CN113025851A

CN113025851A - 一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法

Info

Publication number: CN113025851A
Application number: CN202110228847.5A
Authority: CN
Inventors: 宋彬彬; 孙海阔; 王少博
Original assignee: Anhui Jinlan Jinying Aluminium Co Ltd
Current assignee: Anhui Jinlan Jinying Aluminium Co Ltd
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本发明公开了一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法。首先通过在纯铝熔体中加入微米级TiB₂粒子并进行快速机械搅拌，使TiB2粒子在铝熔体中均匀分散的同时与Al发生化学反应，形成AlTiB颗粒。利用该化合物其良好的异质形核作用细化纯铝的凝固组织，而其自身则可与铝基体一起产生复合强化作用。最后通过塑性变形加工，使晶粒进一步细化、位错密度大幅增加，从而产生极高的阻尼和强化效应。与普通的纯铝相比，本发明获得的变形铝室温阻尼本领提高75%，高温（350℃）阻尼本领提高5倍以上；铸态抗拉强度提高90%以上，冷轧态抗拉强度提高2倍以上，有利于改善铝型材在减震降噪、缓冲吸能和疲劳等领域的服役效果，提高其使用寿命。

Description

一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料设计与加工领域，特别设计一种具有高强、高阻尼的变形铝合金及其制备方法。

背景技术

轻合金特别是铝合金因其良好的轻质性和力学性能而在诸多工程领域获得了广泛的应用，已经成为航空航天、军工装备、汽车、电子以及轨道交通等国民经济支撑行业的重要结构材料之一。但是，在一些振动、冲击或疲劳等严酷的动态加载条件下，铝合金阻尼性能较低的缺点使之难以满足实际应用的需求，往往引起机械设备精度下降、疲劳断裂或噪声污染等问题。因此，提高铝合金的阻尼性能从而改善其动态下的服役行为，是目前铝合金发展的重要方向之一，也是未来扩大其应用范围亟待解决的重要问题之一。

金属材料的阻尼性能与其微观或亚微观组织缺陷如界面、位错、点缺陷等以及它们之间的交互作用密切相关。根据Zener的经典理论，提高金属材料阻尼性能的重要途径之一，就是设法增加可移动的晶体缺陷密度，同时增大晶体缺陷之间的交互作用，以获得最大的线性阻尼，或将力学放大机制引入材料，从而获得较高的非线性阻尼。根据这一理论，已有多种高阻尼金属材料问世并得到广泛应用。由于商用纯铝或铝合金均属于本征低阻尼材料，通过传统的增加可移动晶体缺陷密度的方法对提高铝合金阻尼性能的作用有限，而通过引入高阻尼次级相增强非线性阻尼的路径又使其力学性能损失较大。因此，寻找一种既能增加可动晶体缺陷密度又能产生微观力学放大机制的新方法，实现阻尼本领提高的同时又能维持或改善力学性能的目标，是目前高阻尼铝合金的主要研究方向和目标。

为了增加组织中的强化组织、晶体缺陷密度及其动性，本发明首先在纯铝熔体中加入微米级TiB2粒子并进行快速机械搅拌，使TiB2粒子在铝熔体中均匀分布，同时与Al发生化学反应，形成AlTiB颗粒，利用其良好的异质形核作用细化纯铝的凝固组织，而AlTiB颗粒又可与铝基体一起产生复合强化作用。最后通过塑性变形加工，使晶粒进一步细化、位错密度大幅增加，从而产生极高的阻尼和强化效应，获得了强韧性和阻尼性同时提高的新型变形铝。

发明内容

本发明目的在于提供一种强韧性、阻尼性兼备的新型变形铝及其制备方法。本发明首先在纯铝熔体中加入微米级TiB₂粒子并进行快速机械搅拌，使TiB₂粒子在铝熔体中均匀分散的同时与Al发生化学反应，形成AlTiB颗粒，利用该化合物良好的异质形核作用细化纯铝的凝固组织，而其自身则可与铝基体一起产生复合强化作用。最后通过塑性变形加工，使晶粒进一步细化、位错密度大幅增加，从而产生极高的阻尼和强化效应。通过上述过程，最终实现了位错阻尼和颗粒增强的双重效果，获得了强韧性和阻尼性同时提高的新型变形铝。

与一般工业纯铝相比，本发明方法制得的变形铝室温阻尼本领提高75%，高温（350℃）阻尼本领提高5倍以上；铸态抗拉强度提高90%以上，冷轧态抗拉强度提高2倍以上。为改善铝型材在减震降噪、缓冲吸能和疲劳等领域的服役行为和寿命提供了一种新方法。

本发明的具体特点如下：

（1）基体材料：工业纯铝，纯度≥97.0。

（2）增强相：AlTiB颗粒，尺寸1～10μm，含量0.1～0.5wt.%。

（3）金相组织：铸态组织：平均晶粒尺寸约30μm的等轴晶；冷轧态组织：沿轧制方向伸长的基体晶粒和晶界上弥散分布的AlTiB颗粒。

（4）冷轧态阻尼性能：室温内耗：0.008；350℃内耗：0.129。

（5）拉伸力学性能：铸态抗拉强度：71.9MPa，断后伸长率：33%；冷轧态抗拉强度：126.4MPa，断后伸长率：4.5%。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法，其特征在于并包括以下步骤：

（1）熔炼：将工业纯铝锭在电阻坩埚炉内720℃的温度下熔化和保温。炉料熔清后，加入精炼剂，然后静置，再扒渣、除气。

（2）复合：将铝熔体升温至750℃，保温0.5小时以上，然后加入0.1～0.5wt.%、粒度为10～30μm的TiB₂粉末，再用叶片式搅拌器以3000转/分的转速快速搅拌1～1.5分钟。搅拌结束后，将熔体浇入钢模内，得到圆形或方形铝锭。

（3）铝锭精整：将步骤（2）获得的铝锭进行表面车削或铣削加工并切除冒口，形成厚约30mm的板坯。

（4）冷轧：将精整后的板坯在室温下进行多道次轧制，每道次压下率约16%，直至板材厚度减至0.8～1.5mm。

所述的一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法，其特征在于：所述的材料组成为：基体：工业纯铝，纯度≥97.0，晶粒形貌：单向伸长的变形晶粒；增强相：AlTiB颗粒，含量：0.1～0.5wt.%，平均粒径：1～10μm。

发明效果

本发明首先通过在纯铝熔体中加入微米级TiB₂粒子并进行快速机械搅拌，使TiB2粒子在铝熔体中均匀分散的同时与Al发生化学反应，形成AlTiB颗粒。利用该化合物其良好的异质形核作用细化纯铝的凝固组织，而其自身则可与铝基体一起产生复合强化作用。最后通过塑性变形加工，使晶粒进一步细化、位错密度大幅增加，从而产生极高的阻尼和强化效应。通过上述过程，最终实现了位错阻尼和颗粒增强的双重效果，获得了强韧性和阻尼性同时提高的新型变形铝。

本发明得到的变形铝与普通铸态铝的阻尼性能、力学性能和晶体组织对比如图1～8所示。

由图1可以看出，当温度低于150℃时，普通铸态铝的内耗随温度上升变化不明显，基本维持在0.005左右。此后，随温度继续升高，内耗单调增加。

温度低于150℃时，含AlTiB颗粒并经冷轧变形的铝板与普通铸态铝的内耗行为相似，温度升高，内耗变化不大，但其值明显高于普通铸态铝，约为0.021。当温度进一步升高，内耗曲线上出现了一个高达0.21的内耗峰，表明阻尼效应显著增强，如图2所示。

从图2可以发现，含AlTiB颗粒的铸态铝内耗与颗粒含量密切相关。随颗粒含量增加，内耗逐渐增大。

图3、图4给出了0.5Hz和4.0Hz两种频率下普通铸态铝和含AlTiB颗粒变形铝的内耗-温度谱。可以看出，两种材料不仅内耗大小不同，而且内耗行为也有明显不同。

图5为AlTiB颗粒对铸态铝和变形铝拉伸应力应变曲线的影响。AlTiB颗粒含量增加，铸态铝的强度和延性均有所提高。但是，当增加到0.3wt.%后，AlTiB颗粒含量继续增加，铸态纯铝的强度变化不大，但延性继续增加。当AlTiB颗粒含量增加至0.5wt.%并经冷轧，则纯铝的强度显著增加而延性则明显下降。

图6～8示出了铸态纯铝及变形前后含0.5wt.% AlTiB颗粒纯铝的晶粒组织形貌，AlTiB颗粒对铸态纯铝晶粒的细化效果还是非常明显的，平均晶粒尺寸由添加AlTiB颗粒前的90μm减小至30μm左右。冷轧后，含0.5wt.% AlTiB颗粒纯铝的晶粒组织沿轧制方向伸长，显示出明显的定向分布特征。

本发明获得的含AlTiB颗粒的变形铝具有明显的高强、高阻尼特点，对改善铝型材在减震降噪、缓冲吸能和疲劳等领域的服役行为和寿命具有重要的参考意义。

附图说明

图1：不同振动频率下铸态铝的内耗-温度谱。

图2：不同振动频率下含0.5wt.% AlTiB颗粒变形铝的内耗-温度谱。

图3：振动频率为0.5Hz时铸态铝与含0.5wt.% AlTiB颗粒变形铝的内耗-温度谱。

图4：振动频率为4.0Hz时铸态铝与含0.5wt.% AlTiB颗粒变形铝的内耗-温度谱。

图5：AlTiB颗粒含量对纯铝拉伸应力应变行为的影响。

图6 铸态铝的晶粒组织，100×。

图7：含0.5wt.%AlTiB颗粒铸态铝的晶粒组织，100×。

图8：含0.5wt.%AlTiB颗粒变形铝的晶粒组织（压下量90%），100×。

具体实施方式

实施例：一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法。材料组成：基体：工业纯铝，纯度≥97.0；增强相：AlTiB颗粒，含量：0.1～0.5wt.%，平均粒径：1～10μm；晶粒形貌：单向伸长的变形晶粒。

制备方法、组织表征和性能测试方法如下：

（2）复合：将铝熔体升温至750℃，保温0.5小时以上，然后加入0.5wt.%、粒度为10～30μm的TiB2粉末，再用叶片式搅拌器以3000转/分的转速快速搅拌1.5分钟。搅拌结束后，将熔体浇入钢锭模内，得到圆形铝锭。

（3）铝锭精整：将步骤（2）获得的铝锭进行表面车削和铣削加工并切除冒口，形成厚约30mm的板坯。

（4）冷轧：将精整后的板坯在室温下进行多道次轧制，每道次压下率约16%，直至板材厚度减至1.5mm。

（5）将热处理后的坯料加工成哑铃型拉伸试样，试棒长度方向与锻坯轴向同向，标距段尺寸为6×2×60mm，然后进行单向拉伸，拉伸应变达20%后停止，即得到阻尼增强的孪生诱发塑性钢。

（7）用电火花线切割机床从拉伸后的拉伸试样标距段内加工出内耗（阻尼）测试试样，尺寸为3×1.5×50mm。

（8）在多功能内耗仪上测试不同频率、不同应变振幅条件下试样的内耗-温度谱。

（9）从测完内耗的试样上取样，在金相显微镜下观察组织形貌。

Claims

1.一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）熔炼：将工业纯铝锭在电阻坩埚炉内720℃的温度下熔化和保温，炉料熔清后，加入精炼剂，然后静置，再扒渣、除气；

（2）复合：将铝熔体升温至750℃，保温0.5小时以上，然后加入0.1~0.5wt.%、粒度为10~30μm的TiB₂粉末，再用叶片式搅拌器以3000转/分的转速快速搅拌1~1.5分钟，搅拌结束后，将熔体浇入钢模内，得到圆形或方形铝锭；

（3）铝锭精整：将步骤（2）获得的铝锭进行表面车削或铣削加工并切除冒口，形成厚约30mm的板坯；

（4）冷轧：将精整后的板坯在室温下进行多道次轧制，每道次压下率约16%，直至板材厚度减至0.8~1.5mm。

2.所述的一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法，其特征在于：

所述的材料组成为：基体：工业纯铝，纯度≥97.0，晶粒形貌：单向伸长的变形晶粒；增强相：AlTiB颗粒，含量：0.1~0.5wt.%，平均粒径：1~10μm。

3.权利要求1所述的一种高强、高阻尼变形铝及其制备方法加工出的变形铝型材或板材。