CN108000060B - 一种多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多尺度析出异构铝合金棒材的方法。该方法是将长度相同的若干纯铝和7075铝合金金属棒混合捆扎，然后进行旋转锻造塑性变形，经过多道次高应变旋锻变形，使得初始铝合金细棒界面结合，制得纯铝/7075铝合金混合棒材坯料。利用纯铝和7075铝合金的不同时效硬化行为，对棒材进行多尺度析出热处理，最终获得多尺度析出相密度的异构Al/7075铝合金棒材。

Description

一种多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法
技术领域
本发明涉及的是多尺度析出异构铝合金棒材的方法，具体是一种利用旋转锻造变形，实现纯铝和7075铝合金棒材侧向的紧密结合，再通过时效处理制备多尺度析出Al/7075Al异构棒材的方法。
背景技术
铝比其他有色金属、钢铁具有更优良的特性，如密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3；良好的耐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性以及表面处理性能等也比较好。因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电子电气、能源动力、冶金化工、农业排灌、机械制造、包装防腐、电器家具、日用文体等各个领域都获得了十分广泛的应用。工业纯铝抗拉强度很低，一般仅有80～100Mpa，其断裂延伸率可以达到40％左右。而7075铝合金是一种冷处理锻压合金，其强度较高，可以达到524MPa，但是其断裂延伸率比工业纯铝要低，仅为10％左右。强度和韧性这对矛盾体普遍存在于传统金属材料之中。如何同时提高材料的强度和韧性，获得高强高韧的材料,是目前的研究热点。Wu等人在《Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America》(PNAS,2015,112(47)：14501–14505)上发表了名为“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength withcoarse-grain ductility”，其介绍了一种具有高强高塑性的异质层状结构的纯钛，这种异构纯钛由硬的超细晶和软的再结晶组成。该方法制得的新型金属钛棒材通过异质结构的变形协调作用，能够在一定程度上兼得超细晶的高强度和粗晶的高韧性，大幅提升金属钛的综合性能。
压力加工复合法是制备金属复合材料的另一种有效方式，是在较大的压力和热作用下，对两种或多种金属进行塑性变形，随着结合表面应变增加，材料间界面逐步洁净、活化，最终形成平直的冶金结合并在后续的扩散热处理中结合面继续扩大，形成稳固结合。
中国发明专利CN106064504A介绍了一种利用叠轧制备高强高韧层状Mg-Li复合材料的方法，其原理是通过累积叠轧，将强度较高的α-Mg单相Mg-Li合金板材和塑韧性较好的β-Li单相Mg-Li合金板材多次叠层轧薄从而得到高强高韧层状Mg-Li复合材料。这种方法的特点是(1)可以获得α/β交替的Mg-Li合金层状复合材料,复合板材兼具高强度与良好韧性，(2)由于两种合金塑性变形能力存在差异，在变形过程中界面处将产生类似于异步轧制的“搓轧区”,“搓轧区”的形成有利于复合板材形成牢固的界面结合。其局限性是(1)用于轧制的板材必须裁剪成相同的尺寸，而且制备过程中需要进行多次进行裁剪、固定、加热、轧制，生产效率低；(2)该方法只适用于制备板材，无法制备异质结构的棒材。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多尺度析出异构铝合金棒材的方法。
该方法将一定数量的相同直径的纯铝和7075铝合金细棒捆扎混合，进行多模多道次的旋锻加工，在大压力变形的作用下实现两种材料的冶金结合，得到棒状的异质结构材料，再通过时效热处理控制第二相的析出，最终得到一种多析出相密度的异构铝合金棒材。
实现本发明目的的技术方案为：
一种多尺度析出异构铝合金棒材的方法，包含混料、旋锻、多尺度析出三步工序，首先选用两种或多种不同时效硬化行为的铝合金，充分混合后进行旋锻塑性变形，通过高温、高应变等方式使初始棒材机械合金化，获得致密、多尺度混合的铝合金棒材坯料；再通过后续时效处理，使该坯料中形成多尺度析出，获得多尺度析出强化铝合金材料
一种多尺度析出异构铝合金棒材的方法，包括以下步骤；
第一步，对铝合金棒材表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨到暴露出光亮金属基体；
第二步，取若干数量长度相同的两种铝合金细棒按照半径从小到大有序混合，确保混合后的截面直径约等于第一道模具的直径，并对铝合金细棒的端部和尾部进行捆扎；
第三步，将混合好的铝合金细棒放入旋锻机进行大变形加工，多个模具进行径向锻打和轴向旋转加工；按照旋锻模具半径从大到小的顺序，逐级更换旋转锻压模具，直至各金属细棒完成紧密结合。其中，旋锻塑性变形的进料速度控制在1-10m/min，变形温度为25℃-400℃，旋锻模具直径为20-40mm，单道次下压量为10-40％，材料预热在真空炉中进行，预热时间为1-30分钟，预热温度为100-400℃；
第四步，达到指定的压下量后，切除棒材首尾处结合不好的部分，得到异构材料；
第五步，将获得的异构铝合金材料放入真空炉进行固溶时效处理；固溶温度选择在450～550℃之间，固溶时间为1～12小时；然后，在油浴环境下对样品进行0.5～250小时的时效处理，时效温度为150～250℃之间。
本发明采用两种铝合金细棒为纯铝和7075铝合金，进行异构铝合金材料。
异构材料中的7075铝合金会析出纳米级的第二相粒子，显著提升强度，从而获得强韧综合性能好的多尺度析出异构铝合金棒材，进一步提升材料的综合性能。
为减少加工过程中材料界面的氧化，通惰性气体加以防氧化保护。
本发明与现有技术相比具有显著优点如下：
(1)本发明通过旋锻变形使纯铝和7075铝合金复合成型，得到异构的Al/7075Al棒材；
(2)利用纯铝和7075铝合金在时效处理过程中的不同析出行为，成功制得具有高强高韧特性的多尺度析出Al/7075Al异构铝合金棒材；；
(3)本发明操作流程简单，生产效率高。
附图说明
图1为本发明的加工流程的示意图；
其中1和2分别为Al和7075Al金属丝，3为捆扎用的金属丝；4，5，6，7为旋锻模具，执行过程中模具4，5，6，7同时进行旋转和锻打材料的塑性加工。8为真空热处理炉，9和10分别为纯铝和7075铝合金，11为7075铝合金中析出的第二相颗粒。
图2(a)为多尺度析出异构棒材中纯铝和7075铝的显微硬度图，图2(b)为多尺度析出异构棒材中纯铝的透射电镜图，图2(c)为多尺度析出异构棒材析出相透射电镜图，其中黑点为析出相。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述
实施例1
(1)选取长度为1.2m的纯铝和7075铝合金金属细棒，对其表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮金属。
(2)将处理好的两种金属细棒按照图1所示混合排列，由于第一道次选用模具直径为20mm，所以混合后金属棒横截面直径约为20mm，保证金属坯料可以塞进模具腔内。为防止金属细棒松散，坯料首尾用Al丝捆扎固定。
(3)将金属细棒坯料放入旋锻机进行大变形加工，进料速度控制在5m/min左右，当坯料截面直径达到下一个模具直径(18mm)时，更换下一道模具，重复以上操作，直至金属间形成良好结合。
(4)取出旋锻加工完的棒材，去除表面油污，切除首尾结合不好的部分，得到由纯铝和7075铝合金组成的成分异构铝合金材料。
(5)对该异构铝合金棒材进行真空固溶处理，时效处理，固溶温度为475℃，保温1.5小时后水淬，获得单相固溶体；然后再对固溶后的材料进行人工时效处理，时效温度为150℃，时间为24小时。
实施例2
(1)选取长度为1.2m的纯铝和7075铝合金金属细棒，对其表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮金属。
(2)将处理好的两种金属细棒按照图1所示混合排列，由于第一道次选用模具直径为20mm，所以混合后金属棒横截面直径约为20mm，保证金属坯料可以塞进模具腔内。为防止金属细棒松散，坯料首尾用Al丝捆扎固定。
(3)将金属细棒坯料放入旋锻机进行大变形加工，进料速度控制在5m/min左右，当坯料截面直径达到下一个模具直径(18mm)时，更换下一道模具，重复以上操作，直至金属间形成良好结合。
(4)取出旋锻加工完的棒材，去除表面油污，切除首尾结合不好的部分，得到由纯铝和7075铝合金组成的成分异构铝合金材料。
(5)对该异构铝合金棒材进行真空固溶处理，时效处理，固溶温度为475℃，保温1.5小时后水淬，获得单相固溶体；然后再对固溶后的材料进行人工时效处理，时效温度为200℃，时间为24小时。
实施例3
(1)选取长度为1.2m的纯铝和7075铝合金金属细棒，对其表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮金属。
(2)将处理好的两种金属细棒按照图1所示混合排列，由于第一道次选用模具直径为30mm，所以混合后金属棒横截面直径约为30mm，保证金属坯料可以塞进模具腔内。为防止金属细棒松散，坯料首尾用Al丝捆扎固定。
(3)将金属细棒坯料放入旋锻机进行大变形加工，进料速度控制在5m/min左右，当坯料截面直径达到下一个模具直径(28mm)时，更换下一道模具，重复以上操作，直至金属间形成良好结合。
(4)取出旋锻加工完的棒材，去除表面油污，切除首尾结合不好的部分，得到由纯铝和7075铝合金组成的成分异构铝合金材料。
(5)对该异构铝合金棒材进行真空固溶处理，时效处理，固溶温度为475℃，保温1.5小时后水淬，获得单相固溶体；然后再对固溶后的材料进行人工时效处理，时效温度为150℃，时间为24小时。

Claims (6)

1.一种多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，包含混料、旋锻、多尺度析出三步工序，首先选用两种或多种不同时效硬化行为的铝合金，充分混合后进行旋锻塑性变形，通过高温、高应变等方式使初始棒材机械合金化，获得致密、多尺度混合的铝合金棒材坯料；再通过后续时效处理，使该坯料中形成多尺度析出，获得多尺度析出强化铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
第一步，对铝合金棒材表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨到暴露出光亮金属基体；
第二步，取若干数量长度相同的异种铝合金细棒混合排列，确保混合后的截面直径约等于第一道模具的直径，并对铝合金细棒的端部和尾部进行捆扎；
第三步，将混合好的铝合金细棒放入旋锻机进行大变形加工，多个模具进行径向锻打和轴向旋转加工；按照旋锻模具半径从大到小的顺序，逐级更换旋转锻压模具，直至各金属细棒完成紧密结合；
第四步，达到指定的压下量后，切除棒材首尾处结合不好的部分，得到异构材料；
第五步，将获得的异构铝合金材料放入真空炉进行固溶时效处理。
3.根据权利要求2所述的多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，
混料工艺在隔氧和惰性气体保护氛围下进行，混料流程为：将长度相同的若干数量异种铝合金细棒按照半径从小到大有序混合并用金属丝捆扎固定。
4.根据权利要求2所述的多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，第三步中进行旋锻塑性变形，进料速度控制在1-10m/min，变形温度为25℃-400℃，旋锻模具直径为20-40mm，单道次下压量为10-40％，材料预热在真空炉中进行，预热时间为1-30分钟，预热温度为100-400℃。
5.根据权利要求2所述的多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，对旋锻后材料进行真空固溶处理，消除变形缺陷和变形过程中的动态析出，固溶温度选择在450～550℃之间，固溶时间为1～12小时；然后，在油浴环境下对样品进行0.5～250小时的时效处理，时效温度为150～250℃之间。
6.根据权利要求1所述的多尺度析出异构铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述的两种或多种不同时效硬化行为的铝合金，其中不可以时效硬化的铝合金包括纯度为99.00％-99.99％的工业纯铝，可以时效硬化的铝合金包括6000系铝合金中可以时效强化的铝合金，7000系铝合金。
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