CN109482649A - 一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，按照所占厚度百分比各部分组成如下：高强铝合金70‑90％、中强铝合金10‑25％、低强铝合金1‑5％；所述高界面结合强度和高包覆率的铝合金复合材料的制备方法包括合金熔铸、单层合金热轧、复合热轧、固溶淬火处理、板材预拉伸和时效处理；该方法生产成本低，适于大规格、连续化生产，工艺及装备均较为成熟，可以制备同种、异种金属材料复合板材，本发明采用的多组坯、多次热轧复合工艺，实现了多层、包覆率超过20％的铝合金板材的复合轧制，实现了铝合金之间的高强度层间结合，层间结合强度可达到90MPa以上。

Description

一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料 及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属层状复合材料技术领域，尤其涉及一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，具体涉及一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
随着航空航天和军事等工业应用领域向低成本、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替代，同时对铝合金及铝合金复合材料的力学行为提出了更高的要求，在极端情况下如高速撞击、侵彻、爆炸等瞬间冲击强动载荷下要求材料具有高的强度和良好的塑韧性综合匹配，以保证其抗高速冲击损毁性能，从而确保人员的安全和设备的可靠性。目前工业化批量生产的单层铝合金在综合性能上已经达到极限，而综合性能良好、工艺可行性强的铝合金层状复合材料成为未来发展趋势。高强铝合金复合板材具有高强度和高韧性的综合性能，故在航空航天和军事等工业应用领域有着广泛的应用前景。
中国专利CN 104438322 A公开了一种金属层状微梯度复合材料的制备方法，通过多道次累积叠轧结合板材预处理，实现1100或1050 铝合金与7050或7075铝合金多层金属复合板。该方法可制备多层、高性能的铝合金复合板材，但累积叠轧工艺较为复杂，难以实现大规格复合板材的批量化生产。
中国专利CN 106583908 A公开了一种高强轻质钛铝复合板材，该复合板由LY12铝合金和TA18钛合金爆炸焊接而成。该方法制备出的铝合金复合板材虽然具有重量轻、强度高的特点，但爆炸复合的制备方法污染严重，板型控制困难，不适合于大规格厚板的连续化批量生产。
中国专利CN 104056859 A公开了一种铝/镁/钛三层复合板轧制复合方法，采用热轧复合结合热处理工艺，制备铝/镁/钛三层复合板，具有抗高速损毁的特点，但铝/镁等层状复合材料由于异种合金的热膨胀系数、弹性模量和加工性能差别较大，难以大规模批量加工成形，且易在两种合金的界面反应生成硬脆的Mg-Al等中间化合物，严重影响复合材料的界面结合性能。
中国专利CN 101279512 A公开了一种高强度层状复合铝合金材料及其制备方法，该材料由成形性能优良的6009铝合金和高强韧的7075 铝合金通过复合铸造获得坯体，再经过轧制或压制、热处理等加工方式获得具有成分梯度的复合材料板材。虽然其抗拉强度可达408MPa，屈服强度可达375MPa，但该铸造复合方法对设备制造、工艺水平、操作技能及自动化控制均有较高的要求，特别是控制浇注速度以形成稳定良好的复合界面，目前难以实现批量化生产。
综上所述，现有高性能铝合金复合板材存在复合界面强度低、难以批量化生产的缺点，因此如何实现高强铝合金复合板材的产业化批量制备成为本领域技术人员的长期诉求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的高性能铝合金复合板材复合界面强度低、难以批量化生产的缺点，而提出的一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，按照所占厚度百分比各部分组成如下：高强铝合金70-90％、中强铝合金10-25％、低强铝合金1-5％。
优选的，所述高强度铝合金按照质量百分比含有0.1-0.4％的Si， 0.06-0.5％的Fe，0.2-2.6％的Cu，0.1-0.3％的Mn，1.7-3.2％的Mg， 0.1-0.35％的Cr，5.5-8.7％的Zn，0.1-0.18％的Zr，0.03-0.2％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
优选的，所述中强铝合金按照质量百分比含有0.1-0.3％的Si， 0.12-0.45％的Fe，0.05-1.1％的Cu，0.1-0.7％的Mn，0.7-2.0％的Mg， 0.1-0.25％的Cr，4.0-5.5％的Zn，0.1-0.2％的Zr，0.05-0.15％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％
优选的，所述低强铝合金按照质量百分比含有0.2-0.6％的Si， 0.2-0.7％的Fe，0.05-0.1％的Cu，0.05-1.5％的Mn，0.1-1.5％的Mg， 0.2-0.25％的Cr，0.8-2.0％的Zn，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
本发明还提供一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料的制备方法：
S1.合金熔铸：按成分配比熔炼各种高强度铝合金，并采用半连续铸造方法制备铸锭，铸锭尺寸为450×1620×7000mm，随后进行450℃均匀化退火42h；
S2.单层合金热轧：低强铝合金铸锭经表面处理和锯切头尾后，尺寸为430×1620×6500mm，经多道次热轧至32-55mm，切断成6500mm 长的板材；
S3.复合热轧：
I.经表面处理后厚度为430mm的中强铝合金铸锭和32-55mm的低强铝合金板材，或厚度为430mm的高强铝合金铸锭和32-55mm低强铝合金板材，分别按照中强-低强铝合金，或高强-低强铝合金顺序，自上而下叠放并捆扎，加热至450±5℃，保温12±2h后，经多道次热轧至50-70mm，然后再切断成6500mm，制成组坯一、组坯二、组坯三…组坯N；
II.将组坯一、组坯二、组坯三…组坯N和厚度为430mm的高强铝合金铸锭，按照一定顺序叠放并捆绑，加热至450±5℃，保温12 ±2h后，经多道次热轧至20-40mm，切断制成5000-7000mm长复合材料板材；
S4.固溶淬火处理：将复合材料板材置于470±5℃辊底式空气加热炉中，保温4±1h后快速出炉，采用高压冷水冷却至40℃以下；
S5.板材预拉伸：将淬火冷却后的板材放入预拉伸机中，沿轧制方向拉伸至5075-7210mm；
S6.时效处理：将预拉伸板置于退火炉中，在120℃下保温22± 2h，空冷得到厚度为20-40mm高强铝合金复合板材成品。
本发明提供的一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料的制备方法，与现有技术相比：
(1)该方法生产成本低，适于大规格、连续化生产，产品精度高，工艺及装备均较为成熟，可以制备同种、异种金属材料复合板材。
(2)本发明采用的多组坯、多次热轧复合工艺，解决了厚板只发生表面变形，轧制包覆率低于15％的技术难题，实现了多层、包覆率超过20％的铝合金板材的复合轧制。
(3)本发明在中强/中强、中强/高强、高强/高强铝合金中间加入一层低强度高塑性的铝合金，并在后续的高温热处理过程中通过元素扩散而形成冶金结合的复合界面，解决了中强/中强、中强/高强、高强/高强铝合金难以协同塑形变形、复合界面强度低的技术难题，实现了铝合金之间的高强度层间结合，层间结合强度可达到90MPa以上。
(4)采用大变形轧制复合的方法制备的高强铝合金复合板材，经热处理制成成品后，材料内部由大量平行于轧制方向的纤维组织构成，当服役过程中受到剧烈冲击超出材料的断裂强度时，高强复合板材成品发生层状开裂失效，裂纹优先沿着纤维伸长方向扩展而消耗冲击能量和改变能量传播路径，起到消耗能量和分散能量的作用，因此本发明所述的大变形量轧制复合方法可有效提高复合板材的抗冲击损毁性能。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，按照所占厚度百分比各部分组成如下：高强铝合金70％、中强铝合金25％、低强铝合金5％。
具体地，所述高强度铝合金按照质量百分比含有0.4％的Si，0.5％的Fe，2.6％的Cu，0.3％的Mn，3.2％的Mg，0.35％的Cr，8.7％的Zn， 0.18％的Zr，0.2％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
具体地，所述中强铝合金按照质量百分比含有0.3％的Si，0.45％的Fe，1.1％的Cu，0.7％的Mn，2.0％的Mg，0.25％的Cr，5.5％的Zn， 0.2％的Zr，0.15％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
具体地，所述低强铝合金按照质量百分比含有0.2％的Si，0.2％的Fe，0.05％的Cu，0.05％的Mn，0.1％的Mg，0.2％的Cr，0.8％的Zn，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.合金熔铸：低强铝合金为7013铝合金，中强铝合金为7005 铝合金，高强铝合金为7178铝合金，按照7178铝合金、7013铝合金和7005铝合金的成分配置并熔炼、半连续铸造合金，铸锭尺寸为 450×1620×7000mm，铸造后进行450℃均匀化退火42h；
S2.单层合金热轧：7013铝合金铸锭经表面处理和锯切头尾后，从厚度430mm热轧至40mm，切断成6500mm长的板材；
S3.复合热轧：
I.经表面处理后厚度为430mm的7005铝合金铸锭和40mm的 7013铝合金板材，按照7005铝合金-7013铝合金自上而下顺序叠放并捆扎，加热至450℃，保温12h后，经多道次热轧至60mm，然后再切断成6500mm，制成组坯一、组坯三；
II.经表面处理后厚度为430mm的7178铝合金铸锭和40mm的 7013铝合金板材，按照7178铝合金-7013铝合金自上而下顺序叠放并捆绑，加热至450℃，保温12h后，经多道次热轧至40mm，切断制成6500mm，制成组坯二；
III.将经表面处理后的组坯一、组坯二、组坯三和厚度430mm的 7178铝合金铸锭，自上而下叠放并捆扎，加热至450℃，保温12h后，经多道次热轧至20mm，切断制成5000mm长复合材料板材；
S4.固溶淬火处理：将复合材料板材置于470℃辊底式空气加热炉中，保温4h后快速出炉，采用高压冷水冷却至40℃以下；
S5.板材预拉伸：将淬火冷却后的板材放入预拉伸机中，沿轧制方向拉伸至5075mm长；
S6.时效处理：将预拉伸板置于退火炉中，在120℃下保温20h，空冷得到厚度为20mm高强铝合金复合板材成品。
按照上述步骤制备出的七层铝合金复合板材，板材厚度为20mm，其包覆率为30％。对铝合金复合板材进行力学性能检测，结果如表1 所示。可见，本实施例所述的铝合金复合板材，界面结合强度高，室温综合性能优良。
实施例2
一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，按照所占厚度百分比各部分组成如下：高强铝合金80％、中强铝合金18％、低强铝合金2％。
具体地，所述高强度铝合金按照质量百分比含有0.1％的Si，0.06％的Fe，0.2％的Cu，0.1％的Mn，1.7％的Mg，0.1％的Cr，5.5％的Zn， 0.1％的Zr，0.03％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
具体地，所述中强铝合金按照质量百分比含有0.2％的Si，0.2％的Fe，0.1％的Cu，0.5％的Mn，1％的Mg，0.2％的Cr，4.0％的Zn，0.2％的Zr，0.15％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
具体地，所述低强铝合金按照质量百分比含有0.2％的Si，0.2％的Fe，0.05％的Cu，0.05％的Mn，0.1％的Mg，0.2％的Cr，0.8％的Zn，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.合金熔铸：低强铝合金为7013铝合金，中强铝合金为7005 铝合金，高强铝合金为7178铝合金，按照7178铝合金、7013铝合金和7005铝合金的成分配置并熔炼、半连续铸造合金，铸锭尺寸为 450×1620×7000mm，铸造后进行450℃均匀化退火42h；
S2.单层合金热轧：7013铝合金铸锭经表面处理和锯切头尾后，从厚度430mm热轧至32mm，切断成6500mm长的板材；
S3.复合热轧：
I.经表面处理后厚度为430mm的7005铝合金铸锭和32mm的 7013铝合金板材，按照7005铝合金-7013铝合金自上而下顺序叠放并捆扎，加热至450℃，保温12h后，经多道次热轧至50mm，然后再切断成6500mm，制成组坯一、组坯三；
II.经表面处理后厚度为430mm的7178铝合金铸锭和40mm的 7013铝合金板材，按照7178铝合金-7013铝合金自上而下顺序叠放并捆绑，加热至450℃，保温10h后，经多道次热轧至50mm，切断制成6500mm，制成组坯二；
III.将经表面处理后的组坯一、组坯二、组坯三和厚度430mm的 7178铝合金铸锭，自上而下叠放并捆扎，加热至450℃，保温10h后，经多道次热轧至30mm，切断制成5000mm长复合材料板材；
S4.固溶淬火处理：将复合材料板材置于465℃辊底式空气加热炉中，保温3h后快速出炉，采用高压冷水冷却至40℃以下；
S5.板材预拉伸：将淬火冷却后的板材放入预拉伸机中，沿轧制方向拉伸至5075mm长；
S6.时效处理：将预拉伸板置于退火炉中，在120℃下保温22h，空冷得到厚度为30mm高强铝合金复合板材成品。
综上所述：与现有技术相比：
(1)该方法生产成本低，适于大规格、连续化生产，产品精度高，工艺及装备均较为成熟，可以制备同种、异种金属材料复合板材，如CN 103599932报道的铝钢复合材料、CN104056859 A报道的铝/ 镁/钛复合板材、CN 104438322和CN 103612434等所述的铝铝复合材料等。
(2)本发明采用的多组坯、多次热轧复合工艺，解决了厚板只发生表面变形，轧制包覆率低于15％的技术难题，实现了多层、包覆率超过20％的铝合金板材的复合轧制。
(3)本发明在中强/中强、中强/高强、高强/高强铝合金中间加入一层低强度高塑性的铝合金，并在后续的高温热处理过程中通过元素扩散而形成冶金结合的复合界面，解决了中强/中强、中强/高强、高强/高强铝合金难以协同塑形变形、复合界面强度低的技术难题，实现了铝合金之间的高强度层间结合，层间结合强度可达到90MPa以上。
(4)采用大变形轧制复合的方法制备的高强铝合金复合板材，经热处理制成成品后，材料内部由大量平行于轧制方向的纤维组织构成。当服役过程中受到剧烈冲击超出材料的断裂强度时，高强复合板材成品发生层状开裂失效，裂纹优先沿着纤维伸长方向扩展而消耗冲击能量和改变能量传播路径，起到消耗能量和分散能量的作用。因此本发明所述的大变形量轧制复合方法可有效提高复合板材的抗冲击损毁性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，其特征在于：按照所占厚度百分比各部分组成如下：高强铝合金70-90％、中强铝合金10-25％、低强铝合金1-5％。
2.根据权利要求1所述的一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，其特征在于：所述高强度铝合金按照质量百分比含有0.1-0.4％的Si，0.06-0.5％的Fe，0.2-2.6％的Cu，0.1-0.3％的Mn，1.7-3.2％的Mg，0.1-0.35％的Cr，5.5-8.7％的Zn，0.1-0.18％的Zr，0.03-0.2％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
3.根据权利要求1所述的一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，其特征在于：所述中强铝合金按照质量百分比含有0.1-0.3％的Si，0.12-0.45％的Fe，0.05-1.1％的Cu，0.1-0.7％的Mn，0.7-2.0％的Mg，0.1-0.25％的Cr，4.0-5.5％的Zn，0.1-0.2％的Zr，0.05-0.15％的Ti，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
4.根据权利要求1所述的一种多层高界面结合强度和高包覆率的层状铝合金复合材料，其特征在于：所述低强铝合金按照质量百分比含有0.2-0.6％的Si，0.2-0.7％的Fe，0.05-0.1％的Cu，0.05-1.5％的Mn，0.1-1.5％的Mg，0.2-0.25％的Cr，0.8-2.0％的Zn，余量为Al和杂质，杂质的总量小于0.15％。
5.一种根据权利要求1所述的多层高界面结合强度和高包覆率的铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1.合金熔铸：按成分配比熔炼各种高强度铝合金，并采用半连续铸造方法制备铸锭，铸锭尺寸为450×1620×7000mm，随后进行450℃均匀化退火42h；
S2.单层合金热轧：低强铝合金铸锭经表面处理和锯切头尾后，尺寸为430×1620×6500mm，经多道次热轧至32-55mm，切断成6500mm长的板材；
S3.复合热轧：
I.经表面处理后厚度为430mm的中强铝合金铸锭和32-55mm的低强铝合金板材，或厚度为430mm的高强铝合金铸锭和32-55mm低强铝合金板材，分别按照中强-低强铝合金，或高强-低强铝合金顺序，自上而下叠放并捆扎，加热至450±5℃，保温12±2h后，经多道次热轧至50-70mm，然后再切断成6500mm，制成组坯一、组坯二、组坯三…组坯N；
II.将组坯一、组坯二、组坯三…组坯N和厚度为430mm的高强铝合金铸锭，按照一定顺序叠放并捆绑，加热至450±5℃，保温12±2h后，经多道次热轧至20-40mm，切断制成5000-7000mm长复合材料板材；
S4.固溶淬火处理：将复合材料板材置于470±5℃辊底式空气加热炉中，保温4±1h后快速出炉，采用高压冷水冷却至40℃以下；
S5.板材预拉伸：将淬火冷却后的板材放入预拉伸机中，沿轧制方向拉伸至5075-7210mm；
S6.时效处理：将预拉伸板置于退火炉中，在120℃下保温22±2h，空冷得到厚度为20-40mm高强铝合金复合板材成品。
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