CN109082567A - 一种铝合金复合板材的制备方法 - Google Patents

一种铝合金复合板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铝合金复合板材的制备方法。包括步骤：熔铸制备厚度均为350～450mm的第一铝合金层、第二铝合金层、第一连接层、第二连接层；将第一连接层和第二连接层进行多道次热轧至厚度为6～35mm；将第一铝合金层和热轧后的第一连接层叠放在一起热轧复合至厚度为110～200mm，得到第一组坯；将第二铝合金层和热轧后的第二连接层叠放在一起热轧复合至厚度为20～45mm，得到第二组坯；第一组坯和第二组坯叠放在一起，第一组坯的第一连接层和第二组坯的第二连接层接触，然后进行热轧复合至厚度为20～50mm，得到热轧板材；将热轧板材进行固溶淬火、预拉伸、时效处理得到铝合金复合板材。本发明适合制备界面结合强度高、厚度大于20mm的铝合金复合板材。

Description

一种铝合金复合板材的制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种铝合金复合板材的制备方法。
背景技术
随着汽车、轨道交通、建筑、航空航天和军事等工业应用领域向高速、低成本、轻量化方向发展，传统的钢铁材料正逐步被铝合金及铝合金复合材料所替代，同时对铝合金及铝合金复合材料的力学性能提出了更高的要求。例如，在极端情况下，如高速撞击、碰撞、爆炸等瞬间冲击强动力载荷下，要求材料须具有较高的强度和良好的塑性韧性的综合匹配，以保证材料的抗高速冲击损毁性能，从而确保相关人员的安全性和设备的可靠性。
目前，工业化批量生产的单层铝合金材料在单一性能上已经接近极限。与此同时，铝合金层状复合材料因其结构和功能设计性强、综合性能良好、工艺可行性强、减重效果明显，已成为未来的发展趋势，在许多工业应用领域有着广泛的应用前景。
但是，现有技术中在制备铝合金层状复合材料时，主要存在以下问题：(1)累积叠轧工艺和界面清洁控制困难，难以实现大规模铝合金复合板材的连续化生产，生产效率较低，生产成本较高；(2)铸造复合方法对设备、工艺水平、操作技能及自动化控制等均有较高的要求，特别是需要控制浇注速度以形成稳定良好的复合界面，难以实现三层及以上层状复合材料批量化生产。(3)搅拌摩擦焊接方法制备铝合金复合板材时的效率较低，由于不同材料的物理性能差异较大，工艺参数控制难度大，制造成本高，难以制备出变形均匀的厚度大于20mm的复合板材。(4)热轧复合方法由于不同组元层铝合金的强度和塑性存在明显的差异，轧制复合过程中组元层变形不均匀，同时在轧制大厚度规格(200mm以上)的组坯时，表面和芯部变形也极不均匀，易出现组元层弯曲、翘曲分离等现象，难以制备出界面结合强度高、厚度大于20mm铝合金层状复合板材。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种铝合金复合板材的制备方法，能够解决热轧复合大厚度的铝合金复合板材时，所得到产品的界面结合强度低的问题，并能够实现批量化生产。
本发明提供了一种铝合金复合板材的制备方法，包括步骤：
A、熔铸制备厚度均为350～450mm的第一铝合金层、第二铝合金层、第一连接层、第二连接层，其中，所述第一铝合金层、第二铝合金层、第一连接层、第二连接层均选用7000系铝合金；
B、将所述第一连接层和所述第二连接层进行多道次热轧至厚度为6～35mm；
C、将所述第一铝合金层和所述步骤B热轧后的第一连接层叠放在一起后进行热轧复合至厚度为110～200mm，得到第一组坯；将所述第二铝合金层和所述步骤B热轧后的第二连接层叠放在一起后进行热轧复合至厚度为20～45mm，得到第二组坯；
D、将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起，其中所述第一组坯的第一连接层所在侧和所述第二组坯的第二连接层所在侧接触，然后进行热轧复合至厚度为20～50mm，得到热轧板材；
E、将所述热轧板材进行固溶淬火、预拉伸、时效处理得到铝合金复合板材。
作为本发明优选的实施方式，所述第一铝合金层选用7000系铝合金，其中，所述第一铝合金层中含有的各元素的重量配比为：Cu为0.1～3.1％、Mg为1.7～3.2％、Zn为5.5～8.7％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
进一步地，所述第一铝合金层选用7050铝合金或7075铝合金或7055铝合金。
作为本发明优选的实施方式，所述第二铝合金层选用7000系铝合金，其中，所述第二铝合金层中含有的各元素的重量配比为：Cu为0.05～1.1％、Mg为0.7～2.0％、Zn为3.5～5.5％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
进一步地，所述第二铝合金层选用7039铝合金或7A52铝合金或7N01铝合金。
作为本发明优选的实施方式，所述第一连接层和所述第二连接层选用7000系铝合金，其中，所述第一连接层和所述第二连接层中含有的各元素的重量配比为：Zn为0.8～2.0％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
进一步地，所述第一连接层和所述第二连接层选用7A01铝合金，或者，所述第一连接层和所述第二连接层选用7072铝合金。
作为本发明优选的实施方式，所述A步骤中还包括：对所述第一铝合金层和所述第二铝合金层进行420～460℃均匀化退火处理36～42h，对所述第一连接层和所述第二连接层进行430～470℃均匀化退火处理20～24h。
作为本发明优选的实施方式，所述C步骤中，所述第一铝合金层和所述第一连接层叠放在一起后，将所述第一铝合金层和所述第一连接层的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为48～68％进行所述热轧复合处理；所述第二铝合金层和所述第二连接层叠放在一起后，将所述第二铝合金层和所述第二连接层的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为88～95％进行所述热轧复合处理。
作为本发明优选的实施方式，所述D步骤中，在将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起之前还包括步骤：将所述第一组坯的第一连接层所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm，将所述第二组坯的第二连接层所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm；
将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起之后还包括步骤：将所述第一组坯和所述第二组坯的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，再进行所述热轧复合处理。
本发明提出的制备铝合金复合板材的方法，首先将高强的第一铝合金层和低强的第一连接层热轧复合得到第一组坯，同时将中强的第二铝合金层和低强的第二连接层热轧复合得到第二组坯，然后将第一组坯和第二组坯按照中强-低强-低强-高强的顺序排列并进行热轧复合，此时，同种低强铝合金的热轧复合相比于异种材料的轧制复合，复合界面的结合强度大大提高，实现了第一组坯和第二组坯的完美结合，解决了高强铝合金和中强铝合金难以协同塑性变形、20mm厚度以上复合板材的界面结合强度较低的技术难题。
本发明提出的制备铝合金复合板材的方法，生产工艺易于控制，生产效率高，能够实现大批量规模化生产。
附图说明
图1为本发明制备铝合金复合板材的热轧复合过程的示意图。
图2为本发明制备的铝合金复合板材的金相组织示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种铝合金复合板材的制备方法，能够解决热轧复合大厚度的铝合金复合板材时，所得到产品的界面结合强度较低的问题，并实现批量化生产。
如图1所示，本发明提供的铝合金复合板材的制备方法，包括如下步骤：
A、制备各层材料。
本步骤中，发明人采用熔炼和半连续铸造的方法，分别熔铸制备各层材料。本步骤中，分别熔铸制备了厚度均为350～450mm的第一铝合金层a、第二铝合金层c、第一连接层b1、第二连接层b2。然后，对第一铝合金层a和第二铝合金层c在420～460℃均匀化退火处理36～42h。在本发明的不同实施方式中，对第一连接层和第二连接层进行430～470℃均匀化退火处理20～24h。
具体的，本步骤所制备的第一铝合金层a、第二铝合金层c、第一连接层b1、第二连接层b2的规格均为(350～450mm)×1620×7000mm。
本步骤中，第一铝合金层a、第二铝合金层c、第一连接层b1、第二连接层b2均选用7000系铝合金。
本步骤中，第一铝合金层a选用高强的7000系铝合金。本发明选用的第一铝合金层a中，含有的各元素的重量配比为：Cu为0.1～3.1％、Mg为1.7～3.2％、Zn为5.5～8.7％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质，其余为Al。可选的，第一铝合金层a选用7050铝合金或7075铝合金或7055铝合金。
本步骤中，第二铝合金层c选用中强的7000系铝合金。本发明选用的第二铝合金层c中，含有的各元素的重量配比为：Cu为0.05～1.1％、Mg为0.7～2.0％、Zn为3.5～5.5％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质，其余为Al。可选的，第二铝合金层c选用7039铝合金或7A52铝合金或7N01铝合金。
本步骤中，第一连接层b1和第二连接层b2选用相同的低强7000系铝合金。本发明选用的第一连接层b1和第二连接层b2中，含有的各元素的重量配比为：Zn为0.8～2.0％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质，其余为Al。可选的，第一连接层b1和第二连接层b2选用7A01铝合金，或者，第一连接层b1和第二连接层b2选用7072铝合金。
B、第一连接层和第二连接层的热轧处理。
步骤A得到的第一连接层b1和第二连接层b2经表面打磨处理，并锯切头部和尾部后，尺寸约为(330～430mm)×1620×6500mm。再将第一连接层b1和第二连接层b2进行多道次热轧至厚度为6～35mm。然后，将经热轧后的第一连接层b1和第二连接层b2切断至长度为6500mm。
C、两层铝合金层的热轧复合。
将上述各第一铝合金层a、第二铝合金层c、以及步骤B得到的经热轧后的第一连接层b1、第二连接层b2进行表面处理后，均切断至长度为6500mm。然后，将第一铝合金层a和热轧后的第一连接层b1叠放在一起后进行热轧复合至厚度为110～200mm，得到第一组坯d。同时，将第二铝合金层c和热轧后的第二连接层b2叠放在一起后进行热轧复合至厚度为20～45mm，得到第二组坯e。再将第一组坯d和第二组坯e切断至长度为6500mm。
作为本发明优选的实施方式，还包括热处理步骤：将第一铝合金层a和第一连接层b1叠放在一起后，将第一铝合金层a和第一连接层b1的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为48～68％的条件下再进行热轧复合处理；同时，将第二铝合金层c和第二连接层b2叠放在一起后，将第二铝合金层c和第二连接层b2的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为50～65％88～95％的条件下再进行热轧复合处理。
D、第一组坯和第二组坯的热轧复合。
将第一组坯d和第二组坯e叠放在一起，叠放时，使得第一组坯d的第一连接层b1所在侧和第二组坯e的第二连接层b2所在侧接触，然后进行热轧复合至厚度为20～50mm，得到热轧板材f。然后，再切断成各种长度规格的热轧板材。
作为本发明优选的实施方式，将第一组坯d和第二组坯e叠放在一起之前还包括步骤：将第一组坯d的第一连接层b1所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm，并将第二组坯e的第二连接层b2所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm。
作为本发明优选的实施方式，将第一组坯d和第二组坯e叠放在一起之后还包括步骤：将第一组坯d和第二组坯e的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，再进行热轧复合处理。
E、后续处理。
对步骤D得到的热轧板材进行固溶淬火、预拉伸、时效处理得到铝合金复合板材。
本步骤中，按照常规工艺进行固溶淬火、预拉伸、时效处理，即能得到所需规格的铝合金复合板材。
可选的，本发明制备的铝合金复合板材中，连接层b1和连接层b2的厚度占铝合金复合板材总厚度的比例为1～2％，第一铝合金层a和第二铝合金层c的厚度占铝合金复合板材总厚度的比例为98～99％。
本发明制备的铝合金复合板材的厚度为20～50mm。
本发明制备的铝合金复合板材中，不同铝合金层间的界面结合强度能够达到80MPa以上。
本发明在制备铝合金复合板材的过程中，进行多层铝合金层的热轧复合时，各层铝合金层的叠放顺序为高强-低强-低强-中强。首先将高强的第一铝合金层a和低强的第一连接层b1热轧复合得到第一组坯d，并将中强的第二铝合金层c和低强的第二连接层b2热轧复合得到第二组坯e，然后再将第一组坯d和第二组坯e进行热轧复合，并使得第一连接层b1和第二连接层b2之间接触进行热轧复合。
在第一组坯d和第二组坯e进行热轧复合时，相互接触的第一连接层b1和第二连接层b2之间由于元素扩散和较大的热轧压力下的塑性变形，就会使得同种的第一连接层b1和第二连接层b2相互融合，形成无复合界面的连接层b，如图2所示，从而得到界面结合强度高、厚度尺寸大的铝合金复合板材。
本发明选用不同的7000系铝合金，通过本发明提供的制备方法，能够协同变形而保持良好的板型，大大提高各个铝合金层之间的界面结合强度。并且，本发明通过先制备第一组坯和第二组坯，再将第一组坯和第二组坯热轧复合的方法，使得第一连接层和第二连接层接触进行热轧复合，能够促进各多层金属间的热轧复合，协调各高强铝合金、中强铝合金组元层的强度和塑性差异，使得热轧复合过程变形均匀。
实施例1
(1)分别选取7050铝合金作为第一铝合金层、7039铝合金作为第二铝合金层，7A01铝合金作为第一连接层和第二连接层。按照上述铝合金的标准成分配置并进行熔炼、半连续铸造处理，得到规格为400×1620×7000mm的铝合金。铸造后7A01进行430℃均匀化退火处理24h，7039和7050进行450℃均匀化退火处理36h。
(2)7A01铝合金经表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为380×1620×6500mm。将7A01铝合金从厚度为380mm热轧至厚度为35mm和8mm两种规格，然后切断至长度为6500mm。
(3)将7039和7050铝合金进行表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为380×1620×6500mm。然后，分别将厚度为35mm的7A01铝合金与厚度为380mm的7039铝合金自上而下叠放并焊接头部，厚度为8mm的7A01铝合金与厚度为380mm的7050铝合金自上而下叠放并焊接头部，并均加热至455℃保温14h。然后，将7A01-7039叠层块铝合金热轧至22mm，7A01-7050叠层块铝合金热轧至198mm，再分别切断至长度为6500mm，得到第一组坯和第二组坯。
(4)分别对第一组坯和第二组坯上的7A01铝合金面进行表面铣削处理减薄0.5-1.0mm，再按照7039-7A01-7A01-7050的顺序叠放并焊接头部，加热至450℃保温12h后，经多道次热轧至20mm厚，再切断成各种长度规格的热轧板材。
该热轧板材经后续的固溶淬火处理、预拉伸、时效处理，得到铝合金复合板材成品。
本实施例制备的铝合金复合板材中，7A01铝合金占复合板材总厚度比例为2％，7039铝合金占复合板材总厚度比例为10％，其余为7050铝合金。
对铝合金复合板材的复合界面进行拉剪试验检测，得到其界面结合强度为94MPa，界面结合良好。
实施例2
(1)分别选取7075铝合金作为第一铝合金层、7A52铝合金作为第二铝合金层，7072铝合金作为第一连接层和第二连接层。按照上述铝合金的标准成分配置并进行熔炼、半连续铸造处理，得到规格为350×1620×7000mm的铝合金。铸造后7072进行470℃均匀化退火处理20h，7A52和7075进行420℃均匀化退火处理42h。
(2)7072铝合金经表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为330×1620×6500mm。将7072铝合金从厚度为330mm热轧至厚度为24mm和6mm两种规格，然后切断至长度为6500mm。
(3)将7A52和7075铝合金进行表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为330×1620×6500mm。然后，分别将厚度为24mm的7072铝合金与厚度为330mm的7A52铝合金自上而下叠放并焊接头部，厚度为6mm的7072铝合金与厚度为330mm的7075铝合金自上而下叠放并焊接头部，并均加热至450℃保温14h。然后，将7072-7A52叠层块铝合金热轧至21mm，7072-7075叠层块铝合金热轧至115mm，再分别切断至长度为6500mm，得到第一组坯和第二组坯。
(4)分别对第一组坯和第二组坯上的7072铝合金面进行表面铣削处理减薄0.5-1.0mm，再按照7A52-7072-7072-7075的顺序叠放并焊接头部，加热至445℃保温10h后，经多道次热轧至30mm厚，再切断成各种长度规格的热轧板材。
该热轧板材经后续的固溶淬火处理、预拉伸、时效处理，得到铝合金复合板材成品。
本实施例制备的铝合金复合板材中，7072铝合金占复合板材总厚度比例为1.5％，7A52铝合金占复合板材总厚度比例为15％，其余为7075铝合金。
对铝合金复合板材的复合界面进行拉剪试验检测，得到其界面结合强度为86MPa，界面结合良好。
实施例3
(1)分别选取7055铝合金作为第一铝合金层、7N01铝合金作为第二铝合金层，7072铝合金作为第一连接层和第二连接层。按照上述铝合金的标准成分配置并进行熔炼、半连续铸造处理，得到规格为450×1620×7000mm的铝合金。铸造后7072进行450℃均匀化退火处理22h，7N01和7055进行450℃均匀化退火处理40h。
(2)7072铝合金经表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为430×1620×6500mm。将7072铝合金从厚度为430mm热轧至厚度为14.5mm和6mm两种规格，然后切断至长度为6500mm。
(3)将7N01和7055铝合金进行表面铣削处理，并锯切头部和尾部后尺寸为430×1620×6500mm。然后，分别将厚度为14.5mm的7072铝合金与厚度为430mm的7N01铝合金自上而下叠放并焊接头部，厚度为6mm的7072铝合金与厚度为430mm的7055铝合金自上而下叠放并焊接头部，并均加热至455℃保温10h。然后，将7072-7N01叠层块铝合金热轧至45mm，7072-7055叠层块铝合金热轧至178mm，再分别切断至长度为6500mm，得到第一组坯和第二组坯。
(4)分别对第一组坯和第二组坯上的7072铝合金面进行表面铣削处理减薄0.5-1.0mm，再按照7N01-7072-7072-7055的顺序叠放并焊接头部，加热至450℃保温12h后，经多道次热轧至50mm厚，再切断成各种长度规格的热轧板材。
该热轧板材经后续的固溶淬火处理、预拉伸、时效处理，得到铝合金复合板材成品。
本实施例制备的铝合金复合板材中，7072铝合金占复合板材总厚度比例为1％，7N01铝合金占复合板材总厚度比例为20％，其余为7055铝合金。
对铝合金复合板材的复合界面进行拉剪试验检测，得到其界面结合强度为92MPa，界面结合良好.
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
A、熔铸制备厚度均为350～450mm的第一铝合金层、第二铝合金层、第一连接层、第二连接层，其中，所述第一铝合金层、第二铝合金层、第一连接层、第二连接层均为7000系铝合金；
B、将所述第一连接层和所述第二连接层进行多道次热轧至厚度为6～35mm；
C、将所述第一铝合金层和所述步骤B热轧后的第一连接层叠放在一起后进行热轧复合至厚度为110～200mm，得到第一组坯；将所述第二铝合金层和所述步骤B热轧后的第二连接层叠放在一起后进行热轧复合至厚度为20～45mm，得到第二组坯；
D、将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起，其中所述第一组坯的第一连接层所在侧和所述第二组坯的第二连接层所在侧接触，然后进行热轧复合至厚度为20～50mm，得到热轧板材；
E、将所述热轧板材进行固溶淬火、预拉伸、时效处理得到铝合金复合板材。
2.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第一铝合金层选用7000系铝合金，其中，所述第一铝合金层中含有的各元素的重量配比为：Cu为0.1～3.1％、Mg为1.7～3.2％、Zn为5.5～8.7％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第一铝合金层选用7050铝合金或7075铝合金或7055铝合金。
4.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第二铝合金层选用7000系铝合金，其中，所述第二铝合金层中含有的各元素的重量配比为：Cu为0.05～1.1％、Mg为0.7～2.0％、Zn为3.5～5.5％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
5.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第二铝合金层选用7039铝合金或7A52铝合金或7N01铝合金。
6.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第一连接层和所述第二连接层选用7000系铝合金，其中，所述第一连接层和所述第二连接层中含有的各元素的重量配比为Zn为0.8～2.0％、总重量≤1％的Fe、Si、Mn、Cr、Zr、Ti和总重量＜0.15％的不可避免杂质。
7.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述第一连接层和所述第二连接层选用7A01铝合金，或者，所述第一连接层和所述第二连接层选用7072铝合金。
8.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述A步骤中还包括：对所述第一铝合金层和所述第二铝合金层进行420～460℃均匀化退火处理36～42h，对所述第一连接层和所述第二连接层进行430～470℃均匀化退火处理20～24h。
9.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述C步骤中，所述第一铝合金层和所述第一连接层叠放在一起后，将所述第一铝合金层和所述第一连接层的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为48～68％进行所述热轧复合处理；所述第二铝合金层和所述第二连接层叠放在一起后，将所述第二铝合金层和所述第二连接层的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，控制变形量为88～95％进行所述热轧复合处理。
10.根据权利要求1所述的铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，所述D步骤中，在将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起之前还包括步骤：将所述第一组坯的第一连接层所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm，将所述第二组坯的第二连接层所在侧进行表面处理减薄0.5～1mm；
将所述第一组坯和所述第二组坯叠放在一起之后还包括步骤：将所述第一组坯和所述第二组坯的头部焊接，并加热至445～455℃保温10～14h，再进行所述热轧复合处理。
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