CN110684912A - 一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材及其制备方法,其特征在于:该铝合金型材的配方及各自的重量百分比为:Si:1.5‑5.5%,Sc:0.1‑0.8%,Zr:0.5‑1.5%,Y:0.2‑0.8%,B:0.2‑0.5%,Re:0.1‑0.2%;余量为Al和不可避免的杂质;通过两种纳米尺寸的Al3(Sc1‑xZrx)颗粒与Y2O3颗粒的复合强化作用,使得本发明所获得的铝合金型材具有更高的力学性能。

Description

一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材及其制备 方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料的制造技术领域,具体涉及一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金为传统的金属材料, 由于其密度小、比强度高等特点, 广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展, 对铸造铝合金需求量越来越大。近年来, 铸造铝合金的研究也得到相应的发展, 其中发展较为迅速的是铸造铝基复合材料。铸造Al-Si 基SiC 颗粒增强复合材料的研究和应用相对成熟。随着SiC 颗粒的加入, 提高了合金的性能, 尤其是刚性和耐磨性, 并已应用到航空、航天、汽车等领域, 具有广阔的应用前景。
尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景, 但其研究与应用也面临着严峻的挑战。首先, 随着现代工业的飞速发展,人们对铸件的可靠性等要求越来越高, 同时对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。传统行业中的铸造铝合金的材料性能已经远远不能满足航空、航天、汽车、机械等各行业的使用需求。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足和缺陷,本发明提供了一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材,其特征在于:该铝合金型材的配方及各自的重量百分比为:Si:1.5-5.5%,Sc:0.1-0.8%,Zr:0.5-1.5%,Y:0.2-0.8%,B:0.2-0.5%,Re:0.1-0.2%;余量为Al和不可避免的杂质。
进一步地,该铝合金型材中同时包含有纳米尺度的Al3(Sc1-xZrx)颗粒与纳米尺度的Y2O3颗粒。
进一步地,所述Al3(Sc1-xZrx)颗粒的纳米尺寸为10-15nm。
进一步地,所述Y2O3颗粒的纳米尺寸为30-100nm。
进一步地,本发明还提供一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)原料准备:准备好所需原料,并清除掉原料表面的油污、水渍以及杂质;
(2)计量称重:按照要求配比计算各配方所需质量,并对易挥发成分做出补偿测量;
(3)熔炼:提前预热中频感应电阻炼炉设备,并预先将包含Si、Al、B、Zr、Re元素的原料投入熔炼设备中经粗炼和精炼处理后形成Si-Al合金;
(4)稀土加入:搅拌步骤(3)中获得的Si-Al合金溶液,并同时向其中分别加入包含稀土元素Sc和Y的原料,并对混合料持续加热及搅拌;
(5)成型:将所得混合料倒入预制模具中以形成预制型材;
(6)冷却:将所得预制型材在冷却室经快速冷却后保温静置获得铝合金型材。
进一步地,所述步骤(3)中,粗炼处理的温度为750-780℃,粗炼处理的时间为0.5-1h;精炼处理的温度为700-720℃,精炼处理的时间为0.25-0.5h。
进一步地,所述步骤(4)中,对加入包含稀土元素Sc和Y的原料后的加热温度为700-720℃。
进一步地,所述步骤(6)中快速冷却的速度大于15℃/s。
本发明的有益效果是;
(1)在所获得的铝合金型材中通过显微装置可以观察到弥散分布在Al基体中的具有豆瓣状的二次析出的纳米尺寸的Al3(Sc1-xZrx)颗粒,在非平衡凝固条件下,Sc和Zr在Al-Si合金中,一部固溶于基体中形成过饱和固溶体,另一部分则形成弥散分布的纳米尺寸的Al3(Sc1-xZrx)颗粒,基体中弥散分布的Al3(Sc1-xZrx)纳米颗粒钉扎基体中的位错,在变形时阻碍位错的运动,进而改善材料的性能;此外,在所获得的合金中,通过显微装置还可以清楚观察到纳米Y2O3颗粒,通过两种纳米尺寸的Al3(Sc1-xZrx)颗粒与Y2O3颗粒的复合强化作用,使得本发明所获得的铝合金型材具有更高的力学性能。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
按照质量分数Si:5.5%,Sc:0.8%,Zr:1.5%,Y:0.8%,B:0.5%,Re:0.2%,余量为Al和不可避免的杂质准备原料;预先将包含Si和Al元素的原料投入熔炼设备中在750℃下粗炼0.5h,再在700℃下精炼0.25h后形成Si-Al合金,然后向其中分别加入包含稀土元素Sc和Y的原料,并对混合料在700℃下持续加热及搅拌;经成型和冷却后保温静置获得铝合金型材样品A。
实施例2
按照质量分数Si:1.5%,Sc:0.1%,Zr:0.5%,Y:0.2%,B:0.2%,Re:0.1%,余量为Al和不可避免的杂质准备原料;预先将包含Si、Al、Zr、B和Re元素的原料投入熔炼设备中在750℃下粗炼0.5h,再在700℃下精炼0.25h后形成Si-Al合金,然后向其中分别加入包含稀土元素Sc和Y的原料,并对混合料在700℃下持续加热及搅拌;经成型和冷却后保温静置获得铝合金型材样品B。
实施例3
按照质量分数Si:5.5%,Sc:0.5%,Zr:1.5%,Y:0.5%,B:0.5%,Re:0.2%,余量为Al和不可避免的杂质准备原料;预先将包含Si、Al、Zr、B和Re元素的原料投入熔炼设备中在750℃下粗炼0.5h,再在700℃下精炼0.25h后形成Si-Al合金,然后向其中分别加入包含稀土元素Sc和Y的原料,并对混合料在700℃下持续加热及搅拌;经成型和冷却后保温静置获得铝合金型材样品C。
对比例1
按照质量分数Si:5.5%,Sc:0.8%,Zr:1.5%,B:0.5%,Re:0.2%,余量为Al和不可避免的杂质准备原料;预先将包含Si、Al、Zr、B和Re元素的原料投入熔炼设备中在750℃下粗炼0.5h,再在700℃下精炼0.25h后形成Si-Al合金,然后向其中加入包含稀土元素Sc的原料,并对混合料在700℃下持续加热及搅拌;经成型和冷却后保温静置获得铝合金型材样品D。
对比例2
按照质量分数Si:5.5%,Zr:1.5%,B:0.5%,Re:0.2%,余量为Al和不可避免的杂质准备原料;预先将包含Si、Al、Zr、B和Re元素的原料投入熔炼设备中在750℃下粗炼0.5h,再在700℃下精炼0.25h后形成Si-Al合金;经成型和冷却后保温静置获得铝合金型材样品E。
分别对各实施例及对比例所获得的样品进行抗拉强度(Mpa)、规定塑性延伸强度(MPa)、以及延伸率(%)进行测试,所得结果如下表所示。
从上表可以看出,通过对比例1和对比例2的对比可以发现,向Si-Al合金中加入包含稀土元素Sc的原料后生成有纳米尺度的Al3(Sc1-xZrx)颗粒后,所获铝合金型材的抗拉强度和规定塑性延伸强度都得到了不同程度的提高,而延伸率有所下降;通过实施例1和对比例1的对比可以发现,向Si-Al合金中额外加入包含稀土元素Y的原料后生成有纳米尺度的Y2O3颗粒后,所获铝合金型材的抗拉强度和规定塑性延伸强度都得到了进一步的提高,而延伸率进一步下降;通过实施例1-3的对比可以发现,向Si-Al合金中加入的稀土元素Sc和Y的质量百分比越高,所获铝合金型材的抗拉强度和规定塑性延伸强度都得到了相应的提高,而延伸率相应下降。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材,其特征在于:该铝合金型材的配方及各自的重量百分比为:Si:1.5-5.5%,Sc:0.1-0.8%,Zr:0.5-1.5%,Y:0.2-0.8%,B:0.2-0.5%,Re:0.1-0.2%;余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材,其特征在于:该铝合金型材中同时包含有纳米尺度的Al3(Sc1-xZrx)颗粒与纳米尺度的Y2O3颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材,其特征在于:所述Al3(Sc1-xZrx)颗粒的纳米尺寸为10-15nm。
4.根据权利要求2所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材,其特征在于:所述Y2O3颗粒的纳米尺寸为30-100nm。
5.一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)原料准备:准备好所需原料,并清除掉原料表面的油污、水渍以及杂质;
(2)计量称重:按照要求配比计算各配方所需质量,并对易挥发成分做出补偿测量;
(3)熔炼:提前预热中频感应电阻炼炉设备,并预先将包含Si、Al、B、Zr、Re元素的原料投入熔炼设备中经粗炼和精炼处理后形成Si-Al合金;
(4)稀土加入:搅拌步骤(3)中获得的Si-Al合金溶液,并同时向其中分别加入包含稀土元素Sc和Y的原料,并对混合料持续加热及搅拌;
(5)成型:将所得混合料倒入预制模具中以形成预制型材;
(6)冷却:将所得预制型材在冷却室经快速冷却后保温静置获得铝合金型材。
6.根据权利要求5所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,粗炼处理的温度为750-780℃,粗炼处理的时间为0.5-1h;精炼处理的温度为700-720℃,精炼处理的时间为0.25-0.5h。
7.根据权利要求5所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,对加入包含稀土元素Sc和Y的原料后的加热温度为700-720℃。
8.根据权利要求5所述的一种具有复合稀土元素的纳米颗粒的铝合金型材的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)中快速冷却的速度大于15℃/s。
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