CN109371341B - 一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法 - Google Patents

一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法 Download PDF

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Abstract

一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法，属于晶须增强铝基复合材料处理领域。本发明方法：一、将铸锭预热，同时将压力机的上砧和下砧预热；二、将铸锭置于压力机上，先轴向镦粗，再径向镦粗，沿周向方向旋转90°后径向镦粗；三、重复步骤二的操作；四、锻坯放入温水中淬火；五、时效处理，空冷至室温；六、浸渍于冷却液中处理；七、再取出后迅速放入液氮中处理；八、然后取出，迅速浸渍于冷却液中保温；九、然后取出，升温至室温后加热保温，空冷至室温；十、重复步骤六至九的操作。本发明提高晶须增强铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度及微屈服强度的方法，显著提升了晶须增强铝基复合材料的强韧性和尺寸稳定性。

Description

一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的 处理方法
技术领域
本发明属于晶须增强铝基复合材料处理领域；具体涉及一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法。
背景技术
航空航天及国防领域关键承载结构件，往往要求材料具有高的强韧性和尺寸稳定性(即在载荷作用下、长期服役过程中材料尺寸保持稳定)。在某些应用领域，例如光机结构件、惯导器件支架、高低温交变温度下的结构件等，材料的尺寸稳定性成为考核材料能否满足使用要求的主要指标。金属基复合材料由于具有轻质、高比模量、高比强度、低的热膨胀系数等特点，在航空航天、机械电子、交通运输等领域有着广阔的应用前景。其中颗粒增强铝基复合材料和晶须增强铝基复合材料是目前应用最广泛的两类材料。颗粒增强体往往是直径大于1微米的等轴状陶瓷颗粒，而晶须是直径0.1～1微米、长度几十微米的一维陶瓷纤维。另外亚微米晶须中的缺陷密度远远小于微米陶瓷颗粒，因此在同等含量情况下，与颗粒增强铝基复合材料相比，晶须增强铝基复合材料具有更高的强韧性等优异力学性能。
锻造是金属材料改形和改性的常用工艺。改形即是改变材料形状从而尽可能接近最终零件形状要求，从而节省机械加工时间与成本；改性即是减少材料中的缺陷密度，细化金属显微组织，从而进一步提高材料的力学性能(特别是强韧性)。但目前关于晶须增强铝基复合材料锻坯尺寸稳定化热处理工艺尚缺乏文献报导。专利(一种颗粒增强铝基复合材料尺寸稳定化处理工艺方法200710121754.2)提出通过固溶时效及冷热循环热处理，提高颗粒增强铝基复合材料的尺寸稳定性，但该发明针对的是粉末冶金方法制备的制备态颗粒增强铝基复合材料，复合材料未经过热变形处理，显微组织粗大；另外在样品升温或降温过程中未控制升温/降温速率，无法直接应用于大尺寸铸锭或锻坯；另外相对于等轴状的颗粒增强体，一维晶须增强体周围基体中的位错和热残余应力分布不均匀，造成在时效过程和冷热循环过程中，基体内的位错组态和第二相析出行为有所不同。因此上述该专利技术难以直接用于晶须增强铝基复合材料锻坯的强韧化和尺寸稳定化处理。
发明内容
本发明针对缺乏晶须增强铝基复合材料锻坯强韧化和尺寸稳定化热处理方法的问题，本发明公开了一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性和尺寸稳定性的两步热处理方法，本发明方法可以提高晶须增强铝基复合材料锻坯的屈服强度及抗拉强度(即提高强韧性)，同时还可提高材料的微屈服强度(尺寸稳定性的直接度量参数，微屈服强度越高，尺寸稳定性越好)，可显著提高晶须增强铝基复合材料锻坯的强韧性和尺寸稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法是按下述步骤完成的：
步骤一、将晶须增强铝基复合材料铸锭在510～531℃条件下预热，同时将压力机的上砧和下砧预热，预热温度为510～531℃；
步骤二、将铸锭置于压力机上，先轴向镦粗，再径向镦粗，沿周向方向旋转90°后径向镦粗；
步骤三、重复步骤二的操作3～5次，得到锻坯；
步骤四、锻坯在10s内放入40℃～80℃的水中淬火；
步骤五、淬火后的锻坯于5h内进行时效处理，空冷至室温；
步骤六、浸渍于-40℃～-80℃的冷却液中处理10min～15min；
步骤七、再取出后迅速放入液氮中，保证液氮完全浸没锻坯，处理1.5h～2h；
步骤八、然后取出，迅速浸渍于-40℃～-80℃的冷却液中，保温10min～15min；
步骤九、然后取出，升温至室温后加热保温，空冷至室温；
步骤十、重复步骤六至九的操作2-3次，完成晶须增强铝基复合材料的处理。
进一步地限定，步骤一中铸锭预热时间按照t＝d×k计算，t为预热时间，t的单位为min，d为铸锭最小壁厚，d的单位为mm，k取5～10min/mm。
进一步地限定，步骤一中铸锭预热处理过程中温度波动小于±3℃。
进一步地限定，步骤一中上砧和下砧的预热时间均大于1h。
进一步地限定，步骤二所述轴向压下应变量为0.4，轴向应变速率为0.03～0.08/s；所述径向压下应变量均为0.2，径向应变速率均为0.02～0.04/s。步骤三中将轴向压下应变量控制在0.2，其余参数与步骤二相同。
进一步地限定，步骤五中时效温度为150～200℃，时效时间为5～12h。
进一步地限定，步骤六所述的冷却液为丙酮与液氮的混合液，或者无水乙醇与液氮的混合液；其中，混合液中丙酮的体积分数为50％～80％，混合液中无水乙醇的体积分数为50％～80％。
进一步地限定，步骤七中转移至液氮中的时间小于15s。
进一步地限定，步骤八所述的冷却液为丙酮与液氮的混合液，或者无水乙醇与液氮的混合液；其中，混合液中丙酮的体积分数为50％～80％，混合液中无水乙醇的体积分数为50％～80％。
进一步地限定，步骤九中在150～180℃条件下，保温1.5～2h。
本发明方法复合材料等温多向锻造后淬火，然后进行高温下的时效处理、以及低温下的深冷处理，并将降温过程分成两步降温，以控制升温和降温循环过程的升降温速率，从而提高晶须增强铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度及微屈服强度的方法，显著提升了晶须增强铝基复合材料的强韧性和尺寸稳定性。本发明填补了晶须增强铝基复合材料锻坯强韧化和尺寸稳定化热处理技术的空白，获得了一种晶须增强铝基复合材料塑性变形后进行强韧化与尺寸稳定化热处理的方法。
附图说明
图1为碳化硅晶须(SiCw)体积分数为20vol.％的SiCw/6061Al复合材料热处理前后的室温拉伸曲线；
图2为20vol.％SiCw/6061Al复合材料热处理前后的微屈服强度(σ0.005)与残余塑性应变之间的关系曲线；
图3为20vol.％SiCw/6061Al复合材料高低温循环热处理过程。
具体实施方式
实施例1、本实施例碳化硅晶须(SiCw)体积分数为20vol.％的SiCw/6061Al复合材料，提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法是按下述步骤完成的：
步骤一、将晶须增强铝基复合材料铸锭在520℃±3℃条件下预热300min，同时将压力机的上砧和下砧预热，预热温度为520℃±3℃，预热为2h；
铸锭预热加热时间按照t＝d×k＝(40mm)×(7.5min/mm)。
步骤二、将铸锭置于压力机上，先轴向镦粗，再径向镦粗，沿周向方向旋转90°后径向镦粗，轴向压下应变量为0.4，轴向应变速率为0.04/s；所述径向压下应变量均为0.2，径向应变速率均为0.02/s；
步骤三、重复步骤二的操作4次，得到锻坯，轴向压下应变量为0.2，轴向应变速率为0.04/s；所述径向压下应变量均为0.2，径向应变速率均为0.02/s；
步骤四、锻坯放入50℃的水中淬火，锻坯转移至水中用时为5s；
步骤五、淬火后的锻坯于5h内进行时效处理，在炉温稳定后装炉计时，时效温度为172℃，时效时间为4h，然后空冷至室温；
步骤六、浸渍于-40℃的冷却液中处理10min；
步骤七、再取出后5s内放入液氮中，保证液氮完全浸没锻坯，处理1.5h；
步骤八、然后取出，迅速浸渍于-40℃的冷却液中，保温10min；
步骤九、然后取出，升温至室温后在172℃的烘干箱中保温4h，空冷至室温；
步骤十、重复步骤六至九的操作2次(见图3)，完成晶须增强铝基复合材料的处理。
其中，步骤六所述的冷却液为无水乙醇与液氮的混合液；其中，混合液中无水乙醇的体积分数为65％。
碳化硅晶须(SiCw)体积分数为20vol.％的SiCw/6061Al复合材料处理前后的室温拉伸曲线如图1所示。图1表明，经处理后，复合材料的屈服强度(σ0.2)，微屈服强度(σ0.005)、抗拉强度(σb)和延伸率均显著提高。
20vol.％SiCw/6061Al复合材料经处理前后的微屈服强度(σ0.005)与残余塑性应变之间的关系曲线如图2所示；由图2可知，与处理前相比，复合材料在同等残余应变下的微屈服强度显著提高，表明处理后的复合材料具有更高的尺寸稳定性。

Claims (9)

1.一种提高晶须增强铝基复合材料锻坯强韧性与尺寸稳定性的处理方法，其特征在于所述处理方法是按下述步骤完成的：
步骤一、将晶须增强铝基复合材料铸锭在510～531℃条件下预热，同时将压力机的上砧和下砧预热，预热温度为510～531℃；
步骤二、将铸锭置于压力机上，先轴向镦粗，再径向镦粗，沿周向方向旋转90°后径向镦粗；
步骤三、重复步骤二的操作3～5次，得到锻坯；
步骤四、锻坯在10s内放入40℃-80℃的水中淬火；
步骤五、淬火后的锻坯于5h内进行时效处理，空冷至室温；
步骤六、浸渍于-40℃～-80℃的冷却液中处理10min～15min；
步骤七、再取出后迅速放入液氮中，保证液氮完全浸没锻坯，处理1.5h～2h；
步骤八、然后取出，迅速浸渍于-40℃～-80℃的冷却液中，保温10min～15min；
步骤九、然后取出，升温至室温后在150～180℃条件下，加热保温1.5～2h，空冷至室温；
步骤十、重复步骤六至九的操作2～3次，完成晶须增强铝基复合材料的处理；
其中，步骤一所述晶须增强铝基复合材料为碳化硅晶须体积分数为20vol.％的SiCw/6061Al复合材料。
2.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤一中铸锭预热时间按照t＝d×k计算，t为预热时间，t的单位为min，d为铸锭最小壁厚，d的单位为mm，k取5～10min/mm。
3.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤一中铸锭预热处理过程中温度波动小于±3℃。
4.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤一中上砧和下砧的预热时间均大于1h。
5.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤二所述轴向压下应变量为0.4，轴向应变速率为0.03～0.08/s；所述径向压下应变量均为0.2，径向应变速率均为0.02～0.04/s。
6.根据权利要求5所述处理方法，其特征在于步骤三中将轴向压下应变量控制在0.2，其余参数与步骤二相同。
7.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤五中时效温度为150～200℃，时效时间为5～12h。
8.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤六和步骤八中所述的冷却液为丙酮与液氮的混合液，或者无水乙醇与液氮的混合液；其中，混合液中丙酮的体积分数为50％～80％，混合液中无水乙醇的体积分数为50％～80％。
9.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于步骤七中转移至液氮中的时间小于15s。
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