CN108570634B - 一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，属于金属材料技术领域。该方法首先在流动水作用下采用搅拌摩擦加工技术对低合金元素含量铝合金进行表面加工，然后通过低温时效处理调控铝合金晶粒尺寸与析出相的微观组织搭配，实现在保持铝合金导电性能的同时，提高其强度，从而获得所述高强高导铝合金。该方法通过采用搅拌摩擦加工和低温时效处理来调控低合金元素含量铝合金的晶粒尺寸与析出相微观组织搭配，达到调控、优化和提高力学和电性能的目的，该方法具有高效、快捷、低成本的突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法。
背景技术
随着经济的高速发展，整个社会对电力的需求量急剧增加，电网需要承受的输电容量正在成倍增加。而目前已有的输电线路在未来几年里很难满足电力输送需求，因此，在不增加架空线的重量和直径的前提下，提高导线与相关构件的导电性，从而提高电线的输电容量成为电网更新换代的必然趋势。
因此，与传统钢芯铝导线相比，具有耗能低、重量轻、弧垂特性好等优点的全铝导线进入了人们的视野。同时，我国正处于高压直流输电技术的高速发展时期，计划在2020年前再建成500kV长距离高压输电线18条，总长度达20000km，预计需求全铝导线约70万吨。
金属材料的强度和导电性通常呈倒置关系，即强度提高通常会导致金属电导率的下降，二者很难兼顾。这一关系由金属的晶体结构决定，晶体中有大量离域电子作为载流子，周期性排列晶体使电子运动的阻碍降到最低，使其具有优异的导电性，但这也使其屈服应力较低。常用的强化方式主要有固溶强化、细晶强化、形变强化、弥散强化、沉淀强化等，在其周期性排列的晶格结构中引入固溶合金原子、位错、晶界和第二相等“缺陷”，破坏其周期性，从而提高晶格位错萌生和移动的阻力。然而，各种类型“缺陷”的引入都会带来电导率的下降。其中，引入合金元素的固溶强化带来的电导率损失最为严重，而沉淀强化影响则相对最小。因此，为保证合金的导电性，应尽量少添加合金元素，并常使用“固溶-变形-时效”方法实现强化。
而为了保证铝合金的导电性能，通常仅添加少量的合金元素，但这会使得其强度偏低。目前电网扩容中主要以纯铝导线代替传统的钢绞线，但由于强度只有钢绞线的65％。故在大风、冻雨等恶劣天气条件下易发生危险事故。这就对高强高导铝合金提出了需求。此外，一些新兴的应用领域，如电磁发射系统中的电枢材料，对轻质、高强、高导的先进铝合金的需求尤为迫切。
金属和合金还可以通过细化晶粒来提高其强度，且晶粒细化对电导率的降低并不明显。而以轧制、挤压等大变形为主要特征的大塑性变形技术已广泛应用来制备细晶材料。因此，采用大塑性变形技术+后续热处理是一种得到高强高导铝合金的可行途径。然而，常规大塑性变形方法会引入大量的位错，破坏晶格结构，因此也会引起导电性能的降低，尽管其降低幅度不如固溶强化的明显。需要指出的是，对于轧制、挤压等传统的大塑性变形技术，由于受变形工艺条件限制，难以大幅提高材料的力学性能。而且，这类方法也无法对工件进行局部加工，极大地限制了使用范围。
高压扭转(High-Pressure Torsion,HTP)也是一剧烈塑性变形加工方法，主要由带圆形凹坑的上下模具组成，上模固定，下模可以转动。试验前，先将圆形薄片试样放置于下模凹坑内，然后在压力的作用下使下模靠近上模，施加压力(通常为几个GPa)，然后通过旋转下模使试样发生剪切应变，直到获得需要的塑性变形，在静水压力、摩擦力和剪切力的共同作用下得到超细晶材料。国外有学者对高导铝合金6101在室温、6GPa的压力下以1rpm的转速下进行20次HPT加工，随后在100-170℃进行时效制备半径为5mm，厚度0.5-1.5mm具有一定强度与导电性能的材料(Acta Materialia,2015.98:p.355-366)。其最佳性能：显微硬度为120Hv，电导率为51％IACS，与常用峰时效态6101铝合金相比显微硬度(90Hv)提高了33％，电导率(54％IACS)降低了6％。
根据以上的描述与实例可知HPT只能加工尺寸很小的样品，同时由于转速无法提高且往往需要多道次加工，其生产效率低。这些缺点也导致HPT技术到目前为止还没有应用到实际工业生产当中。
搅拌摩擦加工技术(Friction Stir Processing,FSP)，由搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)技术原理发展而来，是一种连续的、纯机械的加工技术，其核心部分是一个由轴肩和搅拌针组成的搅拌头。加工过程中高速旋转的搅拌头将搅拌针挤入工件表面，直至搅拌头的轴肩与工件表面紧密接触，然后搅拌头沿表面以一定速度进行旋转移动，加工区材料在摩擦热与变形热作用下迅速升温，发生剧烈塑性变形，通过动态现结晶，形成等轴状的细小晶粒。搅拌针的作用是搅动材料，使其产生塑性流变和混合；轴肩的作用是把由搅拌针搅动变形的材料传输到搅拌头后侧并同时施加锻造作用，从而形成密实无缺陷的加工区域。
由于其超高的应变和应变速率，FSP所制备出来的材料具有晶粒细小、晶粒尺寸分布均匀、位错含量低等特点。重要的是，此方法通过多道次加工能制备大尺寸的材料(Materials Science and Engineering A,2006.437:p.274-280)，具有高效、快捷、低成本的突出优点。但由于铝合金具有较高的层错能，采用一般的大塑性变形技术(包括搅拌摩擦加工技术)只能将其晶粒细化到一定程度(>1μm，Acta Materialia,2014.63:p.169-179)。因此，长期以来，用FSP制备更细小的超细晶铝合金组织一直是研究人员关注的热点。
最近，有学者采用水下搅拌摩擦焊接来焊接铝合金，通过较快的冷却速度来降低焊接过程的热输入与温度，已期获得更小的晶粒尺寸与更高的力学性能。令人遗憾的是：虽然焊核晶粒尺寸为500nm，达到了超细晶尺寸，但焊核与焊接接头的力学性能并没有超过母材(Journal of Materials Science&Technology，2018.34:p.112-118)。另外也有学者采用小轴肩水下搅拌摩擦焊接技术来焊接铝合金，虽然焊核强度得到了一定的提高，达到了等强焊接。然而需要指出的是，上述研究是针对铝合金的焊接技术，仅仅关注焊缝的性能，其目的是获得好的焊接效果，实现高强连接，并不涉及材料自身的组织演变与性能提升。因此，也并未进行导电性能研究报道。事实上，由于其焊核组织为固溶态，可想而知其导电性能会有较大的损失。(Science and Technology of Welding and Joining，2018.23:p.478-486)。同时，需要指出的是，关于FSP超细晶铝合金的导电性能也一直缺乏研究报导。
均匀分布的析出相能够有效的提高沉淀强化铝合金的强度，同时提高导电性能。常规铝合金的时效温度多为150～180℃，这是由于其晶粒尺寸较大，相对稳定，因此可在较高的温度下，在相对较短的时间内实现强化相析出强化，而过低的时效温度对其不起作用无法有效调控析出相的形貌与尺寸。然而，对于超细晶材料，在后续的时效过程中，若采用常规铝合金的时效温度(150～180℃)，侧极有可能会伴随着晶粒长大与析出相粗化，从而严重恶化力学性能。因此，合理的控制超细晶材料在时效过程的晶粒尺寸与析出相形貌/尺寸仍是不小的挑战。尽管常规大塑性变形技术及其后续时效已用于加工铝合金，但其强度并未有太大的提高，甚至出现了降低(Philosophical Magazine Letters，2008.88:p.459-466)。另一方面，FSP及其后时效的铝合金的力学性能和导电性能也未有报道，而这是恰恰是改变材料力学与电学性能又一关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，该方法通过采用搅拌摩擦加工和低温时效处理来调控低合金元素含量铝合金的晶粒尺寸与析出相微观组织搭配，达到调控、优化和提高力学和电性能的目的，该方法具有高效、快捷、低成本的突出优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，该方法首先在流动水作用下采用搅拌摩擦加工技术对低合金元素含量铝合金进行表面加工，然后通过低温时效处理调控铝合金晶粒尺寸与析出相的微观组织搭配，实现在保持铝合金导电性能的同时，提高其强度，从而获得所述高强高导铝合金。该方法具体包括如下步骤：
(1)将铝合金工件放入水槽并用夹具固定，水槽内注入水，使其没过待加工的铝合金表面区域；
(2)搅拌摩擦加工：对铝合金工件待加工表面进行搅拌摩擦加工，加工过程中控制水槽内水流速度进行冷却；
(3)低温时效处理：对搅拌摩擦加工后的铝合金工件进行时效处理，时效温度60-150℃，时效时间10-1000min；时效处理后获得高强高导铝合金。
所述低合金元素含量铝合金为6XXX系铝合金(Al-Mg-Si)。
上述步骤(1)中，所述铝合金工件为厚度0.5-5mm的铝合金板材。
上述步骤(1)中，水槽内注入室温水，水的深度高于(没过)铝合金板材2-5mm。
上述步骤(2)中，控制水槽入水口流动水的直径3-8mm，流速50-100m3/min。
上述步骤(2)搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工工具为锥形螺纹针，加工过程倾斜角为0-5度，工具转速为50-500rpm，焊接速度为50-200mm/min。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出了一种新的制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法。通过控制参数能够调控铝合金的晶粒尺寸和沉淀强化相的尺寸与分布从而达到调控、优化和提高铝合金力学和电性能的目的。
2、本发明可以在不明显降低电导率的情况下显著的提高铝合金的力学性能，克服了传统铝合金难以兼具高电导率与高强度的问题，具有高效、快捷、低成本的突出优点。在对高强高导轻质材料需求旺盛的电力、消费电子等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所用搅拌摩擦加工示意图。
图2为实施例1中制备的6061铝合金板材的宏观形貌。
图3为实施例1中采用200rpm、100mm/min加工参数和100℃、20min时效参数制备的6061铝合金板材的微观结构图。
图4为对比例1中采用200rpm、100mm/min加工参数和无时效工艺制备的6061铝合金板材的微观结构图。
图5为对比例3中在空气中采用400rpm、100mm/min加工参数和100℃、20min时效参数制备的6061铝合金板材的微观结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明为制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金工件放入水槽并用夹具固定，水槽内注入常温水，水没过待加工铝合金工件2-5mm；
(2)搅拌摩擦加工：对铝合金工件待加工表面进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工工具包括轴肩和搅拌针(如图1)，搅拌针为锥形螺纹针，即带螺纹的圆锥形搅拌针，以下实施例中搅拌针的根部直径5mm，端部直径3mm，长度2.1mm，实际使用中可根据需要进行尺寸的调整，加工过程倾斜角为0-5度(轴肩底面与工件加工表面的夹角为0-5°)，工具转速为50-500rpm，焊接速度为50-200mm/min。加工过程中控制水槽入水口流动水的直径3-8mm，入水口流速50-100m3/min；
(3)低温时效处理：对搅拌摩擦加工后的铝合金工件进行时效处理，时效温度60-150℃，时效时间10-1000min；时效处理后获得高强高导铝合金。
实施例1：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6061铝合金板进行搅拌摩擦加工，工具转速200rpm、行进速度100mm/min。后续低温时效温度为100℃，时间为20min。制备出厚度为2.0mm铝合金板材如图2所示。微观结构表征如图3所示，平均晶粒尺寸不到200nm，并且存在大量的球状沉淀相。力学性能测试结果表明，显微硬度为158Hv，抗拉强度为573MPa。比目前使用的6061铝合金峰时效态的显微硬度(98Hv)和抗拉强度(320MPa)分别提高了62％和79％；电导率测试结果为40％IACS，与峰时效态6061铝合金(43％IACS)相比仅降低了8％。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，本实施例选用合金元素含量更低，导电性能更好的6201铝合金，方法如下：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6201铝合金板进行搅拌摩擦加工，工具转速200rpm、行进速度100mm/min。后续低温时效温度为100℃，时间为10min。制备出厚度为2.0mm铝合金板材。微观结构表明，平均晶粒尺寸不到300nm，并且存在大量的球状沉淀相。力学性能测试结果表明，显微硬度为135Hv，抗拉强度为545MPa。比目前使用的6201铝合金峰时效态的显微硬度(95Hv)和抗拉强度(298MPa)分别提高了42％和82％；电导率测试结果为50％IACS，与峰时效态6201铝合金(52％IACS)相比仅降低了3％。
对比例1：
与实施例1不同之处在于，本实施例在搅拌摩擦加工后并没有采用低温时效处理，方法如下：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6061铝合金板进行搅拌摩擦加工，工具转速200rpm、行进速度100mm/min，制备出厚度为2.0mm铝合金板材。微观结构表征如图4所示，平均晶粒尺寸不到200nm，沉淀相含量非常少。力学性能测试结果表明，显微硬度为146Hv，抗拉强度为505MPa。比实施例1的显微硬度和抗拉强度分别降低了12Hv和68MPa。电导率测试结果为39％IACS，比实施例1的电导率相比降低了3％。
对比例2：
与实施例1不同之处在于，本实施例采用了较长时间的低温时效处理，方法如下：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6061铝合金板进行搅拌摩擦加工，工具转速200rpm、行进速度100mm/min，后续低温时效温度为100℃，时间为1000min。制备出厚度为2.0mm铝合金板材。微观结构表明，平均晶粒尺寸为500nm，且存在异常长大的晶粒，沉淀相呈球状且非常多。力学性能测试结果表明，显微硬度为151Hv，抗拉强度为518MPa。比实施例1的显微硬度和抗拉强度分别降低了7Hv和55MPa。电导率测试结果为42％IACS，比实施例1相比增加了5％。
对比例3：
与实施例1不同之处在于，本实施例在搅拌摩擦加工过程中并未采用水冷且工具转速相对较高，方法如下：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6061铝合金板在空气中进行搅拌摩擦加工，工具转速400rpm、行进速度100mm/min，后续低温时效温度为100℃，时间为20min。制备出厚度为2.0mm铝合金板材。微观结构如图5所示，平均晶粒尺寸为1μm，沉淀相大部分呈球状，相对较多且大。力学性能测试结果表明，显微硬度为73Hv，抗拉强度为232MPa。比实施例1的显微硬度和抗拉强度分别降低了85Hv和341MPa。也比峰时效的6061铝合金性能要低。电导率测试结果为45％IACS，比实施例1相比增加了13％，与一般峰时效态6061铝合金比也要高。
对比例4：
与实施例1不同之处在于，本实施例在搅拌摩擦加工后采用了传统的时效处理，方法如下：
使用端部直径3mm，长为2.1mm的搅拌针对6061铝合金板进行搅拌摩擦加工，工具转速200rpm、行进速度100mm/min。后续低温时效温度为175℃，时间为1000min。制备出厚度为2.0mm铝合金板材。微观结构表明，平均晶粒尺寸为700nm，并且存在大量的球状沉淀相。力学性能测试结果表明，显微硬度为122Hv，抗拉强度为419MPa。比实施例1的显微硬度和抗拉强度分别降低了36Hv和154MPa。电导率测试结果为43％IACS，比实施例1相比增加了8％，与一般峰时效态6061铝合金持平。
Claims (1)
1.一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，其特征在于：该方法首先在流动水作用下采用搅拌摩擦加工技术对6XXX系低合金元素含量铝合金进行表面加工，然后通过低温时效处理调控铝合金晶粒尺寸与析出相的微观组织搭配，实现在保持铝合金导电性能的同时，提高其强度，从而获得所述高强高导铝合金；该方法具体包括如下步骤：
(1)将铝合金工件放入水槽并用夹具固定，水槽内注入室温水，水的深度没过待加工的铝合金表面2-5mm，控制水槽入水口的直径为3-8mm，水的流速50-100m3/min；
(2)搅拌摩擦加工：对铝合金工件待加工表面进行搅拌摩擦加工，加工过程中控制水槽内水流速度进行冷却；搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工工具为锥形螺纹针，加工过程倾斜角为0-5度，工具转速为50-500rpm，焊接速度为50-200mm/min；
(3)低温时效处理：对搅拌摩擦加工后的铝合金工件进行时效处理，时效温度60-150℃，时效时间10-1000min；时效处理后获得高强高导铝合金；
所述铝合金工件为厚度0.5-5mm的铝合金板材；所述搅拌摩擦加工工具的根部直径5mm，端部直径3mm，长度2.1mm。
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