CN110106407A - 一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金及其制备方法，中熵合金的合金成分为含5083铝合金‑x Zn的铝合金；其中，x为Zn占总合金成分的质量百分数，0＜x≤6％，各成分配比误差在±0.2％范围内。该合金的设计思路是从构型熵角度出发，在5083变形铝合金的基础上，通过添加Zn元素，以提高合金的构型熵，同时该合金变为可热处理强化合金，再通过相应的热处理工艺，包括真空感应熔炼并采用重力铸造、均匀化处理、固溶与时效等，使合金的强度得到提高，可加工性能得到改善，扩大了合金的应用前景。

Description

一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料制备技术，尤其涉及一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金及其制备方法。
背景技术
铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一。铝工业的整个发展历史不过两百年，但由于铝及其合金具有一系列优异特性，发展速度非常快，已经广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、电子通讯等方面，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料。20世纪中期以来，新材料的不断出现，促进科学技术突飞猛进，各个工业部门高速度发展，铝合金亟需进一步的改善和发展。具有低密度，耐腐蚀和良好热稳定性的铝合金正成为航空航天和汽车工业的主要结构材料。然而，低强度限制了铝合金材料的发展，为此，许多研究人员在优化合金成分和合金化方面做了大量工作。
加工产品的牌号为5083的变形铝合金，简称5083铝合金，属于Al-Mg系合金，具有良好的塑性、耐腐蚀及可加工性等优点，但其合金强度较低，且该合金是一种热处理不可强化合金，很难通过热处理的方式提高其强度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金。该合金的设计思路是从构型熵角度出发，在5083变形铝合金的基础上，通过添加Zn元素，以提高合金的构型熵，同时该合金变为可热处理强化合金，再通过相应的热处理工艺，包括真空感应熔炼并采用重力铸造、均匀化处理、固溶与时效等，使合金的强度得到提高，可加工性能得到改善，扩大了合金的应用前景。
本发明的目的之二在于提供一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金的制备方法。在制备方法中，采用真空感应熔炼并采用重力铸造的方法制备了一种高强度低成本轻质铝基中熵合金，并对该合金进行轧制试验，得到合金板材，同时，对合金板材进行相应的热处理最终得到合金板材成品。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金，其合金成分为含5083铝合金-x Zn的铝合金；其中，x为Zn占总合金成分的质量百分数，0＜x≤6％，各成分配比误差在±0.2％范围内。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金的制备方法，包括如下步骤：
前处理的步骤：用砂纸对5083铝合金和Zn原材料进行打磨，再用电子天平按照配方量进行称重，配比，各成分配比误差在±0.2％范围内；
放置石墨坩埚的步骤：将配好的铝合金和Zn放置在石墨坩埚中；
真空通气处理的步骤：将石墨坩埚放进感应线圈中，感应线圈与高频感应装置电性连接；用机械泵抽真空，再通入氩气；
高频熔化的步骤：打开高频感应装置电源，待合金锭熔化完全后，保温12-18min，使各合金元素扩散均匀；
浇铸的步骤：将高频感应装置电源关闭，把合金熔体浇铸到直径25-35mm的钢模具中，得到合金铸锭；
均匀化退火与热轧处理的步骤：将合金进行均匀化退火处理，然后进行热轧，得到厚度为1-3mm的板材；
固溶与时效处理的步骤：对轧制得到的合金板材进行固溶与时效处理，最终得到固溶与时效处理后的含5083铝合金-Zn的中熵合金板材。
进一步地，在前处理的步骤中，所述5083铝合金选用西南铝业有限责任公司生产的5083铝合金，所述5083铝合金与Zn的纯度均大于99.9％。
进一步地，在放置石墨坩埚的步骤中，原料在放置时，要把熔点最高的元素置于坩埚最下方，熔点最低的元素放在最上方。
进一步地，在真空通气处理的步骤中，所述抽真空的条件为抽真空至20Pa以下，再通入氩气至0.3MPa。
进一步地，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述退火温度为450-480℃，时间12-18小时。
进一步地，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃。
进一步地，在固溶与时效处理的步骤中，所述固溶处理的温度为480-520℃，时间为0.8-1.2小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s。
进一步地，在固溶与时效处理的步骤中，淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为100-140℃，时间20-30小时。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
该合金的设计思路是从构型熵角度出发，在5083变形铝合金的基础上，通过添加Zn元素，以提高合金的构型熵，同时该合金变为可热处理强化合金，再通过相应的热处理工艺，包括真空感应熔炼并采用重力铸造、均匀化处理、固溶与时效等，使合金的强度得到提高，可加工性能得到改善，扩大了合金的应用前景。具体地，通过添加Zn元素一方面利用高熵合金固溶强化的方式来提高其性能，另外，通过Zn元素的添加，该合金可以转变为可热处理强化合金，为更好的提高合金强度，改善其力学性能提供了新的方法，其拉伸强度为250MPa左右，拉伸塑性达到18％。
在制备方法中，采用真空感应熔炼并采用重力铸造的方法制备了一种高强度低成本轻质铝基中熵合金，并对该合金进行轧制试验，得到合金板材，同时，对合金板材进行相应的热处理最终得到合金板材成品。
附图说明
图1为本发明较佳实施例2高强度铝基轻质中熵合金的扫描电镜EBSD照片；
图2为本发明较佳实施例2高强度铝基轻质中熵合金的拉伸应力-应力应变曲线。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金的制备方法，包括如下步骤：
前处理的步骤：用砂纸对5083铝合金和Zn原材料进行打磨，再用电子天平按照配方量进行称重，配比，各成分配比误差在±0.2％范围内；
放置石墨坩埚的步骤：将配好的铝合金和Zn放置在石墨坩埚中；
真空通气处理的步骤：将石墨坩埚放进感应线圈中，感应线圈与高频感应装置电性连接；用机械泵抽真空，再通入氩气；
高频熔化的步骤：打开高频感应装置电源，待合金锭熔化完全后，保温12-18min，使各合金元素扩散均匀；
浇铸的步骤：将高频感应装置电源关闭，把合金熔体浇铸到直径25-35mm的钢模具中，得到合金铸锭；
均匀化退火与热轧处理的步骤：将合金进行均匀化退火处理，然后进行热轧，得到厚度为1-3mm的板材；
固溶与时效处理的步骤：对轧制得到的合金板材进行固溶与时效处理，最终得到固溶与时效处理后的含5083铝合金-Zn的中熵合金板材。
作为进一步的实施方式，在前处理的步骤中，所述5083铝合金选用西南铝业有限责任公司生产的5083铝合金，所述5083铝合金与Zn的纯度均大于99.9％。
作为进一步的实施方式，在放置石墨坩埚的步骤中，原料在放置时，要把熔点最高的元素置于坩埚最下方，熔点最低的元素放在最上方。
作为进一步的实施方式，在真空通气处理的步骤中，所述抽真空的条件为抽真空至20Pa以下，再通入氩气至0.3MPa。
作为进一步的实施方式，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述退火温度为450-480℃，时间12-18小时。作为最优选方案，所述退火温度为460℃，时间15小时。
作为进一步的实施方式，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃。
作为进一步的实施方式，在固溶与时效处理的步骤中，所述固溶处理的温度为480-520℃，时间为0.8-1.2小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s。作为最优选方案，所述固溶处理的温度为500℃，时间为1小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s。
作为进一步的实施方式，在固溶与时效处理的步骤中，淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为100-140℃，时间20-30小时。作为最优选方案，所述时效的温度为120℃，时间24小时。
以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。
对比例1：
本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝0，制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料5083铝合金配制100g。将配好的原料放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为460℃，时间15小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为500℃，时间为1小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为120℃，时间24小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
实施例1：
本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝2％，其制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Zn以及5083铝合金按比例配制100g。将配好的原料按照熔点由高到低的顺序依次放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为460℃，时间15小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为500℃，时间为1小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为120℃，时间24小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
实施例2：
如图1-2所示，本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝4％，其制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Zn以及5083铝合金按比例配制100g。将配好的原料按照熔点由高到低的顺序依次放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为460℃，时间15小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为500℃，时间为1小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为120℃，时间24小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
实施例3：
本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝6％，其制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Zn以及5083铝合金按比例配制100g。将配好的原料按照熔点由高到低的顺序依次放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为460℃，时间15小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为500℃，时间为1小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为120℃，时间24小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
实施例4：
本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝6％，其制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Zn以及5083铝合金按比例配制100g。将配好的原料按照熔点由高到低的顺序依次放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为450℃，时间12小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为480℃，时间为0.8小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为100℃，时间20小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
实施例5：
本实例的高强度铝基轻质中熵合金的分子式为5083铝合金-xZn，其中x＝6％，其制备步骤如下：将纯度大于99.9％的原料Zn以及5083铝合金按比例配制100g。将配好的原料按照熔点由高到低的顺序依次放进石墨坩埚中，将装好合金料的石墨坩埚放进感应线圈中，抽真空至20Pa以下，再充氩气至0.3MPa。启动高频感应装置，当合金锭熔化后，保温15min，使合金成分均匀。将熔炼均匀的合金液浇铸到直径为30mm的钢模具中。对铸锭进行均匀化退火、热轧以及固溶与时效处理，其中，退火温度为480℃，时间18小时；所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃；所述固溶处理的温度为520℃，时间为1.2小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s；淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为140℃，时间30小时。最终获得2mm厚的铝基轻质中熵合金板材。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金，其特征在于，其合金成分为含5083铝合金-xZn的铝合金；其中，x为Zn占总合金成分的质量百分数，0＜x≤6％，各成分配比误差在±0.2％范围内。
2.一种含Zn的高强度铝基轻质中熵合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
前处理的步骤：用砂纸对5083铝合金和Zn原材料进行打磨，再用电子天平按照配方量进行称重，配比，各成分配比误差在±0.2％范围内；
放置石墨坩埚的步骤：将配好的铝合金和Zn放置在石墨坩埚中；
真空通气处理的步骤：将石墨坩埚放进感应线圈中，感应线圈与高频感应装置电性连接；用机械泵抽真空，再通入氩气；
高频熔化的步骤：打开高频感应装置电源，待合金锭熔化完全后，保温12-18min，使各合金元素扩散均匀；
浇铸的步骤：将高频感应装置电源关闭，把合金熔体浇铸到直径25-35mm的钢模具中，得到合金铸锭；
均匀化退火与热轧处理的步骤：将合金进行均匀化退火处理，然后进行热轧，得到厚度为1-3mm的板材；
固溶与时效处理的步骤：对轧制得到的合金板材进行固溶与时效处理，最终得到固溶与时效处理后的含5083铝合金-Zn的中熵合金板材。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在前处理的步骤中，所述5083铝合金选用西南铝业有限责任公司生产的5083铝合金，所述5083铝合金与Zn的纯度均大于99.9％。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在放置石墨坩埚的步骤中，原料在放置时，要把熔点最高的元素置于坩埚最下方，熔点最低的元素放在最上方。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在真空通气处理的步骤中，所述抽真空的条件为抽真空至20Pa以下，再通入氩气至0.3MPa。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述退火温度为450-480℃，时间12-18小时。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在均匀化退火与热轧处理的步骤中，所述热轧中轧制累积压下量为80％，轧制温度为400℃。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在固溶与时效处理的步骤中，所述固溶处理的温度为480-520℃，时间为0.8-1.2小时，淬火介质为水，水温为室温，淬火转移时间小于10s。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在固溶与时效处理的步骤中，淬火后，进行时效处理，所述时效的温度为100-140℃，时间20-30小时。
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