CN106736270A - 一种提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：对于增强体颗粒体积含量为1～40％，厚度为1‑50mm的中低体分颗粒增强铝基复合材料轧制坯料，对边缘裂纹区进行多道次搭接模式的搅拌摩擦加工予以修复，并在边缘焊接上一定宽度的等厚变形铝合金包覆边，阻止裂纹向板材内部扩展。在后续轧制过程中，铝合金包覆边具有良好的塑性变形能力，可抑制复合材料边缘产生裂纹，从而解决铝基复合材料板材轧制过程中边缘区域易开裂的问题，显著提高成品率。
Description
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别提供了一种提高铝基复合材料板材轧制成品率的方法，适用于中低体分颗粒增强铝基复合材料板材的轧制成形。
背景技术：
金属基复合材料是由金属基体与增强体(多为陶瓷颗粒)经设计、复合而成的新材料，综合了金属良好的强度、韧性与易成型性等优点与陶瓷的高强、高模等优点。颗粒增强铝基复合材料(Aluminum Matrix composite,AMC)是研究与应用较为广泛的一类复合材料，不仅比强度、比刚度高，还具有较好的抗疲劳、抗高温蠕变、耐热、耐磨、减振等优点以及热物性优异等特性。AMC具有很强的可设计性，通过添加不同特性与含量的增强体可使材料体现出不同性能，既可用作承载结构，还可用于功能元件或满足结构功能一体化应用需求。通常硬度与强度随颗粒含量增加而增加，而延伸率与断裂韧性则下降。颗粒含量小于40％的AMC具有良好的强韧性综合性能，多用作结构材料。
作为国防安全和国民经济发展的重要结构与功能材料，AMC在航空航天、电子、军工、交通、体育及核工业领域应用前景广泛。AMC品种随着工业产品型号的更新而不断丰富，用量呈现逐年增长的态势。我国AMC研发起步晚，但近年来发展迅速。以航天飞行器为代表的重大工程需要轻质、高强的大尺寸板材/框架组合类构件，由中低体份AMC制备，通过适当塑性变形然后组装成型。虽然这类复合材料的陶瓷颗粒含量不高，但材料的塑性仍然较低，高性能大尺寸板材制备难度大。另外，我国核电事业快速发展，对核废料(主要为乏燃料)处理提出了新要求，核废料的贮存与运输是个关键问题。含硼的铝基复合材料中子吸收能力远高于硼钢、铅硼聚乙烯等传统材料，且轻质、耐高温、耐腐蚀，是核电站乏燃料贮存与运输容器制造的关键材料。目前国内外已开发出一系列含硼铝基复合材料，主要为B4C颗粒增强的大尺寸AMC板材。我国受复合材料产能与大型板材制备技术约束，亟需通过自主创新改变这一局面。
航空航天中的大尺寸板材/框架结构与核电站的新燃料/乏燃料贮运容器等关键部件，需要应用大量的AMC板材制备。由于陶瓷颗粒的存在，复合材料的塑性变形能力变差，轧制时极易在边缘处出裂纹，并快速扩展。生产中会在每道次轧制前检验边缘开裂程度，当出现严重裂纹时，只能通过剪切或机加工方法去切除边缘裂纹区，才可进行下一道次轧制。这不仅增加了生产流程，也会由于多次切除，使得板材宽度过窄，无法达到成品尺寸，从而增加了废品率。因此，开发相关辅助技术以提高成品率具有重要应用前景。
搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，它的焊接工具为一个由轴肩与搅拌针组成的搅拌头，在高速旋转焊接工具的摩擦与搅拌作用下，焊缝区材料发生剧烈塑性变形，通过动态再结晶，实现冶金结合。搅拌摩擦焊过程类似于机械加工，易于实现机械化、自动化，具有高效、快捷、易于控制等优点。搅拌摩擦加工是在搅拌摩擦焊基础上发展出多功能塑性加工基础，其过程与后者类似，只是对工件本体而非接缝进行搅拌，利用材料的剧烈塑性变形和温升，可使材料微观结构同时得到细化、均匀化和致密化。搅拌摩擦加工改性后工件形状与尺寸不发生改变，而且可以进行局部改性。目前，还未有在铝基复合材料板材轧制工艺中利用搅拌摩擦焊接与加工技术的研究与应用报导。
本申请基于我国各领域对大规格高性能AMC板材的广阔市场前景，针对复合材料板材轧制工艺中存在的板材边缘易开裂、成品低问题，提出基于搅拌摩擦焊接与加工的辅助新工艺，以解决该问题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，适用于增强体颗粒体积含量为1～40％，厚度为1-50mm的铝基复合材料板材轧制。
本发明具体提供了一种提高中低体分颗粒增强铝基复合材料成品率的加工方法，其特征在于：对于中低体分颗粒增强铝基复合材料轧制坯料，可以对其边缘裂纹区进行多道次搭接模式的搅拌摩擦加工予以修复裂纹，并通过在坯料边缘焊接上一定宽度(5-50mm，优选10-30mm)的等厚变形铝合金包覆边，阻止裂纹向板材内部扩展。在后续轧制过程中，铝合金包覆边具有良好的塑性变形能力，可抑制复合材料边缘产生裂纹，从而解决铝基复合材料板材轧制过程中边缘区域易开裂的问题，显著提高成品率。
本发明的提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法中，在优化的工艺参数下对边缘裂纹区进行多道次搭接式搅拌摩擦加工，并在毛坯件边缘焊接上一定宽度的等厚变形铝合金包覆边，在后续轧制过程中，铝合金包覆边具有良好的塑性变形能力，可抑制复合材料边缘产生裂纹，从而解决铝基复合材料板材轧制过程中边缘区域易开裂的问题，显著提高成品率。
作为优选的技术方案，进行单道次修复时，加工区宽度为板材厚度的0.5-5倍。当大于1道次时，前后道次间的重叠区域宽度为单道次宽度的0.1-0.5倍。搅拌摩擦加工的工艺参数优选为：工具转速为200-1000转/分钟(优选400-800转/分钟)，加工速度为20-1000毫米/分钟(优选100-400毫米/分钟)。
作为优选的技术方案，所述包覆边采用具有良好塑性变形能力的变形合金制备，优选为6061铝合金、5083铝合金、6063铝合金。
本发明所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其工艺流程短、成本低、易于操作，有理由相信这种新工艺将有着广阔的工业应用前景。
附图说明
图1为提高铝基复合材料板材轧制成品率的搅拌摩擦加工方法示意图，其中，1为边缘带有裂纹区的铝基复合材料轧制板材坯料，2为多道次搅拌摩擦加工修复区，3为变形铝合金包覆边。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
对体积含量为15％的SiC颗粒增强铝基复合材料板材，当厚度从15mm轧制到10mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约40mm，通过进行8道次、重叠区为20％的多道次搅拌摩擦加工，工艺参数为：工具转速600rpm、加工行进速度100mm/min。裂纹区被修复，在边缘焊接上厚度10mm、宽度30mm的6061铝合金作为包覆边，经后续5道次轧制到5mm厚，复合材料板材未出现裂纹。
对比例1
对体积含量为15％的SiC颗粒增强铝基复合材料板材，当厚度从15mm轧制到10mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约40mm。将裂纹区切除后，继续轧制，材板边缘再次出现向中心扩展的扩展，宽度不达标，造成废品。
对比例2
对体积含量为15％的SiC颗粒增强铝基复合材料板材，当厚度从15mm轧制到10mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约40mm。通过进行8道次、重叠区为20％的多道次搅拌摩擦加工，工艺参数为：工具转速600rpm、加工行进速度100mm/min。裂纹区被修复，在边缘焊接上厚度10mm、宽度30mm的纯铝作为包覆边，由于纯铝太软，与铝基复合材料焊接效果不好，经后续2道次轧制后，包覆边脱落。
对比例3
对体积含量为15％的SiC颗粒增强铝基复合材料板材，当厚度从15mm轧制到10mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约40mm。通过进行8道次、重叠区为20％的多道次搅拌摩擦加工，工艺参数为：工具转速600rpm、加工行进速度100mm/min。裂纹区被修复，在边缘焊接上厚度10mm、宽度30mm的7075铝合金作为包覆边，由于7075铝合金焊形能力差，经后续3道次轧制后，边缘出现裂纹。
实施例2
对体积含量为30％的B4C颗粒增强铝基复合材料轧制板材，当厚度从8mm轧制到5mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约30mm，通过进行7道次、重叠区为30％的多道次搅拌摩擦加工，工艺参数为：工具转速800rpm、加工行进速度200mm/min。裂纹区被修复，在边缘焊接上厚度5mm、宽度20mm的6063铝合金作为包覆边，经后续3道次轧制到3mm厚，复合材料板材未出现裂纹。
实施例3
对体积含量为25％的B4C颗粒增强铝基复合材料轧制板材，当厚度从10mm轧制到5mm时，边缘出现明显裂纹区，裂纹区宽度约30mm，通过进行7道次、重叠区为30％的多道次搅拌摩擦加工，工艺参数为：工具转速700rpm、加工行进速度150mm/min。裂纹区被修复，在边缘焊接上厚度5mm、宽度20mm的5083铝合金作为包覆边，经后续3道次轧制到3mm厚，复合材料板材未出现裂纹。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：对待轧制坯料边缘裂纹区进行多道次搭接模式的搅拌摩擦加工予以修复，并在坯料边缘焊接上一定宽度的等厚变形铝合金包覆边；所述待轧制坯料为中低体分颗粒增强铝基复合材料待轧制坯料。
2.按照权利要求1所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：所述铝基复合材料的增强体颗粒体积含量为1～40％。
3.按照权利要求1所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：所述铝基复合材料的厚度为1-50mm。
4.按照权利要求1所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：进行单道次修复时，加工区宽度为板材厚度的0.5-5倍。当大于1道次时，前后道次间的重叠区域宽度为单道次宽度的0.1-0.5倍。
5.按照权利要求1所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：所述包覆边采用6061铝合金、5083铝合金、6063铝合金制备。
6.按照权利要求1所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于：所述铝合金包覆边的宽度为5-50mm。
7.按照权利要求1或4所述提高铝基复合材料板材轧制成品率的加工方法，其特征在于，搅拌摩擦加工的工艺参数为：工具转速为200-1000转/分钟，加工速度为20-1000毫米/分钟。
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