CN109746415B - Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了Al‑Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，步骤包括：在铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层；将完成喷涂处理的铝合金板材与不含涂层的同牌号铝合金板材交替叠加；沿复合叠加板材平面垂向施压，施压过程中同时对其进行热处理；将复合叠加板材带温取出，随后进行4‑6道次热轧处理；将复合轧板卷制棒体，将棒体熔化，在690‑710℃的条件下保温5‑10s后将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得纳米粒子复合铝合金带材；将带材制成预制坯料，将坯料挤压成型。本发明所制得的构件强韧度高、性能一致性好；本发明采用常规工艺和设备实现双纳米粒子增强Al‑Si系铝合金挤压铸造构件制备，制造成本低，整个工艺流程无化学反应，安全可控。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金制造，具体涉及Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法。
背景技术
随着航空航天领域产品整体性能要求不断提升，相关配套构件不断向轻量化、复合化和在多工况下均能服役的高性能、高可靠性方向发展，高强铝合金构件由于其高比强度、低密度和高导热性等优势，已大量用作飞行器和航空器的结构件。微纳米颗粒强化铝基复合材料作为新一代的承力结构件用材，由于其优异的强化效果、种类繁多的成形方式以及稳定的综合性能，已成为近年来研究热点，尤其是纳米颗粒强化铝基复合材料的制备与构件成形一体化技术得到了蓬勃发展和广泛应用。
常规纳米颗粒强化铝基复合材料的铸造凝固制备方法有原位复合法、浸渗凝固法、搅拌铸造法、离心铸造法等，这些方法虽然已经成功制备出各种纳米系列纳米粒子强化的铝合
金材料与构件，但是在进行高性能复杂构件的大批量生产时，会因为强化粒子种类限制大、生产过程控制力差以及专用设备昂贵等问题，对纳米颗粒强化铝基复合材料的推广应用形成一定阻碍。其中，原位自生法通过铝合金熔体中发生化学反应，生成弥散颗粒强化相，随后直接浇注成型，该工艺制备的复合材料具有増强颗粒与基体结合较好，粒子尺寸小、弥散度较高等优点，但其存在增强纳米粒子种类选择范围较窄，增强粒子均匀化分布程度难以调整，反应过程难以通过工艺参数控制，以及存在反应副产物二次污染的隐患，难以在批量生产时进行质量控制；浸渗凝固法是将含有较高孔隙率的强化相预制体浸没于熔融铝合金熔体中，铝合金熔体浸透预制体成型体后使其凝固以制备铝基复合材料，但当采用纳米颗粒作为强化相时，预制体制备工艺复杂，成本较高，再由于熔融铝合金的浸渗过程属于降温过程，熔体流动充型性逐渐下降，导致该方法难以制备大尺寸或结构复杂的构件；搅拌铸造法是制备颗粒增强铝基复合材料最常用方法，通过在熔融铝合金熔体中加入增强颗粒，经搅拌均匀后即可生产预制铸坯或者成品构件，具有流程短，成本低，适合大批量生产等优点，但该工艺对强化粒子在熔体中的分散效果控制力较差，尤其对于纳米级颗粒，其分散处理时间长、熔体搅动大，强化粒子加入量体积含量上限较低，导致最终产品性能不稳定，不适合新一代髙性能颗粒增强铝基复合材料制备；离心铸造法是在离心力作用下将铝合金熔体渗入增强材料之间的间隙值得铝基复合材料，具有方法简单、工艺控制力强和铸件致密度高的优点，但由于工艺设备限制，通常成形产品为环状或筒状，在非回转结构件上的应用效果不佳。
在前人研究基础之上，发明人开发了一种双纳米粒子强化Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，该方法对于促进颗粒强化铝基复合材料在航空航天领域推广应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，该方法操作简单、可控性好，所制得的Al-Si系铝合金构件强韧度高、性能一致性好。
为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案。
Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，步骤包括：
步骤1：在厚度为1-1.5mm的铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层，其中一面所喷涂的纳米粒子尺寸为50-200nm、涂层厚度为500-1000nm，另一面所喷涂的纳米粒子尺寸为50-100nm、涂层厚度为300-600nm；
步骤2：将完成喷涂处理的铝合金板材与厚度为0.8-1.2mm且不含涂层的同牌号铝合金板材进行交替叠加，叠加层数为5-11层，顶层与底层的铝合金板材不含涂层；沿着复合叠加板材（本发明所述复合叠加板材是指叠加后的铝合金板材整体）平面垂向施加0.2-0.3MPa的预应力，施压过程中同时对其进行热处理，热处理温度为440-460℃，热处理时间为1-1.5h；
步骤3：热处理结束后，将复合叠加板材带温取出，随后进行4-6道次热轧处理，轧制温度为380-400℃，每道次下压量为复合叠加板材初始厚度的8-15%，相邻两道次的轧制方向均沿着顺时针方向旋转90度，轧制速度为10-50mm/s；
步骤4：将复合轧板（本发明所述复合轧板是指热轧结束后的复合叠加板材）卷制成直径为50-80mm、长度为70-100mm的棒体，将棒体装入非晶制带机的熔料仓，加热棒体使其熔化成纳米粒子复合铝合金熔体，将熔体在690-710℃的条件下保温5-10s，使用压力为0.05-0.07MPa的干燥氩气将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得到厚度为0.2-0.35mm的纳米粒子复合铝合金带材；其中，铜辊温度为常温，铜辊旋转速度为800-1200转/分钟；
步骤5：使用压力为1-1.5MN的冷压机将纳米粒子复合铝合金带材制成预制坯料，坯料直径为56-70mm，坯料高度为80-90mm；
步骤6：使用中频加热炉将坯料加热至680-690℃，保温10-20s，然后在模具中进行挤压铸造成形；其中，模具温度为400-430℃，挤压机压力为2-4MN。
作为优选，所述Al-Si系铝合金构件包括ZL114A铝合金、ZL116铝合金、ZL105铝合金。
作为优选，所述纳米粒子为VC、W2C双纳米粒子，NbC、TiC双纳米粒子，或ZrC、TiB2双纳米粒子。
有益效果：通过本发明方法所制备的双纳米粒子增强Al-Si系铝合金挤压铸造构件强韧度高、性能一致性好，构件本体经固溶时效处理后，常温下的抗拉强度可达485MPa、屈服强度可达386MPa、断后伸长率可达14%，同一构件不同部位的抗拉强度值差值≤8MPa，不同部位的屈服强度值偏差≤7MPa，断后伸长率最大值与最小值之差≤3%；构件本体在200℃时的抗拉强度可达364MPa、断后伸长率可达35%，同一构件不同部位的抗拉强度值差值≤10MPa，断后伸长率最大值与最小值之差≤5%。
本发明采用多种基础工艺相结合、塑性变形和液态成形联合促进纳米粒子与铝合金基体融合，纳米粒子先通过冷喷涂预制在铝板上，再通过后续轧制工序和非晶制带机进行多维度分散处理，使所制备的双纳米粒子增强Al-Si系铝合金挤压铸造构件内部无纳米粒子团聚，无偏聚，纳米粒子在构件内部的分散效果好；本发明采用常规工艺和常规设备即可实现双纳米粒子增强Al-Si系铝合金挤压铸造构件制备，制造成本低；本发明整个工艺流程无化学反应，制备过程安全可控，操作空间无特殊防护要求，属于环保友好型工艺；本发明适用于多种规格纳米粒子强化铝基复合材料，通用性好，操作简单，集成度高，便于在工业生产中大规模推广应用，对于促进颗粒强化铝基复合材料在航空航天领域推广应用具有重要意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些简单的替换或调整，均在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，采用VC、W2C双纳米粒子强化ZL114A铝合金，步骤包括：
步骤1：在厚度为1.5mm的铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层，其中一面喷涂VC纳米粒子涂层，VC纳米粒子尺寸（均值）为200nm、VC涂层厚度为1000nm，另一面喷涂W2C纳米粒子涂层，W2C纳米粒子尺寸（均值）为50nm、W2C涂层厚度为300nm；
步骤2：将完成喷涂处理的铝合金板材与厚度为1.2mm且不含涂层的同牌号铝合金板材进行交替叠加，叠加层数为5层，顶层与底层的铝合金板材不含涂层，即第1层（底层）为不含涂层的铝合金板、第2层为含涂层的铝合金板、第3层为不含涂层的铝合金板、第4层为含涂层的铝合金板、第5层（顶层）为不含涂层的铝合金板；沿着复合叠加板材（即叠加后的铝合金板材整体）平面垂向施加0.2MPa的平面预应力，并在保温温度为440℃的模具型腔内对其进行加热处理，加热时间为1h；
步骤3：热处理（保温）结束后，将复合叠加板材带温取出，随后进行4道次热轧处理，轧制温度为380℃，每道次下压量为复合叠加板材初始厚度的15%，相邻两道次的轧制方向均沿着顺时针方向旋转90度，轧制速度为50mm/s；
步骤4：将复合轧板（即步骤3中热轧结束后的复合叠加板材）卷制成直径为50mm、长度为100mm的棒体，将棒体竖直装入非晶制带机的熔料仓，加热棒体使其熔化成纳米粒子复合铝合金熔体，将熔体在690℃的条件下保温5s，使用压力为0.07MPa的干燥氩气将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得到厚度为0.2mm的纳米粒子复合铝合金带材；其中，铜辊温度为常温，铜辊旋转速度为1200转/分钟；
步骤5：使用压力为1MN的冷压机将纳米粒子复合铝合金带材制成预制坯料，坯料直径为56mm，坯料高度为90mm；
步骤6：使用中频加热炉将坯料加热至680℃，保温10s，然后在模具中进行挤压铸造成形；其中，模具温度控制为400℃，挤压机压力为2MN。
根据“GB/228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分:室温试验方法”和“GBT228.2/2010金属材料拉伸试验，第二部分:高温试验方法进行检测”对本实施例中所制备的经固溶时效处理后的VC、W2C双纳米粒子强化ZL114A铝合金挤压铸造构件进行性能检测，其中，取样方法为：在铝合金构件最大轮廓尺寸方向（即高度、长度或宽度尺寸最大的方向），沿着该方向将构件平均分为三个区域，在不同区域内分别切取3根力学性能试样。经测，构件本体取样在常温下的抗拉强度可达421MPa，屈服强度可达301MPa，断后伸长率可达14%，同一构件所测部位的抗拉强度值差值为6MPa，所测部位的屈服强度值偏差为5MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为3%；构件本体取样在200℃时的抗拉强度可达183MPa，断后伸长率可达35%；同一构件所测部位的抗拉强度值差值为5MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为5%。
实施例2
一种Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，采用NbC、TiC双纳米粒子强化ZL116铝合金，步骤包括：
步骤1：在厚度为1mm的铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层，其中一面喷涂Nbc纳米粒子涂层，Nbc纳米粒子尺寸（均值）为50nm、Nbc涂层厚度为500nm，另一面喷涂TiC纳米粒子涂层，TiC纳米粒子尺寸（均值）为100nm、TiC涂层厚度为600nm；
步骤2：将完成喷涂处理的铝合金板材与厚度为0.8mm且不含涂层的同牌号铝合金板材进行交替叠加，叠加层数为11层，顶层与底层的铝合金板材不含涂层，即第1层（底层）为不含涂层的铝合金板、第2层为含涂层的铝合金板、第3层为不含涂层的铝合金板、第4层为含涂层的铝合金板……第11层（顶层）为不含涂层的铝合金板；沿着复合叠加板材（即叠加后的铝合金板材整体）平面垂向施加0.3MPa的平面预应力，并在保温温度为460℃的模具型腔内对其进行加热处理，加热时间为1.5h；
步骤3：热处理（保温）结束后，将复合叠加板材带温取出，随后进行6道次热轧处理，轧制温度为400℃，每道次下压量为复合叠加板材初始厚度的8%，相邻两道次的轧制方向均沿着顺时针方向旋转90度，轧制速度为10mm/s；
步骤4：将复合轧板（即步骤3中热轧结束后的复合叠加板材）卷制成直径为80mm、长度为70mm的棒体，将棒体竖直装入非晶制带机的熔料仓，加热棒体使其熔化成纳米粒子复合铝合金熔体，将熔体在710℃的条件下保温10s，使用压力为0.05MPa的干燥氩气将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得到厚度为0.35mm的纳米粒子复合铝合金带材；其中，铜辊温度为常温，铜辊旋转速度为800转/分钟；
步骤5：使用压力为1.5MN的冷压机将纳米粒子复合铝合金带材制成预制坯料，坯料直径为70mm，坯料高度为80mm；
步骤6：使用中频加热炉将坯料加热至690℃，保温20s，然后在模具中进行挤压铸造成形；其中，模具温度控制为430℃，挤压机压力为4MN。
根据“GB/228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分:室温试验方法”和“GBT228.2/2010金属材料拉伸试验，第二部分:高温试验方法进行检测”对本实施例中所制备的经固溶时效处理后的NbC、TiC双纳米粒子强化ZL116铝合金挤压铸造构件进行性能检测，其中，取样方法为：在铝合金构件最大轮廓尺寸方向（即高度、长度或宽度尺寸最大的方向），沿着该方向将构件平均分为三个区域，在不同区域内分别切取3根力学性能试样。经测，构件本体取样在常温下的抗拉强度可达485MPa，屈服强度可达386MPa，断后伸长率可达14%，同一构件所测部位的抗拉强度值差值为8MPa，所测部位的屈服强度值偏差为6MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为2%；构件本体取样在200℃时的抗拉强度可达364MPa，断后伸长率可达21%，同一构件所测部位的的抗拉强度值差值为8MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为2%。
实施例3
一种Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，采用ZrC、TiB2双纳米粒子强化ZL105铝合金，步骤包括：
步骤1：在厚度为1.3mm的铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层，其中一面喷涂ZrC纳米粒子涂层，ZrC纳米粒子尺寸（均值）为80nm、ZrC涂层厚度为700nm，另一面喷涂TiB2纳米粒子涂层，TiB2纳米粒子尺寸（均值）为60nm、TiB2涂层厚度为460nm；
步骤2：将完成喷涂处理的铝合金板材与厚度为1mm且不含涂层的同牌号铝合金板材进行交替叠加，叠加层数为7层，顶层与底层的铝合金板材不含涂层，即第1层（底层）为不含涂层的铝合金板、第2层为含涂层的铝合金板、第3层为不含涂层的铝合金板、第4层为含涂层的铝合金板……第7层（顶层）为不含涂层的铝合金板；沿着复合叠加板材（即叠加后的铝合金板材整体）平面垂向施加0.23MPa的平面预应力，并在保温温度为449℃的模具型腔内对其进行加热处理，加热时间为1.3h；
步骤3：热处理（保温）结束后，将复合叠加板材带温取出，随后进行5道次热轧处理，轧制温度为388℃，每道次下压量为复合叠加板材初始厚度的10%，相邻两道次的轧制方向均沿着顺时针方向旋转90度，轧制速度为37mm/s；
步骤4：将复合轧板（即步骤3中热轧结束后的复合叠加板材）卷制成直径为66mm、长度为81mm的棒体，将棒体竖直装入非晶制带机的熔料仓，加热棒体使其熔化成纳米粒子复合铝合金熔体，将熔体在695℃的条件下保温7s，使用压力为0.059MPa的干燥氩气将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得到厚度为0.3mm的纳米粒子复合铝合金带材；其中，铜辊温度为常温，铜辊旋转速度为1030转/分钟；
步骤5：使用压力为1.3MN的冷压机将纳米粒子复合铝合金带材制成预制坯料，坯料直径为62mm，坯料高度为84mm；
步骤6：使用中频加热炉将坯料加热至686℃，保温14s，然后在模具中进行挤压铸造成形；其中，模具温度控制为420℃，挤压机压力为3.6MN。
根据“GB/228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分:室温试验方法”和“GBT228.2/2010金属材料拉伸试验，第二部分:高温试验方法进行检测”对本实施例中所制备的经固溶时效处理的ZrC、TiB2双纳米粒子强化ZL105铝合金挤压铸造构件进行性能检测，其中，取样方法为：在铝合金构件最大轮廓尺寸方向（即高度、长度或宽度尺寸最大的方向），沿着该方向将构件平均分为三个区域，在不同区域内分别切取3根力学性能试样。经测，构件本体取样在常温下的抗拉强度可达390MPa，屈服强度可达282MPa，断后伸长率可达8%，同一构件所测部位的抗拉强度值差值为5MPa，所测部位的屈服强度值偏差为7MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为1%；构件本体取样在200℃时的抗拉强度可达255MPa，断后伸长率可达28%，同一构件所测部位的抗拉强度值差值为10MPa，所测部位的断后伸长率最大值与最小值之差为2%。
Claims (3)
1.Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，其特征在于步骤包括：
步骤1：在厚度为1-1.5mm的铝合金板材正反面，分别冷喷涂纳米粒子涂层，其中一面所喷涂的纳米粒子尺寸为50-200nm、涂层厚度为500-1000nm，另一面所喷涂的纳米粒子尺寸为50-100nm、涂层厚度为300-600nm；
步骤2：将完成喷涂处理的铝合金板材与厚度为0.8-1.2mm且不含涂层的同牌号铝合金板材进行交替叠加，叠加层数为5-11层，顶层与底层的铝合金板材不含涂层；沿着复合叠加板材平面垂向施加0.2-0.3MPa的预应力，施压过程中同时对其进行热处理，热处理温度为440-460℃，热处理时间为1-1.5h；
步骤3：热处理结束后，将复合叠加板材带温取出，随后进行4-6道次热轧处理，轧制温度为380-400℃，每道次下压量为复合叠加板材初始厚度的8-15%，相邻两道次的轧制方向均沿着顺时针方向旋转90度，轧制速度为10-50mm/s；
步骤4：将复合轧板卷制成直径为50-80mm、长度为70-100mm的棒体，将棒体装入非晶制带机的熔料仓，加热棒体使其熔化成纳米粒子复合铝合金熔体，将熔体在690-710℃的条件下保温5-10s，使用压力为0.05-0.07MPa的干燥氩气将熔体从熔料仓中吹至旋转的铜辊上，得到厚度为0.2-0.35mm的纳米粒子复合铝合金带材；其中，铜辊温度为常温，铜辊旋转速度为800-1200转/分钟；
步骤5：使用压力为1-1.5MN的冷压机将纳米粒子复合铝合金带材制成预制坯料，坯料直径为56-70mm，坯料高度为80-90mm；
步骤6：使用中频加热炉将坯料加热至680-690℃，保温10-20s，然后在模具中进行挤压铸造成形；其中，模具温度为400-430℃，挤压机压力为2-4MN。
2.根据权利要求1所述的Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，其特征在于：所述Al-Si系铝合金构件包括ZL114A铝合金、ZL116铝合金、ZL105铝合金。
3.根据权利要求1所述的Al-Si系铝合金构件挤压铸造成形方法，其特征在于：所述纳米粒子为VC、W2C双纳米粒子，NbC、TiC双纳米粒子，或ZrC、TiB2双纳米粒子。
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