CN110340330B - 一种多尺度析出异质层状结构铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多尺度析出异质层状结构铝合金材料的制备方法，包含：预处理，浇铸和多尺度析出等工序，选用两种或多种具有不同时效硬化行为的铝合金，进行固液镶嵌铸造，形成多层复合铝合金块材。再通过轧制及后续时效处理，在不同层片之间形成多尺度析出相，获得多尺度析出异质层状结构铝合金材料。

Description

一种多尺度析出异质层状结构铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种多尺度析出层片结构铝合金的制备方法，具体是一种采用镶嵌铸造技术，固液结合两种或两种以上具有不同析出强化效果的铝合金，并对制得的层片结构材料进行时效处理，利用铝合金的不同析出强化效果，获得多尺度析出异质层状结构铝合金的技术。
背景技术
铝合金相对于其他金属材料而言，具有许多优良的特性，如密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3；良好的耐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能。因此，铝合金在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业纯铝抗拉强度很低，一般仅有80～100Mpa，其断裂延伸率可以达到40％左右。7075铝合金为代表的7000系铝合金是一种冷处理锻压合金，其强度较高，可以达到524MPa。而且7000系铝合金可以进行热处理强化，通过时效析出第二相阻碍位错运动从而提高铝合金的强度，同时析出相在高温时具有很好的稳定性。但是7000系铝合金与工业纯铝相比，断裂延伸率较低，仅为10％左右。强度和韧性这对矛盾体普遍存在于传统金属材料之中。如何获得高强高韧的金属材料，是目前的研究热点。
经对现有技术的文献检索发现，Ma等人在《Scripta Materialia》材料快报，2015，103：57-60上发表的“Strain hardening and ductility in a coarse-grain/nanostructure laminate material”(粗晶/纳米晶层片状材料的应力硬化和韧性研究)一文中，介绍了一种利用高压扭转变形制备层片结构Cu合金材料，并通过热处理获得粗晶/纳米晶的多晶粒尺度层片结构，其中纳米晶层的晶粒尺寸为100nm左右，而粗晶层的晶粒尺寸为4μm。该技术的特点如下：(1)制备的材料界面结合质量好；(2)制得的Cu合金板材具有出色的力学性能，在维持纳米晶Cu的高强度，同时由于其还具备超强的应变硬化能力，使该材料还在一定程度上保持了粗晶Cu的优异的均匀延伸率。但是该技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高压扭转获得的样品尺寸太小，并且对设备、模具的要求很高；
进一步检索发现，Wu等人在《Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America》美国科学院院报，2015，47：14501-14505上发表的“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength withcoarse-grain ductility”(高强高韧粗细晶混合异质层状结构材料)一文中，介绍了一种通过轧制变形和热处理等工艺，调控纯Ti的微观结构，得到超细晶与粗晶结合的异质层状结构，利用粗细两种不同结构变形行为不一致性诱发的背应力强化，制备出强度接近1GPa，均匀延伸率10％左右的高强高韧纯Ti板材。该技术的特点是：(1)制得的多晶粒尺度块体板材，不存在界面氧化夹杂等问题；(2)通过不同工艺控制混晶的比例、层厚等微观结构，从而获得不同力学性能的高强高韧Ti板材。但是，这种方式制备的混晶材料组元较为单一，且耐热性较差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种通过固液复合铸造的成型方法，在特定的镶嵌铸造模具中进行两种或两种以上具有不同析出强化效果铝合金的复合铸造，获得异质层片结构铝合金材料。此外，配合后续热处理，可以调控第二相微观结构、密度和分布，制备出多尺度析出的层片铝合金。利用该技术可以获得完美的原生界面，此类界面无氧化夹杂并连续完整，对变形具有较高的强化和协调作用。并且，该方法制得的材料具有层片状结构差异，在时效处理后发生不同尺度的析出行为，得到软硬结合的多层结构。在变形过程中，软硬片层之间协调变形产生显著的背应力强化，从而获得高强高韧的异质层状结构铝合金材料。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
第一步，预处理：选择两种或两种以上具有不同时效硬化行为的铝合金(板材、棒材、网)材料；对其中熔点较高铝合金材料表面进行打磨和清洗，去除表面的油污及氧化膜，并进行表面镀锌处理；将镀锌处理后的固态铝合金材料预置在镶嵌铸造模具型腔内，并在模具外包加热套，预热固态铝合金材料和模具；
第二步，镶铸：在隔氧和惰性气体保护氛围下，去除外包加热套后，将铝合金材料中熔点较低的进行熔融处理，并与步骤一中置于镶嵌铸造模具型腔内的固态铝合金材料经行铸造结合，浇铸温度为650～800℃；浇铸完成后，保温时间2～10分钟，温度100～500℃；
第三步，多尺度析出：先对浇铸后得到的多层铝合金块体材料进行轧制，轧辊温度为100～200℃；对轧制后形成的层状结构铝合金进行真空固溶处理，温度在450～550℃之间，固溶时间为1～12小时；再在油浴环境下，对层状结构铝合金进行时效处理，在层状铝合金板材中形成多尺度析出相，时效温度为150～250℃，处理时间为0.5～250小时。
进一步的，表面镀锌处理采用电镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等方式；
进一步的，锌层厚度为0.1～50μm，镀锌层厚度：在保证起到足够保护作用的前提下，尽可能控制层厚，并且避免镀锌层上出现锌的聚集。
进一步的，预热温度在100～350℃，时间为1～10小时。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1.本发明专利可以根据需求，灵活地选择合金，利用固液复合铸造成型的方法制备出一系列多尺度析出异质层状结构铝合金材料。制得异质层状铝合金可以在一定程度上兼得软相和硬相的韧性和强度。
2.本发明可制备大尺寸，且层数及层厚可控的多层铝合金，更加能够满足工业应用的需求。
附图说明
图1为实施例预处理示意图；
图2为实施例浇铸示意图；
图3为实施例铸锭及轧制示意图；
图4为实施例多尺度析出示意图；
其中1为模具，2为加热套，3为铸锭示意图，4为铸态层状纯铝/7075铝合金块，5为轧机，6为轧制态多层纯铝/7075铝合金块，7为真空炉，8为油浴炉。
具体实施方式
实施例1
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。如图1～4所示，根据各系铝合金熔点，选择熔点较高的工业纯铝作为固态材料，熔点较低的7075铝合金作为液态材料，具体操作涉及以下三步工序：预处理、浇铸、多尺度析出，其中：
(1)预处理：如图1所示，将固态纯铝板材表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物，再进行表面镀锌处理，镀锌层采用电镀方式，锌层厚度为30μm。将处理后的纯铝预置在模具1型腔内。然后在模具外包加热套2，预热固态纯铝板材和模具1，预热温度为200℃，时间为1小时。
(2)镶铸：如图2所示，去除外包加热套2，在隔氧和惰性气体保护氛围下，进行铸造结合。液态7075铝合金从浇铸口浇入，直至冒口溢出，浇铸温度为700～800℃，浇铸完成后，迅速包上加热套保温，温度为200℃，保温时间5分钟，以助于固液界面形成完美的冶金结合。在形成的铸锭3上，切取多层纯铝/7075铝合金块4，并将铝合金块体4沿C面方向，通过轧机5进行轧制，最后得到轧制态多层纯铝/7075铝合金块6。
(3)多尺度析出：如图4所示，用高温真空炉7，在氩气保护氛围下，对样品6进行475℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响。然后，在油浴炉8中，对固溶后的样品进行150℃，24小时的时效处理，得到多尺度析出异质铝合金，其微观结构示意图如图4c和d所示。由于纯铝和7075铝在150℃下的时效处理时具有不同的析出行为，纯铝在150℃热处理后基体内不产生析出相，而7075铝合金在同样条件下热处理后，基体内会出现大量析出相。

Claims (4)

1.一种多尺度析出异质层状铝合金的制备方法，其特征在于：包括预处理、镶铸和多尺度析出三步工序，
第一步，预处理：选择两种或两种以上具有不同时效硬化行为的铝合金，对其中熔点较高的铝合金材料表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物，再进行表面镀锌处理，镀锌层可采用电镀、热浸镀、热喷涂或气相沉积的方式，锌层厚度为0.1~50 μm；将处理后的固态铝合金按层片状预置在特定的镶嵌铸造模具型腔内；在模具外包加热套，预热固态铝合金片和模具，预热温度在100~350 ℃，时间为1~10小时；
第二步，镶铸：在隔氧和惰性气体保护下，去除外包加热套，将铝合金材料中熔点较低的进行熔融处理，并与步骤一中置于镶嵌铸造模具型腔内的固态铝合金材料进行铸造结合，浇铸温度为650~800 ℃；浇铸完成后，保温时间2~10分钟，温度100~500 ℃；
第三步，多尺度析出：对得到的多层铝合金铸锭进行轧制，轧辊温度为100~200 ℃；对轧制后的多层复合铝合金进行真空固溶处理，消除变形对材料的影响；固溶温度选择450~550 ℃之间，固溶时间为1~12小时；在油浴条件下，进行时效处理，时效温度为150~250 ℃，时间为0.5~250小时之间。
2.根据权利要求1所述的多尺度析出异质层状铝合金的制备方法，其特征在于：所述的固态铝合金为板材或棒材。
3.根据权利要求1所述的多尺度析出异质层状铝合金的制备方法，其特征在于，所述的两种或两种以上具有不同时效硬化行为的铝合金，包括不可以时效硬化的铝合金、可以时效硬化的铝合金，其中，不可以时效硬化的铝合金包括纯度为99.00%-99.99%的工业纯铝，可以时效硬化的铝合金包括6000系铝合金或7000系铝合金。
4.一种根据权利要求1-3任一项方法制备的多尺度析出异质层状结构铝合金。
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