CN110343886A - 一种多晶粒尺度强化铝合金材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，包含：制屑、混屑和预压实、塑性变形、形成多晶粒尺度四步工序，具体为选择两种或两种以上铝合金，充分混合它们的碎屑后进行塑性变形，通过高应变塑性变形使碎屑机械合金化，获得致密、多尺度混合的坯料。通过后续热处理，在多种碎屑中形成多晶粒尺度，获得多晶粒尺度强化铝合金材料。

Description

一种多晶粒尺度强化铝合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种多晶粒尺度强化铝合金的制备技术，具体是一种通过异种碎屑混合的方法，配合以特定的塑性变形和热处理调控微观结构，制备大块多晶粒尺度强化铝合金的技术。
背景技术
铝比其他有色金属、钢铁具有更优良的特性，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。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性以及表面处理性能等也比较好。因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电子电气、能源动力、冶金化工、农业排灌、机械制造、包装防腐、电器家具、日用文体等各个领域都获得了十分广泛的应用。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。而2000、6000、7000等系列铝合金其强度和硬度较高，强度可以达到350～450MPa，但是其断裂延伸率比工业纯铝要低。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铝合金材料，是目前的研究热点。研究表明，采用细晶强化，可以令铝合金在提高强度的同时，依旧保持良好的韧性。
经对现有技术的文献检索发现，K.Lu在《Science》，2011，331(24)：1587-1590上发表的“Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper”(揭示了纳米梯度铜优异的本征拉伸塑性)一文中，介绍了一种利用表面机械碾磨处理，在纯铜棒材表层制备出梯度厚度达数百微米的纳米晶粒结构，晶粒尺寸自表及里由十几纳米梯度逐渐增大至几十微米，形成一种梯度多晶粒尺度的结构材料。该技术的特点如下：(1)界面结合好；(2)制备的材料拉伸屈服强度比粗晶铜提高约一倍，而拉伸塑性与粗晶相同；(3)制备工艺简单，易操作。该技术在一定程度上解决了纳米晶Cu因位错尺寸效应而导致低韧性。但是，此技术对铝合金加工存在以下问题：(1)表面易氧化，造成表面会有一层致密的氧化膜，进而导致表面机械研磨困难，表层纳米层厚度不够；(2)加工效率低。
进一步检索发现，X.L.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层片状结构材料)一文中，介绍了一种通过变形和热处理等工艺，调控纯Ti的微观结构至超细晶与粗晶混合的状态，综合利用超细晶的超高强度和粗晶的超高韧性，以及由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。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种通过异种铝合金碎屑混合，并配合以特定的塑性变形和热处理方式，制备大块多晶粒尺度强化铝合金的技术。利用高应变塑性变形，使两种或两种以上不同成分的铝合金碎屑焊合，制得多成分混合的铝合金块体材料。所用的变形可以是常规挤压、等通道角式挤压、往复挤压、反复镦压、轧制等变形技术。并利用热处理过程中各铝合金组元不同的晶粒细化效果，在块体材料内形成非均匀晶粒细化，从而获得细晶强化程度不同的软硬相。在变形过程中，软硬相之间形成显著的背应力强化，从而获得高强高韧铝合金。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
第一步，制屑：根据铝合金的力学性能差异，选择两种或多种铝合金，这两种或多种铝合金在后续热处理过程中将具有不同程度的晶粒细化行为。为避免铝合金屑表面氧化引起的材料界面氧化夹杂和结合性差的问题，需在隔氧的惰性气体保护气氛下，进行铝合金制屑工艺。制屑采用微型立式铣床，在气氛保护箱内对铝合金铸锭进行碎屑铣制，根据需求，切屑尺寸的选择在进给量0.01至1mm之间；采用微型破碎机，对铣制的粗屑进行精细化破碎，进一步减小碎屑大小，并改善碎屑大小的均匀性。
第二步，混屑和预压实：在隔氧和惰性气体保护氛围下，采用机械震动、搅拌、摇匀等方式，进行异种铝合金切屑混合工艺。根据需求，选择的混屑时间为0.1至2小时，震动、搅拌、摇匀频率为10-200赫兹。混屑完成后，将装有混合细屑的钢制模具放在压力机上，压制成混合细屑预制块。压机工作的压强为100-1000兆帕，保压时间为1-10分钟，获得的预制块相对密度为75％-98％之间。压制完成后，对样品进行真空封装后，从气氛保护箱中取出备用。
第三步，塑性变形：变形分为常规挤压和轧制两步进行。在真空炉中预热预压坯料1-30分钟，预热温度范围在2002500℃，挤压比为5:1至50:1。然后对挤压所得棒材进行冷轧，冷轧量5％-98％。
第四步，形成多晶粒尺度：对轧制后的样品进行退火，退火温度为200-400℃，退火时间为1-3h。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1.本发明专利采用双合金或者多合金碎屑混合方法，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性，可根据需求调整合金选择，制备出一系列多晶粒尺度强化铝合金。制得的合金在一定程度上兼得软相和硬相的韧性和强度，获得综合性能出色的高强高韧双系或多系细晶强化铝合金。
2.多晶粒尺度强化铝合金既具有较好的耐热性能，且强度远远高于常规均匀纯铝。混合多晶粒尺度微观结构无明显的方向性，适于在多向受力部件上应用。
3.本发明可制备大尺寸挤压棒材、板材，对设备、模具要求较低。
4.本发明原材料可选择工业废屑，制备方法工艺简便，回收率高，成本低，节能环保，安全性高。相比于常规工业废屑回收，本发明对分类和提纯等常见难题具有更大的适应性。
附图说明
图1为实施例制屑示意图。
图2为实施例混屑和预压实示意图。
图3为实施例塑性变形示意图。
图4为实施例退火示意图。
图5为实施例多晶粒尺度示意图。
其中，1为真空手套箱，2为微型铣床，3为微型破碎机，4为搅拌器，5为压制模具，6为微型压机，7为预制块，8为真空炉，9为挤压模具，10为轧机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述。如图1-5所示，以下实施例涉及四步工序包括：制屑、混屑和预压实、塑性变形、形成多晶粒尺度，其中：
实施例
(1)在真空手套箱1的氩气保护气氛围下，使用微型铣床2，进行铝合金Al-0.1Mg和铝合金AA8006两种合金的碎屑制备，铣削进给为0.3mm，获得厚度0.3mm左右的粗屑。采用微型破碎机3，对铣制的粗屑进行精细化破碎，减小并均匀化碎屑长度至0.320.5mm备用。
(2)在手套箱1内用搅拌器4对Al-0.1Mg和AA8006碎屑进行震动、搅拌、摇匀等机械混合，混屑时间为30分钟，使用频率为50赫兹。混屑完成后填入钢制压制模具5，型腔尺寸为φ50mm圆形。使用微型压机6对碎屑进行预压成型，压强为40MPa，保压时间为10分钟，获得预制块7相对密度为80％左右。压制完成后，对样品进行真空封装，从手套箱取出备用。
(3)用真空炉8对预压混屑铝锭7进行真空氩气氛围加热，加热温度400℃，并用挤压模具9进行φ50mm到φ30mm的常规挤压变形。挤压所得棒材在在轧机10上进行冷轧，显著提高材料致密度至99％以上。
(4)用高温真空炉8，在氩气保护氛围下，对样品进行250℃，1h的退火，完成加工。获得的多晶粒尺度强化铝合金，其微观结构示意图如图5a和5b所示。由于Al-0.1Mg和AA8006在250℃下的再结晶状况不同，晶粒细化效果不同，形成了这样一种多晶粒尺度混合的结构。

Claims (6)

1.一种多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，其特征在于，包含：制屑、混屑和预压实、塑性变形、形成多晶粒尺度四步工序，选择两种或两种以上铝合金，充分混合碎屑后进行塑性变形，通过高应变塑性变形使碎屑机械合金化，获得致密、多尺度混合的坯料，通过后续热处理，在多种碎屑中形成多晶粒尺度，获得多晶粒尺度强化铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，其特征在于，制屑工艺在隔氧和惰性气体保护氛围下进行，制屑流程为：采用微型立式铣床铣制粗屑，再使用微型破碎机对铣制的粗屑进行精细化破碎，获得细小均匀的精屑。切屑的进给量在0.01至1mm之间，选择的惰性保护气体为氩气。
3.根据权利要求1所述的多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，其特征在于，混屑和预压实工艺在隔氧和惰性气体保护氛围下进行，采用机械振动、搅拌、摇匀等方式，在频率10～200赫兹下对异种铝合金切屑进行混合，混合时间为0.1～2小时。预压实压机工作压强为100～1000兆帕，保压时间为1～10分钟，压制温度为25～200℃，获得预压制块致密度为75％～98％之间。
4.根据权利要求1所述的多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，其特征在于，塑性变形由常规挤压和轧制两步进行，在真空炉中预热预压坯料1-30分钟，预热温度范围在200～500℃，挤压比为5:1至50:1。然后对挤压所得棒材进行冷轧，冷轧量5％-98％。
5.根据权利要求1所述的多晶粒尺度强化铝合金的制备方法，其特征在于，所述的形成多晶粒尺度后续热处理具体为，对轧制后的样品进行退火，退火温度为200-400℃，退火时间为1-3h。
6.一种权利要求1-5任一项所述的方法制得多晶粒尺度强化铝合金。
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