CN107779796B - 铝基复合材料的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝基复合材料的热处理方法，所述热处理方法包括将铝基复合材料先进行两段式固溶处理，再进行两段式时效处理的步骤，所述铝基复合材料包括亚微米级TiB2陶瓷颗粒增强Al‑Si‑Mg合金。本发明采用多级式固溶和时效处理在获得强度韧性合理匹配的力学性能。固溶处理在接近该材料熔点温度确保不过热、过烧的前提下，保持较长时间并分两阶段保温，获得过饱和固溶体，通过快速转移冷却，将过饱和固溶体保持下来，并通过两段分级时效处理，获得强度、韧性配合理想的力学性能。

Description

铝基复合材料的热处理方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料强化热处理技术领域，涉及一种铝基复合材料的热处理方法。
背景技术
一种Al-Si-Mg系三元合金，因具有铸造性能好、抗蚀性能高、可热处理强化而广泛应用航空、机械产品。随着新产品对材料高阻尼和高强度、高模量的要求，原Al-Si-Mg系三元合金材料合金化设计的局限性已经不可能使其性能大幅度提高。采用混合盐法，在Al-Si-Mg系三元铸造铝合金溶体中，高温下进行化学反应，原位生成TiB2陶瓷颗粒增强铝基复合材料。因基体中含TiB2颗粒，材料的弹性模量得到提高，力学性能和阻尼特性都得到提升。但是，与原Al-Si-Mg系三元合金相比，含有TiB2陶瓷颗粒的铝基复合材料，因大量弥散细小TiB2颗粒的阻碍，造成合金元素不易扩散。特别是在固溶处理时，合金元素在基体中的溶入过程进行缓慢，成份、组织的充分分解和均匀化相对于基体铝合金要困难得多；而时效处理时，因大量的陶瓷颗粒导致强化相析出加快，从而使材料的延伸率较原基体大幅降低。铝基复合材料应用初期沿用了基体合金的热处理工艺参数，试验结果表明复合材料的强度、延伸率均达不到设计要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，使材料性能达到设计要求，有必要研究铝基复合材料的强化工艺方法，使材料在TiB2增强相的作用下，大幅提高强度并确保优良的综合性能，以实现该材料的工业化应用。本发明的目的是提供一种铝基复合材料的热处理方法，针对这种铝基复合材料的固态相变特点，提供一种有效的热处理方法，使其力学性能达到要求，并具有相应的质量稳定性、重现性，满足工业规模化生产的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种铝基复合材料的热处理方法，所述热处理方法包括将铝基复合材料先进行两段式固溶处理，再进行两段式时效处理的步骤。
固溶处理时，在接近该材料熔点温度并确保不过热、过烧的前提下保温较长时间使合金元素及强化相充分溶入在基体合金中，随即快速转移至清水中冷却，获得过饱和固溶体，通过低温、高温两段分级时效处理，沉淀析出弥散分布的强化相，从而获得强韧性匹配的综合性能。
优选地，所述铝基复合材料包括亚微米级TiB2陶瓷颗粒增强Al-Si-Mg合金。
优选地，所述两段式固溶处理的具体步骤包括将铝基复合材料装炉，升温至530～540℃保温，再升温至548～555℃保温。
优选地，所述装炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h。
优选地，所述530～540℃下保温2～4h，548～555℃下保温6～12h。
优选地，所述两段式时效处理的具体步骤包括将经固溶处理后的铝基复合材料装炉，升温至100～120℃保温，再升温至150～175℃保温，即得。
优选地，所述装炉温度≤80℃，升温速度≤100℃/h。
优选地，所述100～120℃下保温2～4h，150～175℃下保温6～12h。
优选地，所述热处理方法还包括将经两段式固溶处理后的铝基复合材料进行淬火冷却的步骤。
优选地，所述淬火冷却的步骤具体为将经两段式固溶处理后的铝基复合材料在15秒内转移至40～60℃清水中冷却。
本发明在固溶时，依据该铝基复合材料固态相变的特点，装炉温度≤200℃，控制升温速度≤100℃/h，使材料加热过程中不同部位温度分布趋于均衡，减少热应力的影响，加热至530～540℃之间保持2～4小时，待低熔点共晶体充分溶解后再提高温度到548～555℃保持6～12小时，使高熔点合金元素及强化相充分溶入基体合金中，在15秒内快速转移至40～60℃清水中淬火冷却，避免固溶体在转移过程中发生分解，提高过冷度，最大限度获得过饱和固溶体，为后续时效强化奠定基础。
本发明在时效时，因基体合金中引入大量弥散细小的陶瓷颗粒强化相，引起强化相析出过程加速，且导致材料的延伸率降低。装炉温度≤80℃，控制升温速度≤100℃/h，可使固溶过程中产生的内应力缓慢释放，先加热至100～120℃之间保持2～4小时预时效，形成高密度和均匀的G、P区，成为随后时效析出相的核心，并控制基体析出相的弥散度、晶界析出相的尺寸及晶间无析出相的宽度，再经过150～175℃保持6～12小时后空冷的终时效，调整析出相的结构、尺寸、分布状况，获得较高强度的同时，可保持较好的延伸率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：存在脆性相陶瓷颗粒的复合铝合金通过本工艺热处理后，获得了超出基体材料60～80MPa的强度，又避免陶瓷颗粒对基体韧性的影响，保持较高的延伸率。同时优良的综合性能拓宽了材料的应用领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的固溶工艺曲线；
图2为本发明的时效工艺曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明工艺各过程在满足工艺要求的设备中实施。本发明固溶处理工件放置在料架上，料架吊挂于炉膛有效加热区内，关上炉门，按图1，在控温仪表中设定工艺程序，开始加热运行程序，运行完毕，炉门打开，料筐快速下降，进入淬火槽冷却，工件冷透出水，完成固溶过程。本发明方法时效处理按图2在控温仪表中设定工艺程序，进行自动运行，程序运行完毕，工件出炉空冷。固溶时效过程完毕，材料获得要求力学性能。
本发明实施例提供了一种铝基复合材料的热处理方法，所述热处理方法包括将铝基复合材料先进行两段式固溶处理，再进行两段式时效处理的步骤。
所述铝基复合材料为亚微米级TiB2陶瓷颗粒增强Al-Si-Mg合金。
所述两段式固溶处理的具体步骤包括将铝基复合材料装炉，升温至530～540℃保温，再升温至548～555℃保温。
所述装炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h。
所述530～540℃下保温2～4h，548～555℃下保温6～12h。
所述两段式时效处理的具体步骤包括将经固溶处理后的铝基复合材料装炉，升温至100～120℃保温，再升温至150～175℃保温，即得。
所述装炉温度≤80℃，升温速度≤100℃/h。
所述100～120℃下保温2～4h，150～175℃下保温6～12h。
所述热处理方法还包括将经两段式固溶处理后的铝基复合材料进行淬火冷却的步骤。
所述淬火冷却的步骤具体为将经两段式固溶处理后的铝基复合材料在15秒内转移至40～60℃清水中冷却。
实施例1
本实施例固溶处理时在150℃装炉，经过5小时缓慢升温到达535℃，保温2小时，再经过15分钟升温至550℃保温8小时，以10秒的转移速度快速将工件转移至40℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在35℃装炉，经过60分钟缓慢升温至120℃保温1小时，再经过40分钟升温至150℃保温10小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度395MPa，屈服强度320MPa，延伸率3.0％，性能达到指标要求。而基体材料的抗拉强度330MPa，屈服强度245MPa，延伸率5％。与基体材料相比，经本实施例的热处理方法处理后的铝基复合材料抗拉强度提高了20％，屈服强度提高20％，延伸率有所下降。
实施例2
本实施例固溶处理时在180℃装炉，经过4小时缓慢升温到达540℃，保温3小时，再经过20分钟升温至553℃保温6小时，以15秒的转移速度快速将工件转移至50℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在60℃装炉，经过30分钟缓慢升温至110℃保温2小时，再经过60分钟升温至160℃保温8小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度385MPa，屈服强度330MPa，延伸率2.8％，性能达到指标要求。与基体材料相比，经本实施例的热处理方法处理后的铝基复合材料抗拉强度提高了16％，屈服强度提高了35％，延伸率有所下降。
实施例3
本实施例固溶处理时在80℃装炉，经过5小时缓慢升温到达530℃，保温3小时，再经过15分钟升温至555℃保温6小时，以15秒的转移速度快速将工件转移至50℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在70℃装炉，经过30分钟缓慢升温至100℃保温3小时，再经过60分钟升温至170℃保温4小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度390MPa，屈服强度320MPa，延伸率2.6％，性能达到指标要求。与基体材料相比，经本实施例的热处理方法处理后的铝基复合材料抗拉强度提高了18％，屈服强度提高了30％，延伸率有所下降。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，仅采用一次固溶处理和一次时效处理，具体为：固溶处理时在150℃装炉，经过5小时缓慢升温到达535℃，保温10小时，以10秒的转移速度快速将工件转移至40℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在35℃装炉，经过60分钟缓慢升温至120℃保温11小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度345MPa，屈服强度257MPa，延伸率2.5％，性能均有降低。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，仅采用一次固溶处理，具体为：固溶处理时在150℃装炉，经过5小时缓慢升温到达535℃，保温10小时，以10秒的转移速度快速将工件转移至40℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在35℃装炉，经过60分钟缓慢升温至120℃保温1小时，再经过40分钟升温至150℃保温10小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度353MPa，屈服强度262MPa，延伸率2.1％。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，仅采用一次时效处理，具体为：固溶处理时在150℃装炉，经过5小时缓慢升温到达535℃，保温2小时，再经过15分钟升温至550℃保温8小时，以10秒的转移速度快速将工件转移至40℃清水中冷却，冷却完毕，将工件吊出水槽控干水分进行时效处理。时效处理时，在35℃装炉，经过60分钟缓慢升温至120℃保温11小时后出炉空冷。随炉处理试样送检，抗拉强度350MPa，屈服强度280MPa，延伸率5％。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种铝基复合材料的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括将铝基复合材料先进行两段式固溶处理，再进行两段式时效处理的步骤；
所述铝基复合材料为亚微米级TiB2陶瓷颗粒增强Al-Si-Mg合金；
所述两段式固溶处理的具体步骤包括将铝基复合材料装炉，升温至530～540℃保温2～4h，再升温至548～555℃保温6～12h；
所述装炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h；
所述两段式时效处理的具体步骤包括将经固溶处理后的铝基复合材料装炉，升温至100～120℃保温1～3h，再升温至150～175℃保温4～12h，即得；
所述装炉温度≤80℃，升温速度≤100℃/h。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法还包括将经两段式固溶处理后的铝基复合材料进行淬火冷却的步骤。
3.根据权利要求2所述的铝基复合材料的热处理方法，其特征在于，所述淬火冷却的步骤具体为将经两段式固溶处理后的铝基复合材料在15秒内转移至40～60℃清水中冷却。
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