～38%。
具体实施方式
首先按重量份数计，依次称取80～85份180～200目二氧化钛，70～75份150～200目氧化硼，45～50份180～200目炭黑，10～15份150～200目铝粉，倒入混料机中，于转速为600～800r/min条件下，搅拌混合45～60min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以3～5mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1100～1200℃，恒温反应30～45min；然后待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为10～15%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣3～5次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为75～85℃条件下干燥4～6h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过180～200目筛，得过筛滤渣；再称取100～200g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将3～5kg预热至760～800℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至200～250℃，脱模，并挤压成厚度为0.2～0.4mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温30～45min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；最后待模具中物料自然冷却至480～500℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至200～250℃，保温10～20s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
实例1
首先按重量份数计，依次称取80份180目二氧化钛，70份150目氧化硼，45份180目炭黑，10份150目铝粉，倒入混料机中，于转速为600r/min条件下，搅拌混合45min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以3mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1100℃，恒温反应30min；然后待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为10%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣3次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为75℃条件下干燥4h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过180目筛，得过筛滤渣；再称取100g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将3kg预热至760℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至200℃，脱模，并挤压成厚度为0.2mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温30min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；最后待模具中物料自然冷却至480℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至200℃，保温10s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
本发明制备步骤简单，所得铝合金具有较强的抗应力腐蚀性能，与传统铝合金相比抗应力腐蚀性能提高了15%，断裂韧性提高了28%，应力腐蚀裂纹扩展速率降低了29%；制得的耐应力腐蚀高强铝合金抗拉强度为820MPa，伸长率为13%，屈服强度为740MPa，裂纹敏感性2.2%，屈服值290MPa，应力腐蚀门槛值为180MPa。
实例2
首先按重量份数计，依次称取83份190目二氧化钛，73份175目氧化硼，48份190目炭黑，13份175目铝粉，倒入混料机中，于转速为700r/min条件下，搅拌混合52min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以4mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1150℃，恒温反应38min；然后待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为13%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣4次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为80℃条件下干燥5h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过190目筛，得过筛滤渣；再称取150g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将4kg预热至780℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至230℃，脱模，并挤压成厚度为0.3mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温38min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；最后待模具中物料自然冷却至490℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至230℃，保温15s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
本发明制备步骤简单，所得铝合金具有较强的抗应力腐蚀性能，与传统铝合金相比抗应力腐蚀性能提高了18%，断裂韧性提高了32%，应力腐蚀裂纹扩展速率降低了34%；制得的耐应力腐蚀高强铝合金抗拉强度为845MPa，伸长率为14%，屈服强度为760MPa，裂纹敏感性2.5%，屈服值321MPa，应力腐蚀门槛值为200MPa。
实例3
首先按重量份数计，依次称取85份200目二氧化钛，75份200目氧化硼，50份200目炭黑，15份200目铝粉，倒入混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以5mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1200℃，恒温反应45min；然后待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为15%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣5次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为85℃条件下干燥6h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过200目筛，得过筛滤渣；再称取200g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将5kg预热至800℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至250℃，脱模，并挤压成厚度为0.4mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温45min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；最后待模具中物料自然冷却至500℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至250℃，保温20s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
本发明制备步骤简单，所得铝合金具有较强的抗应力腐蚀性能，与传统铝合金相比抗应力腐蚀性能提高了21%，断裂韧性提高了36%，应力腐蚀裂纹扩展速率降低了38%；制得的耐应力腐蚀高强铝合金抗拉强度为870MPa，伸长率为15%，屈服强度为780MPa，裂纹敏感性2.8%，屈服值352MPa，应力腐蚀门槛值为220MPa。

Claims (1)

1.一种耐应力腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，依次称取80～85份180～200目二氧化钛，70～75份150～200目氧化硼，45～50份180～200目炭黑，10～15份150～200目铝粉，倒入混料机中，于转速为600～800r/min条件下，搅拌混合45～60min，再将混料机中物料倒入石墨坩埚，随后将石墨坩埚置于碳管炉，以3～5mL/min速率向炉内通入氩气，直至排出所有空气，在氩气保护状态下，加热升温至1100～1200℃，恒温反应30～45min；
（2）待反应结束，自然冷却至室温，再将碳管炉内物料倒入烧杯中，在玻璃棒搅拌状态下，滴加质量分数为10～15%盐酸，直至物料不再溶解为止，过滤，去除滤液，收集滤渣，并用去离子水洗涤滤渣3～5次，随后将滤渣转入真空干燥箱，于温度为75～85℃条件下干燥4～6h，得干燥滤渣，并将所得干燥滤渣置于粉碎机中，粉碎后过180～200目筛，得过筛滤渣；
（3）称取100～200g上述所得过筛滤渣，平铺于模具底部，再将3～5kg预热至760～800℃的纯铝液倒入模具中，待自然冷却至200～250℃，脱模，并挤压成厚度为0.2～0.4mm薄片，随后将薄片投入熔炼炉，加热升温直至薄片完全熔融，保温30～45min，除去熔融物表面浮渣，再将熔炼炉内物料倒入模具中；
（4）待模具中物料自然冷却至480～500℃，向模具表面喷洒去离子水，使其快速冷却至200～250℃，保温10～20s后，再向模具表面喷洒去离子水，使其冷却至室温，脱模，即得耐应力腐蚀高强铝合金。
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