CN112760578A - 一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其包括如下步骤：待加工的铝基复合材料进行包括固溶和过时效的轧制前热处理，热处理后的铝基复合材料表面车削去皮至表面平整，然后进行多道次中温轧制，且在每道次轧制前进行均匀化热处理，轧制完成的板材进行拉伸矫直。本发明利用轧制前热处理和中温轧制加工成型相结合，使得基体晶粒显著细化，提高材料成型率；在铝合金中加入原位纳米颗粒增强相TiB2钉轧晶界阻碍晶粒长大，热稳定性好，对于晶粒在高温变形中发生的晶粒长大和空洞生成起到抑制作用；板材在400‑475℃和10‑3‑10‑4/s变形工艺条件下纵向延伸率可达350％‑600％，具有优异的高温超塑性。

Description

一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法
技术领域
本发明涉及铝基复合材料加工领域，具体地涉及一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法。
背景技术
超塑性是指多晶材料所具有的能够在断裂前展现出超高延伸率的能力。通常当材料的延伸率大于200％时称其具有超塑性。超塑性变形的宏观特征可以归为四点，分别是大变形、变形抗力小、无颈缩、易成形。尽管超塑性不是金属材料特有的属性，对于一些非金属材料，例如陶瓷、有机材料等也能够在特定的组织和变形温度及应变速率下展现出超塑性。但由于金属材料所具有的超高塑性，目前超塑性研究的重点主要集中在金属材料上。超塑性材料的获得有两个基本要求：一是细晶，通常要小于15μm；二是细晶组织要在高温下保持热稳定性。
铝合金作为工业应用中最广泛的一类有色金属结构材料，具有密度低、比强度高等优点。可以通过强塑性变形技术，如搅拌摩擦加工、等通道转角挤压等来进行组织改性，得到超细晶。这些方法虽然制备的铝合金材料虽然晶粒细小，超塑性好，但是很难形成大规模生产，无法投入工业应用。而对铝合金采用传统热机械加工的方式来制得的工业铝合金细晶组织，在后续高温下晶粒很容易发生回复再结晶长大，晶粒粗化，材料失去超塑性。一种解决方法是通过在超细晶基体中引入均匀分散纳米级第二相粒子，如原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料。经过过热机械加工后的复合材料基体内TiB2颗粒弥散分布，TiB2颗粒自身热稳定性好，在高温下能够抑制基体晶粒的长大。同时，TiB2颗粒比基体硬度高，对超塑性变形中的空洞产生起到抑制作用。因此采用一种基于固溶，过时效热处理，中温轧制的方法来制备具有超塑性原位自生颗粒增强铝基复合材料。
发明内容
为了提高原位自生颗粒增强铝基复合材料板的超塑性，本发明提出了一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，利用轧制前热处理和中温轧制加工成型相结合，使得基体晶粒显著细化，提高材料成型率，同时获得优异的高温超塑性。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其包括如下步骤：
S1、铝基复合材料铸锭依次进行均匀化热处理和单向热挤压变形，得到待加工的铝基复合材料；
S2、步骤S1得到的铝基复合材料在475℃条件下进行固溶处理，保温2-4h，保温结束后水冷至室温；然后在350-400℃条件下进行过时效处理，保温3-8h，保温结束后空冷至室温；
S3、S2处理完成后的铝基复合材料表面进行车削去皮；
S4、步骤S3车削去皮后的铝基复合材料在250-350℃条件下进行均匀化热处理，保温0.5-2h，保温结束后取出进行一道次轧制；
S5、重复步骤S4，直至产品最终厚度为步骤(1)中所述铝基复合材料厚度的5％-10％。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S1中，所述均匀化热处理的温度为440-500℃、时间为18-72h；所述单向热挤压变形的温度为450℃、挤压比为10-20：1。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S1中，所述铝基复合材料铸锭为原位TiB2颗粒增强的7XXX系列铝基复合材料，其中TiB2颗粒的含量为1-15wt％。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S2中，水冷工序所用水初始温度和最终温度均控制在0-20℃内。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S3中，车削去皮后的样品表面粗糙度Ra<12.5um。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S4中，轧制时轧板初始温度和结束温度均控制在250-350℃内。
在一些实施例中，上述制备方法的步骤S4中，每道次的变形量控制在10％-20％。
每道次的轧制温度和变形量是影响材料加工质量和性能的关键因素。轧制温度决定了材料在加工过程中是否会发生再结晶，如果温度过高，会出现再结晶组织，影响获得具备超塑性材料所需的微观组织。每道次的变形量过大会导致材料很可能因为加工硬化率过高，出现裂纹甚至断裂的可能性。本发明所选择的轧制温度和变形量是经过大量实验验证后的择优选择。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明在铝合金中加入的原位纳米颗粒增强相TiB2硬度高，热稳定性好，对于晶粒在高温变形中发生的晶粒长大和空洞生成起到抑制作用，从而使材料具有优异的超塑性能。
2)与其他大变形加工方式(如等通道转角挤压和高压扭转)相比，本发明采取中温轧制，不仅加工方式简单，节能环保，而且适用于生产大尺寸工业材料，效率高，易于推广应用；
3)本发明适用于颗粒增强铝基复合材料，亦可用于制备其他颗粒增强金属基复合材料。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为原位自生6wt.％TiB2/7050Al复合材料轧板经高温拉伸后样品宏观形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
铸造得到原位自生6wt.％TiB2/7050Al复合材料板，其处理方法为：
(1)原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理，均匀化热处理温度为475℃，热处理时间为24h；
(2)均匀化热处理后的原位颗粒增强铝基复合材料进行单向热挤压变形，热挤压温度为450℃，挤压比为15:1，得到待加工的铝基复合材料；
(3)待加工的铝基复合材料在475℃条件下进行固溶处理，保温3h，保温结束后迅速放入0℃水中入水淬火至室温；
(4)上述铝基复合材料继续在400℃条件下进行过时效处理，保温3-8h，保温结束后进行空冷至室温；
(5)处理完成后的铝基复合材料表面进行车削去皮；
(6)车削去皮后的铝基复合材料在250℃条件下进行退火热处理，保温2h，保温结束后取出进行一道次轧制，变形量为10％；
(7)重复步骤(6)，直至最终厚度为初始厚度的10％，得到2mm轧板。
将实施例1得到的2mm轧板在测试温度为450℃、应变速率为10-3/s的条件下进行拉伸，得到总延伸率为420％。
实施例2
铸造得到原位自生6wt.％TiB2/7050Al复合材料板；其处理方法为：
(1)原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理，均匀化热处理温度为475℃，均匀化热处理时间为24h；
(2)均匀化热处理后的原位颗粒增强铝基复合材料进行单向热挤压变形，热挤压温度为450℃，挤压比为15:1，得到待加工的铝基复合材料；
(3)待加工的铝基复合材料在475℃条件下进行固溶处理，保温3h，保温结束后迅速放入0℃水中入水淬火至室温；
(4)上述铝基复合材料继续在300℃条件下进行过时效处理，保温3-8h，保温结束后进行空冷至室温；
(5)处理完成后的铝基复合材料表面进行车削去皮；
(6)车削去皮后的铝基复合材料在300℃条件下进行退火热处理，保温2h，保温结束后取出进行一道次轧制，变形量为15％；
(7)重复步骤(6)，直至最终厚度为初始厚度的10％，得到2mm轧板。
将实施例2得到的2mm轧板在测试温度为475℃、应变速率为5×10-3/s的条件下进行拉伸，得到总延伸率为500％；在测试温度为450℃、应变速率为10-3/s的条件下进行拉伸，得到总延伸率为500％。图1所示是经高温拉伸后的样品宏观形貌。从图中可以看出，材料展现出优异的超塑性性能，且发生均匀变形，无明显的颈缩现象。
实施例3
铸造得到原位自生6wt.％TiB2/7075Al复合材料板，其处理步骤为：
(1)原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理，均匀化热处理温度为475℃，均匀化热处理时间为24h；
(2)均匀化热处理后的原位颗粒增强铝基复合材料进行单向热挤压变形，热挤压温度为450℃，挤压比为15:1，得到待加工的铝基复合材料；
(3)待加工的铝基复合材料在475℃条件下进行固溶处理，保温3h，保温结束后迅速放入0℃水中入水淬火至室温；
(4)上述铝基复合材料继续在300℃条件下进行过时效处理，保温3-8h，保温结束后进行空冷至室温；
(5)将均处理完成后的铝基复合材料表面进行车削去皮；
(6)车削去皮后的铝基复合材料在200℃条件下进行退火热处理，保温2h，保温结束后取出进行一道次轧制，变形量为15％；
(7)重复步骤(6)，直至最终厚度为初始厚度的10％，得到2mm轧板。
将实施例3得到的2mm轧板在测试温度为425℃、应变速率为10-4/s的条件下进行拉伸，得到总延伸率为380％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、铝基复合材料铸锭依次进行均匀化热处理和单向热挤压变形，得到待加工的铝基复合材料；
S2、步骤S1得到的铝基复合材料在475℃条件下进行固溶处理，保温2-4h，保温结束后水冷至室温；然后在350-400℃条件下进行过时效处理，保温3-8h，保温结束后空冷至室温；
S3、S2处理完成后的铝基复合材料表面进行车削去皮；
S4、步骤S3车削去皮后的铝基复合材料在250-350℃条件下进行均匀化热处理，保温0.5-2h，保温结束后取出进行一道次轧制；
S5、重复步骤S4，直至产品最终厚度为步骤(1)中所述铝基复合材料厚度的5％-10％。
2.如权利要求1所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述均匀化热处理的温度为440-500℃、时间为18-72h；所述单向热挤压变形的温度为450℃、挤压比为10-20：1。
3.如权利要求1所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝基复合材料铸锭为原位TiB2颗粒增强的7XXX系列铝基复合材料，其中TiB2颗粒的含量为1-15wt％。
4.如权利要求1或2所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，水冷工序所用水初始温度和最终温度均控制在0-20℃内。
5.如权利要求1或2所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S3中，车削去皮后的样品表面粗糙度Ra<12.5um。
6.如权利要求1或2所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，轧制时轧板初始温度和结束温度均控制在250-350℃内。
7.如权利要求1或2所述的具有超塑性铝基复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，每道次的变形量控制在10％-20％。
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