CN109706354A - 一种具有良好塑性的材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有良好塑性的材料，由如下重量百分含量的成分组成：3‑8％Si，0.03‑0.08％Fe，0.2‑0.5％Cu，0.007‑0.009％Ag，0.9‑1.2％Ca，0.08‑0.15％Li，0.08‑0.11％Ni，0.01‑0.04％Hf，0.2‑0.7％Ba，余量为Al，融入固溶体中的溶质原子使合金固溶体的强度与硬度增加。制备方法采用预冷铸型的激冷作用，促进了元素的细晶强化。铸造后的多道次降温热挤压和轧制工艺，改善了微观组织，提高了铝合金的塑性，最后进行分级固溶和断续时效可同时提高合金的强度等力学性能，使得本发明可广泛应用于制造领域。

Description

一种具有良好塑性的材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，尤其涉及一种具有良好塑性的材料及其制备方法。

背景技术

Al-Li合金是目前最轻的金属结构材料之一，其密度一般为1.70～1.95g/cm³，是常见镁合金的2/3～3/4，也是常见铝合金的1/2～2/3。Al-Li合金具有高的比强度、比刚度、优异切削加工性能、良好的振动衰减性和抗高能粒子穿透能力；同时，Al-Li合金在超低温4.277K下，仍具有良好的韧性，可在温度较低的工作环境作超轻结构材料应用，在航天航空领域有较大的应用潜力。

Mg-Li-Al系合金的力学性能不稳定，在放置过程中，会随着时间的延长而逐渐恶化。研究发现Mg-8Li-lAl和Mg-11Li-3A1合金具有明显的时效特征，并且随着Li和A1含量的增加，时效特征更明显，但是Mg-Li-Al系合金不稳定，容易发生过时效。硬度的影响，试验结果发现，热处理前两种合金中均存在A1Li相，而LA96合金中还存在θ相；固溶处理后，A1Li相完全溶入基体中，合金硬度显著提高；对两种合金进行48h的室温时效处理，合金中重新析出稳定的A1Li相，导致硬度降低。

目前，Al-Li合金的研究焦点主要集中在以下几个方面：(1)对Al-Li合金进行合金化，提高Al-Li合金的强度以及力学性能稳定性；(2)研究与开发提高Al-Li合金耐腐蚀性能的工艺；(3)通过变形加工(尤其是剧塑性变形加工)提高Al-Li合金的综合力学性能；(4)Al-Li合金的超塑性特性研究和超塑性加工工艺开发等。

电弧熔炼法具有熔炼温度高、真空度高、熔炼过程中引入杂质少等多种优点。采用的熔炼设备为非自耗真空电弧炉，由熔炼系统、供电系统、水冷系统和真空四个系统组成。主要步骤如下:将按配比精确称量的各合金元素置于水冷的铜舟中，然后抽真空至优于2.0×10^-3Pa，充入高纯氢气保护，之后进行熔炼。熔炼大致步骤是:先接通直流电源，然后移动焊枪引弧，熔炼中先以纯钦锭耗氧，然后移动电弧至各个铜舟上方，直至将母合金锭熔化。每个锭子反复翻转熔炼4次以上，从而保证了成分均匀。

CN201510765518.9涉及可阳极氧化的铸造铝合金及制备方法，其成分：Si0.8～2.0wt％，Mg0.8～3.0wt％，Mn0.1～0.8wt％，Fe﹤0.3wt％，Cu﹤0.3wt％，Zn﹤0.3wt％，含有Ti、B、Re、Zr中至少一种微量元素且含量低于0.05％，余量为Al；制备时：先熔炼，然后除气与精炼，调整熔炼温度，加入六氯乙烷进行除气精炼，净化扒渣；再变质与二次精炼：调整熔炼温度730～750℃，加入Al-Sr变质剂作变质处理，调整熔炼温度700～720℃，加入除气精炼剂，扒渣；最后浇注与铸造。使氧化效果更佳、膜层厚，色泽均匀，通过控制主要合金元素含量，使得材料具有较高强度和成形性能。

上述专利中制备的铝合金原料中未加入Hf提升硬度，且仅采用铸造工艺制备铝合金，无后续热变形挤压、轧制工艺的加入，虽然使得材料具有较高强度和一定的成形性能，但无法彻底解决铸造合金存在针孔、缩松的缺陷，且铸件内部的晶相排列杂乱，无重结晶α相的生成，α相体积分数少，导致硬度降低，无法在保证良好塑性的同时保持合金的强度。因此，急需开发一种具有良好塑性的铝合金材料以满足市场和技术需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：本发明针对上述技术缺陷，提供一种具有良好塑性的材料，该材料具有良好的成形可塑性，同时兼具良好的力学性能。本发明的另一目的是提供一种具有良好塑性的材料的制备方法，解决铸造铝合金材料存在的缺陷，适于工业化生产，该材料用作机械零件及结构件，可广泛用于汽车，飞机、轮船、建筑等领域。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种具有良好塑性的材料，由如下重量百分含量的成分组成：3-8％Si，0.03-0.08％Fe，0.2-0.5％Cu，0.007-0.009％Ag，0.9-1.2％Ca，0.08-0.15％Li，0.08-0.11％Ni，0.01-0.04％Hf，0.2-0.7％Ba，余量为Al；

所述Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为3～8:8～11；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为5～8％，其余为铝。

优选地，所述Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为100～150目；所述镍铁合金原料为粉末状，粒径为150～200目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为3～5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

一种上述具有良好塑性的材料的制备方法，包含如下具体步骤：

(1)根据配料表称取Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al单质及铝钡合金、铝锂合金作、铁镍合金为原料，并将所有原料烘至绝干待用；

(2)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至4～5×10^{- 3}Pa，开启熔炼炉电源，加热至1000～1300℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至3～5MPa，；

(3)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温10～30min使熔体成分均匀；

(4)降温至1400～1800℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温30～60min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1200-1500℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为130～150毫米，长度为250-300毫米；

(5)在液氮中保持5～8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置1～4小时，脱模取出铸态合金锭；

(6)取铸态合金锭进行热挤压变形，通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压3～5个道次，挤压前试样预热时间为10～20min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(7)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，进行每道次压下量为10～15％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为60～80％；

(8)固溶处理：冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(9)时效处理：将固溶后的合金升温至140～180℃预时效2～5h，水冷，升温至200～250℃，保温2～4h，空冷，再升温至90～120℃进行二级时效5～10h。

优选地，所述固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；所述双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.2～0.5m/s。

优选地，所述热挤压变形的挤压通道路径为“L”型路径，路径拐角处外角为45°，内角为90°，加热装置控温误差为±1K，挤压速度为2～4mm/s；所述步骤(6)中每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。

优选地，所述预冷铸型的制备方法如下：

(1)称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，1.5～2.2重量份树脂，0.8～1.5重量份固化剂，0.1～0.2重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合2～5分钟，再加树脂及偶联剂充分混合2～5分钟；

(2)在25℃硬化10～15分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持20-40分钟后取出立即用于浇注。

优选地，所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：5～7；所述固化剂用量为树脂重量的50～60％，所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：1～5。

本发明获得的有益效果：

(1)在合金中添加Li元素，可以使纯Al的晶格发生转变，即从HCP晶格结构转变成BCC晶格结构，从而提高Al合金的塑性，但是随着Li元素含量的增加，会导致Al-Li合金的强度、热稳定性降低。为此，我们通过在Al-Li合金中添加A1元素，利用固溶强化的手段提高Al-Li合金的强度；同时，通过在Mg-Li-Al合金中添加铪(Hf)，以提高Al-Li合金的热稳定性，减弱A1-Li相引起的时效软化作用。

(2)Si、Fe、Cu、Ca可实现固溶强化，合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。Hf、Ni和Al可以形成高熔点的化合物，弥散分布在基体中。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料的力学性能。

(3)Li、Ba和Ag可实现细晶强化，即通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。由于晶界增多，滑移至晶界前的位错被晶界阻挡。这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，且造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。预冷铸型的激冷作用，促进了元素的细晶强化。

(4)铜箔密封包裹Ag、Ca、Hf粉末可减少Ag、Ca、Hf的氧化，同时防止在添加原料时粉末在合金液表面难以充分扩散均质的现象，使得合金液各成分快速熔炼均匀，无须反复熔炼。

(4)铸造后的热加工和常温轧制，使合金铸态下的抗拉强度由327Mpa提高到558Mpa，伸长率由2.2％提高到3.5％，改善了微观组织，显著提高了合金材料的可塑性，合金在后续锻造加工后能进一步改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过热挤压方法轧制变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使合金内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属材料的塑性和力学性能。

(5)分级固溶和断续时效工艺，可显著提高铝合金材料的硬度，避免时效和固溶温度过高及时效时间过长导致的合金韧性和强度下降或过时效。

附图说明

图1热挤压变形原理示意图

图2对照实施例铸造制备的塑性铝合金板材微观组织；

图3本发明实施例制备的具有良好塑性的铝合金材料微观组织；

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：按如下方法制备良好塑性铝合金材料：

一、原料的准备：

Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为3:11；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为8％，其余为铝。

Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为100目；所述镍铁合金原料为粉末状，粒径为150目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为3～5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

二、良好塑性铝合金材料的制备：

(1)按如下重量百分含量称取合金制备原料：3％Si，0.2％Cu，0.007％Ag，0.9％Ca，1％铝锂合金，0.14％镍铁合金，0.01％Hf，1.33％铝钡合金，余量为Al；并将所有原料烘至绝干待用。

(2)预冷铸型的制备：称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，1.5重量份树脂，0.8重量份固化剂，0.1重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合2分钟，再加树脂及偶联剂充分混合2分钟；在25℃硬化10分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持20分钟后取出立即用于浇注。所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：5；所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：1。

(3)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至4×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1000℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至3MPa，；

(4)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温10min使熔体成分均匀；

(5)降温至1400℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温30min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1200℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为130毫米，长度为250毫米；

(6)在液氮中保持5分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置1小时，脱模取出铸态合金锭；

(7)取铸态合金锭进行热挤压变形，挤压通道路径为“L”型路径(图1)，路径拐角处外角为45°，内角为90°，加热装置控温误差为±1K，挤压速度为2mm/s；通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压3个道次，每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。挤压前试样预热时间为10min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(8)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.2m/s。进行每道次压下量为10％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为60％；

(9)固溶处理：固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(10)时效处理：将固溶后的合金升温至140℃预时效2h，水冷，升温至200℃，保温2h，空冷，再升温至90℃进行二级时效5h。

实施例2：按如下方法制备良好塑性铝合金材料：

一、原料的准备：

Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为1:1；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为5％，其余为铝。

Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为150目；所述镍铁合金原料为粉末状，粉末粒径为200目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

二、良好塑性铝合金材料的制备：

(1)按如下重量百分含量称取合金制备原料：8％Si，0.5％Cu，0.009％Ag，1.2％Ca，3％铝锂合金，0.16％镍铁合金，0.04％Hf，4.67％铝钡合金，余量为Al；并将所有原料烘至绝干待用。

(2)预冷铸型的制备：称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，2.2重量份树脂，1.5重量份固化剂，0.2重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合5分钟，再加树脂及偶联剂充分混合5分钟；在25℃硬化15分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持40分钟后取出立即用于浇注。所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：7；所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：5。

(3)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至5×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1300℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至5MPa，；

(4)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温30min使熔体成分均匀；

(5)降温至1800℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温60min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1500℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为150毫米，长度为300毫米；

(6)在液氮中保持8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置4小时，脱模取出铸态合金锭；

(7)取铸态合金锭进行热挤压变形，挤压通道路径为“L”型路径(图1)，路径拐角处外角为45°，内角为90°，加热装置控温误差为±1K，挤压速度为2～4mm/s；通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压3～5个道次，每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。挤压前试样预热时间为10～20min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(8)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.5m/s。进行每道次压下量为15％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为80％；

(9)固溶处理：固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(10)时效处理：将固溶后的合金升温至180℃预时效5h，水冷，升温至250℃，保温4h，空冷，再升温至120℃进行二级时效10h。

实施例3：按如下方法制备良好塑性铝合金材料：

一、原料的准备：

Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为8:11；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为6％，其余为铝。

Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为130目；所述镍铁合金原料为粉末状，粉末粒径为170目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为4mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

二、良好塑性铝合金材料的制备：

(1)按如下重量百分含量称取合金制备原料：5％Si，0.35％Cu，0.008％Ag，1.05％Ca，1.83％铝锂合金，0.19％镍铁合金，0.025％Hf，3％铝钡合金，余量为Al；并将所有原料烘至绝干待用。

(2)预冷铸型的制备：称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，2重量份树脂，1重量份固化剂，0.15重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合4分钟，再加树脂及偶联剂充分混合4分钟；在25℃硬化15分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持30分钟后取出立即用于浇注。所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：6；所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：3。

(3)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至4.5×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1200℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至4MPa，；

(4)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温20min使熔体成分均匀；

(5)降温至1600℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温45min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1350℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为140毫米，长度为275毫米；

(6)在液氮中保持6分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置3小时，脱模取出铸态合金锭；

(7)取铸态合金锭进行热挤压变形，挤压通道路径为“L”型路径(图1)，路径拐角处外角为45°，内角为90°，加热装置控温误差为±1K，挤压速度为3mm/s；通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压4个道次，每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。挤压前试样预热时间为15min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(8)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.4m/s。进行每道次压下量为13％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为70％；

(9)固溶处理：固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(10)时效处理：将固溶后的合金升温至160℃预时效3.5h，水冷，升温至225℃，保温3h，空冷，再升温至100℃进行二级时效7h。

实施例4：按如下方法制备良好塑性铝合金材料：

一、原料的准备：

Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为5:9；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为10％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为10％，其余为铝。

Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为100～150目；所述镍铁合金原料为粉末状，粉末粒径为150～200目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为3～5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

二、良好塑性铝合金材料的制备：

(1)按如下重量百分含量称取合金制备原料：7％Si，0.3％Cu，0.009％Ag，1％Ca，1.3％铝锂合金，0.15％镍铁合金，0.02％Hf，6％铝钡合金，余量为Al；并将所有原料烘至绝干待用。

(2)预冷铸型的制备：称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，2.2重量份树脂，1.32重量份固化剂，0.15重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合3分钟，再加树脂及偶联剂充分混合3分钟；在25℃硬化10分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持35分钟后取出立即用于浇注。所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：5；所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：4。

(3)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至3×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1100℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至1MPa，；

(4)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温15min使熔体成分均匀；

(5)降温至1400℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温50min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1250℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为145毫米，长度为260毫米；

(6)在液氮中保持7分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置3小时，脱模取出铸态合金锭；

(7)取铸态合金锭进行热挤压变形，挤压通道路径直线，应变速率为0.001s^-1，通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压4个道次，挤压比为14:1。挤压前试样预热时间为15min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(8)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.4m/s。进行每道次压下量为14％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为65％；

(9)固溶处理：固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(10)时效处理：将固溶后的合金升温至150℃预时效3h，水冷，升温至230℃，保温3h，空冷，再升温至110℃进行二级时效9h。

实施例5：按如下方法制备良好塑性铝合金材料：

一、原料的准备：

Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为1:2；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为7％，其余为铝。

Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为150目；所述镍铁合金原料为粉末状，粉末粒径为150目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为3～5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

二、良好塑性铝合金材料的制备：

(1)按如下重量百分含量称取合金制备原料：4％Si，0.33％Cu，0.0075％Ag，1.05％Ca，2％铝锂合金，0.15％镍铁合金，0.025％Hf，4％铝钡合金，余量为Al；并将所有原料烘至绝干待用。

(2)预冷铸型的制备：称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，2重量份树脂，1.1重量份固化剂，0.2重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合4分钟，再加树脂及偶联剂充分混合5分钟；在25℃硬化13分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持30分钟后取出立即用于浇注。所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：5；所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：2。

(3)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至4×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1100℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至3.5MPa，；

(4)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温22min使熔体成分均匀；

(5)降温至1700℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温40min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1000℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为120毫米，长度为240毫米；

(6)在液氮中保持8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置4小时，脱模取出铸态合金锭；

(7)取铸态合金锭进行热挤压变形，挤压通道路径为“L”型路径(图1)，路径拐角处外角为65°，内角为120°，加热装置控温误差为±5K，挤压速度为1.5mm/s；通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为655K；第二阶段挤压温度为555K；第三阶段挤压温度为455K，每阶段挤压4个道次，每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。挤压前试样预热时间为10min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(8)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，双辊轧制机的轧辊直径为400mm，宽度为600mm，线速度为0.45m/s。进行每道次压下量为15％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为55％；

(9)固溶处理：固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；冷轧后的合金300℃固溶2h，升温至440℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(10)时效处理：将固溶后的合金升温至130℃预时效2h，水冷，升温至190℃，保温2h，空冷，再升温至80℃进行二级时效10h。

对照实施例：根据中国专利CN105200285A中实施例1公开的方法，制备一种具有超塑性的铝合金板材，作为对照用于后续的性能测试。

为了检测实施例1～5及对照实施例制备的高强铝合金材料的各项性能进行如下试验：

1、力学参数测定

将得到的试样按GB6397-86，机加工成标准的8mm短拉伸试棒，在微电子控制万能试验机上进行弯曲塑性试验，测其屈服极限σ_y，断裂强度σ_f，塑性形变ε_p及蒲松比V最终结果取4个试样的平均值。结果见表1。

表1合金的力学参数

为了更直观的了解本发明的力学性能特点，通过超声法测得了所研究样品的力学参数，从中不难发现，实施例3和4具备较高的蒲松比，而蒲松比越高，意味着合金具备更好的塑性变形能力，塑性形变率结果与这一理论符合得非常好，实施例3的塑性形变率显著高于对照实施例。力学参数表明，本发明的塑性成形能力也显著高于对照实施例。

2、热力学参数测定

热学参数的测量是在Perkin-Elmer Pyris Diamond差热分析仪上进行的，实验过程通氩气保护，测量时所选取的升温速率是0.333K·s^-1。线性膨胀系数的测量是在NETZSCHDIL 402C热膨胀仪上进行的，所用样品尺寸是25mm长，直径4mm，整个测量过程以氢气作为吹扫气，气流大小为60ml·s^-1。热力学参数包括转变温度(Tg)，晶化温度(Tx)，熔点(Tm)，液化点(Tl)，过冷液相区(ΔTx＝Tx-Tg)，约化转化温度Trg＝Tg/Tl和γ(γ＝Tx/(Tg+Tl))值。

表2合金的热力学参数

从表中可以看出实施例3的热稳定性在所对比几个样品属于最低的，过冷液相区最小，约化转变温度值也相对较低。这与力学测试所得结果相符，一般来说，合金在液相结构越致密，非晶合金形成能力越好，热稳定性越高，而塑性变形能力越差，往往非常的脆。而液相原子堆积不致密的合金成分能够表现出较好的塑性变形能力。

3、金相分析

采用优选实施例3和对照实施例中制备的不同合金作为金相试样，取于合金试棒样品的中心部位，经过打磨、抛光，在光学显微镜下观察其微观组织，结果见图2和图3。

图2和3对比之后可见，经过多道次降温热挤压变形特别是冷轧后，在后续的多级高温短时间固溶和断续时效过程中，由于其内部拥有较高的畸变能，容易发生静态再结晶。另外，随着变形量的增加，合金内部拥有的畸变能也越高，所提供的再结晶形核核心也增多，则退火后的晶粒更细小，故相比于图2，图3经过热加工和冷轧工艺处理后的晶粒更加细小。

图3中也没有铸造产生的偏析、疏松、气孔、夹渣现象，而图2中可见部分区域具有铸造产生的疏松和气孔现象。

综上所述，在合金中添加Li元素，可以使纯Al的晶格发生转变，即从HCP晶格结构转变成BCC晶格结构，从而提高Al合金的塑性，但是随着Li元素含量的增加，会导致Al-Li合金的强度、热稳定性降低。为此，我们通过在Al-Li合金中添加A1元素，利用固溶强化的手段提高Al-Li合金的强度；同时，通过在Mg-Li-Al合金中添加铪(Hf)，以提高Al-Li合金的热稳定性，减弱A1-Li相引起的时效软化作用。Si、Fe、Cu、Ca可实现固溶强化，合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。Hf、Ni和Al可以形成高熔点的化合物，弥散分布在基体中。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料的力学性能。Li、Ba和Ag可实现细晶强化，即通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。由于晶界增多，滑移至晶界前的位错被晶界阻挡。这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，且造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。预冷铸型的激冷作用，促进了元素的细晶强化。铜箔密封包裹Ag、Ca、Hf粉末可减少Ag、Ca、Hf的氧化，同时防止在添加原料时粉末在合金液表面难以充分扩散均质的现象，使得合金液各成分快速熔炼均匀，无须反复熔炼。铸造后的热加工和常温轧制，改善了微观组织，显著提高了合金材料的可塑性，合金在后续锻造加工后能进一步改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过热挤压方法轧制变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使合金内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属材料的塑性和力学性能。分级固溶和断续时效工艺，可显著提高铝合金材料的硬度，避免时效和固溶温度过高及时效时间过长导致的合金韧性和强度下降或过时效。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种具有良好塑性的材料，其特征在于，由如下重量百分含量的成分组成：3-8％Si，0.03-0.08％Fe，0.2-0.5％Cu，0.007-0.009％Ag，0.9-1.2％Ca，0.08-0.15％Li，0.08-0.11％Ni，0.01-0.04％Hf，0.2-0.7％Ba，余量为Al；

所述Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Ni和Fe以镍铁合金形式作为制备原料，其中Fe与Ni的重量比为3～8:8～11；Ba以铝钡合金形式作为制备原料，其中Ba的重量百分含量为15％，其余为铝，Li以铝锂合金形式作为制备原料，其中Li的重量百分含量为5～8％，其余为铝。

2.根据权利要求1中所述具有良好塑性的材料，其特征在于，所述Ag、Ca、Hf纯物质原料均为粉末状，平均粒径为100～150目；所述镍铁合金原料为粉末状，粒径为150～200目，所述铝锂合金和铝钡合金均为颗粒状，颗粒直径为3～5mm，Si为块状，Al为铝锭，所述铜为铜箔。

3.一种如权利要求1或2中所述具有良好塑性的材料的制备方法，其特征在于，包含如下具体步骤：

(1)根据配料表称取Si、Cu、Ag、Ca、Hf、Al单质及铝钡合金、铝锂合金作、铁镍合金为原料，并将所有原料烘至绝干待用；

(2)依照下紧上松的原则将铝锭、硅块放入熔炼炉中，Ag、Ca、Hf粉末用铜箔密封包裹，预先放入熔炼炉膛上方的料斗中，装料完成后，先打开循环水，预抽真空至4～5×10^-3Pa，开启熔炼炉电源，加热至1000～1300℃，关闭真空系统，并向炉体内通入氩气至3～5MPa，；

(3)升温到1500℃，铝锭、硅块完全熔化后，翻转料斗加入铜箔包裹的Ag、Ca、Hf粉末，再保温10～30min使熔体成分均匀；

(4)降温至1400～1800℃加入铝锂合金、铝钡合金、铁镍合金，保温30～60min，随后带电浇注，降温至浇注温度为1200-1500℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为130～150毫米，长度为250-300毫米；

(5)在液氮中保持5～8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置1～4小时，脱模取出铸态合金锭；

(6)取铸态合金锭进行热挤压变形，通过逐步降温的挤压方法进行，共三阶段挤压，第一阶段挤压温度为775K；第二阶段挤压温度为665K；第三阶段挤压温度为565K，每阶段挤压3～5个道次，挤压前试样预热时间为10～20min，挤压通道内部涂以石墨与机油的混合液进行润滑；

(7)轧制变形：热挤压后的棒材切成横截面尺寸为14×14mm²的合金在双辊轧制机上进行轧制，进行每道次压下量为10～15％的轧制变形，变形温度为室温，累积变形量为60～80％；

(8)固溶处理：冷轧后的合金400℃固溶2h，升温至540℃固溶1h，固溶后进行空冷；

(9)时效处理：将固溶后的合金升温至140～180℃预时效2～5h，水冷，升温至200～250℃，保温2～4h，空冷，再升温至90～120℃进行二级时效5～10h。

4.根据权利要求3中所述的一种具有良好塑性的材料的制备方法，其特征在于：所述固溶处理前用铝箔将合金包好，并在固溶和时效时用石墨粉将合金覆盖；所述双辊轧制机的轧辊直径为300mm，宽度为500mm，线速度为0.2～0.5m/s。

5.根据权利要求4中所述的一种具有良好塑性的材料的制备方法，其特征在于：所述热挤压变形的挤压通道路径为“L”型路径，路径拐角处外角为45°，内角为90°，加热装置控温误差为±1K，挤压速度为2～4mm/s；所述步骤(6)中每道次挤压后铸态合金锭沿长轴顺时针或逆时针方向90°旋转进入下一道次挤压。

6.根据权利要求3中所述的一种具有良好塑性的材料的制备方法，其特征在于，所述预冷铸型的制备方法如下：

(1)称取100重量份铬铁矿砂/石英砂混合砂，1.5～2.2重量份树脂，0.8～1.5重量份固化剂，0.1～0.2重量份偶联剂，先将砂与固化剂混合2～5分钟，再加树脂及偶联剂充分混合2～5分钟；

(2)在25℃硬化10～15分钟后离模，离模后的铸型浸入液氮中，保持20-40分钟后取出立即用于浇注。

7.根据权利要求6中所述的一种具有良好塑性的材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂由对甲苯磺酸与酒精混合配制而成，对甲苯磺酸和酒精的重量比为3：5～7；所述固化剂用量为树脂重量的50～60％，所述铬铁矿砂/石英砂混合砂中铬铁矿砂与石英砂重量比为1：1～5。