CN113088840A - 一种铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种铝合金的制备方法。将合金元素粉末或小片层夹在多片铝片中间，在室温下进行多道次轧制，每次轧制后沿长度方向对折，重复轧制‑对折循环50次以上，随后将样品进行加热保温‑轧制，重复数次最终获得铝合金。在室温轧制过程中，在基体的塑性流变作用下，合金颗粒被集中应力破碎，且面密度和层间距都逐渐减小。当轧制道次足够高时，合金颗粒可被细化至纳米颗粒且均匀分散，同时变形产生的位错通道和局部升温加速合金元素的扩散，使其固溶。高温轧制进一步固溶合金元素且降低合金缺陷。本发明的方法所需设备为工业轧机和马沸炉，工艺简单，所制得合金的元素全部固溶，晶粒内有层状结构，具有优良的强度和韧性。

Description

一种铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金的制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
铝合金作为一种轻质材料，广泛应用于轻量化的结构材料中，包括航空航天、交通运输、体育休闲以及光学仪器测量等领域。铝合金的制备方法主要有液态法和固态法。液态法如铸造、增材制造、喷射沉积等，都涉及到高温的液态过程。在高温下，合金元素相互扩散从而实现合金化。但是液态法不可避免地会有凝固过程。在凝固过程中，材料内部往往会留下一些冶金缺陷，如空洞和合金元素的偏析等。这些缺陷都会一定程度上地降低材料的力学性能。
固态法如机械合金化法，则是通过大塑性变形的方式来进行合金化。与液相法相比，固态法不仅可以制备出具有亚微米级别晶粒的组织，还可以扩大溶质原子的固溶度，实现非平衡状态固溶。到目前为止，固态合金化方法还很有限，只有机械合计化法可用。此外，机械合金化法工艺需要烧结工艺，工艺较为复杂，而且最终的大块材料会有气孔问题，进而导致材料的致密度低。因此，需要开发一种新的固态合金化方法，该方法不仅可以避免液态法中的冶金缺陷，还能够避免粉末冶金中的低致密度等缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种铝合金的制备方法。该方法通过在固态的铝片中加入相应质量的合金元素，利用多道次轧制变形的方式使合金元素相互扩散和均匀分布，并通过高温轧制使其进一步合金化以及提高材料的致密度，所制备的铝合金中合金元素全部固溶且在层间有轻度偏聚，具有优异的强度和韧性。该方法工艺简单，只需要工业轧机和马沸炉，适合于大规模工业应用。
本发明提供的技术方案具体如下：
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：取厚度均匀的铝片基体，将合金元素的粉末或小片层均匀放置于铝片基体上表面，然后将数片经上述处理后的铝片基体叠放在一起，得到叠层胚料；
(2)轧制固溶：对步骤(1)得到的叠层胚料进行多道次室温轧制，每一道次轧制后均将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行轧制，然后重复上述对折-轧制步骤直至固溶彻底(优选的重复道次≥50，最优选为70道次)，得到中间材料；
(3)高温致密化：将步骤(2)得到的中间材料放在450～600℃马沸炉中保温3～30分钟，然后立即取出进行热轧压薄，重复上述保温-轧制步骤确保累积厚度方向压下量>70％(优选重复2-5道次)；轧制完毕后立即进行淬火处理，即得到固溶态铝合金。
优选地，步骤(2)中所述进行多道次室温轧制过程中，每道次轧制样品厚度的压下量≥50％。
优选地，步骤(1)中所述合金元素与铝片基体的质量比为3％-20％(更优选为6％-17％)。
优选地，步骤(1)中所述合金元素为镁、铜、锌、硅、铁、钛、锰和镍金属中的至少一种。更优选的，步骤(1)中所述合金元素为的粉末或小片层为铜片、镁粉和/或锌粉。
优选地，所述步骤(2)在进行室温轧制前先将步骤(1)的叠层胚料包裹在钢片中，再进行室温轧制。
优选地，所述步骤(2)中的室温轧制还可采用锻压或挤压变形方式替换。
优选地，步骤(1)中所述铝片基体为纯铝片或铝合金片。
本发明的技术方案中，也可以将铝片基体替换为铜合金片等材料来制备其他工业用合金材料。
本发明的原理主要为：将粉末或者片状合金元素包裹在铝片层中间，在室温无润滑的条件下对其进行连续多次轧制变形。在室温轧制过程中，在基体的塑性流变作用下，合金颗粒被集中的应力破碎，且其面密度和层间距都逐渐减小。当轧制道次足够高时，合金颗粒可被细化至纳米颗粒且均匀分散。变形产生的位错通道和局部升温加速合金元素的扩散，使其固溶。高温轧制进一步固溶合金元素且降低合金缺陷。通过该工艺制备的铝合金具有层状结构，在合金受力时能够束缚层内晶粒的变形以及阻碍位错的运动，从而提高材料的强度；层状结构还能够阻碍的裂纹的扩展，使得裂纹在扩展的过程中转向，从而提高断裂吸收能，进而提高合金材料的韧性。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
1.本发明的制备方法简单，只需要多道次轧制及累积热轧处理，设备为工业轧机和马沸炉，可以实现工业规模化生产。
2.本发明能不需要通过液态凝固的办法制备铝合金，从而避免凝固过程中的各种金相缺陷等。
3.本发明制备的铝合金具有层状晶粒结构，层状结构对合金有强化和韧化效果，所以用本发明的方法制备的铝合金具有优异的强韧性能。
附图说明
图1为本发明铝合金制备方法的流程图。
图2为本发明实施例1中室温轧制后的中间材料的扫描电镜照片和元素分布图片。
图3为本发明实施例1中室温轧制后的中间材料的X射线衍射图片。
图4为本发明实施例1制备的固溶态铝-铜-镁合金的扫描电镜照片和元素分布图片。
图5为本发明实施例1制备的固溶态铝-铜-镁合金的EBSD图片。
图6为本发明实施例2中室温轧制的中间材料的扫描镜照片和元素分布图片。
图7为本发明实施例2中室温轧制的中间材料的X射线衍射图片。
图8为本发明实施例3制备的固溶态铝-锌-镁-铜合金的X射线衍射图片。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，仅在于说明本发明而不限制本发明。
实施例1
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：切取125mm×50mm×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对铝片表面进行打磨和清理。将镁粉和小铜片依次放置至每片纯铝片表面，具体操作为：称取纯铝片质量4.5％的小铜片和纯铝片质量1.5％的镁粉，所用镁粉粒径为50微米，小铜片长宽高约为2mm×5mm×0.5mm。首先，将镁粉均匀地铺设于铝片上表面，接着将铜片均匀放置于镁粉上方，8片原始基体均进行以上操作，最后将处理后的8片纯铝片叠放在一起，得到板状叠层胚料。
(2)轧制固溶：将步骤(1)得到叠层坯料用钢板包裹后在室温下(25℃，下同)进行轧制，每一道次轧制后都将叠层胚料沿轧制方向对折，再用钢板包裹后进行轧制。然后重复对折-轧制步骤直至固溶彻底，本实施例室温轧制70道次，每道次轧制后样品厚度的压下量≥50％，得到中间材料。
(3)高温致密化：将步骤(2)得到的中间材料进行高温轧制处理：中间材料放进温度500℃的马沸炉中保温5分钟。保温时间到后立即将样品从马沸炉中取出进行热轧压薄，重复上述的保温-轧制步骤共4道次，累积厚度方向压下量>70％，最后一道次轧制完毕后立即放入水中进行淬火处理，确保冷却速度达到400K/s以上，即得到最终固溶态铝-铜-镁合金。
图1为本发明铝合金的制备流程图，主要分为三个部分：预处理、轧制固溶、高温致密化。
图2为本发明实施例1中室温轧制后的中间材料的扫描电镜及其元素分布照片，如图所示，随着轧制道次的增加，铜颗粒逐渐被破碎细化，并且逐渐均匀地分散在铝基体中，当轧制70道次后，可以得到良好的固溶和分散效果。
图3为本发明实施例1中室温轧制后的中间材料的X射线衍射结果图片，如图所示，随着轧制道次的增加，铜和镁的衍射峰都逐渐降低。当轧制70道次后，只观察到铝的峰位，表明合金元素均固溶到铝基体中。
图4为本发明实施例1制备的固溶态铝-铜-镁合金的扫描电镜及其元素分布照片，可以看出，经过70道次室温轧制和5道次热轧压薄后制备的铝-铜-镁合金中，铜和镁元素均匀地分散在铝基体中，达到了良好的固溶和分散效果。
图5为实施例1制备的固溶态铝-铜-镁合金的EBSD图片，可以看出，得到的合金材料晶粒为薄片层状结构。
经过EDS定量分析，最终固溶态铝-铜-镁合金的成分为Al-4.1wt％Cu-1.52wt％Mg，该合金成分和2024铝合金接近。但本实施例制备的铝合金的抗拉强度高达560MPa，高于传统铸造工艺的平均400MPa。本实施例制备的合金的断裂延伸率为15％，具有优异的强韧性能。
实施例2
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：切取200mm×50mm×0.5mm大小的纯铝片，取6片作为原始基体，并对铝片表面进行打磨和清理。将镁粉放置至每片纯铝片表面，具体操作为：称取纯铝片质量17％的镁粉，所用镁粉粒径为50微米，将镁粉均匀地铺设于铝片上表面，6片原始基体均进行以上操作，最后将处理后的6片纯铝片叠放在一起，得到板状叠层胚料。
(2)轧制固溶：将步骤(1)得到叠层坯料用钢板包裹后在室温下进行轧制，每一道次轧制后都将叠层胚料沿轧制方向对折，再用钢板包裹后进行轧制。然后重复对折-轧制步骤直至固溶彻底，本实施例室温轧制70道次，每道次轧制后样品厚度的压下量≥50％，得到中间材料。
(3)高温致密化：将步骤(2)得到的中间材料进行高温轧制处理：中间材料放进温度400℃的马沸炉中保温10分钟。保温时间到后立即将其从马沸炉中取出进行热轧压薄，重复上述的保温-轧制步骤共5道次，累积厚度方向压下量>70％，最后一道次轧制完毕后立即放入水中进行淬火处理，保证冷却速度达到400K/s以上，即得到最终固溶态铝镁合金。
图6为本发明实施例2中的室温轧制后中间材料的扫描电镜及其元素分布照片，如图所示，随着轧制道次的增加，镁颗粒逐渐被破碎细化，并且逐渐均匀地分散在铝基体中，当轧制70道次后，可以得到良好的固溶和分散效果。
图7为本发明实施例2中的室温轧制后中间材料的X射线衍射结果图片，如图所示，随着轧制道次的增加，镁的衍射峰都逐渐降低。当轧制70道次后，只观察到铝的峰位，表明镁元素均已经固溶到铝基体中。
经过EDS定量分析，本实施例得到的固溶态铝镁合金的成分为Al-16.4wt％Mg，该合金的抗拉强度为320MPa。
实施例3
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：切取125mm×50mm×0.25mm大小的纯铝片，取8片作为原始基体，并对铝片表面进行打磨和清理。将锌粉、镁粉和小铜片依次放置至每片纯铝片表面，具体操作为：称取纯铝片质量5.6％的锌粉、纯铝片质量2.5％的镁粉和纯铝片质量1.5％的小铜片，所用镁粉粒径为50微米，所用锌粉粒径为30微米，小铜片长宽高约为2mm×5mm×0.5mm。首先，将锌粉均匀地铺设于铝片上表面，接着将镁粉均匀铺设于锌粉上方，最后将铜片均匀放置于镁粉上方，8片原始基体均进行以上操作，最后将处理后的8片纯铝片叠放在一起，得到板状叠层胚料。
(2)轧制固溶：将步骤(1)得到叠层坯料用钢板包裹后在室温下进行轧制，每一道次轧制后都将叠层胚料沿轧制方向对折，再用钢板包裹后进行轧制。然后重复上述对折-轧制步骤直至固溶彻底，本实施例室温轧制70道次，每道次轧制后样品厚度的压下量≥50％，得到中间材料。
(3)高温致密化：将步骤(2)得到的中间材料进行高温轧制处理：中间材料放进温度500℃的马沸炉中保温10分钟。保温时间到后立即将其从马沸炉中取出进行热轧压薄，重复上述的保温-轧制步骤共4道次，累积厚度方向压下量>70％，最后一道次轧制完毕后立即放入水中进行淬火处理，保证冷却速度达到400K/s以上，即得到最终固溶态铝-锌-镁-铜合金。
图8为本发明实施例3得到的固溶态铝-锌-镁-铜合金的X射线衍射图片，如图所示，在XRD中只观察到铝的峰位，没有锌、镁、铜的峰位，表明锌、镁、铜元素均已经固溶到铝基体中。
经过EDS定量分析，本实施例最终固溶态铝-锌-镁-铜合金的成分为Al-5.5wt％Zn-2.5wt％Mg-1.3wt％Cu，该合金的抗拉强度为510MPa，断裂延伸率为16％，具有优异的力学性能。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)预处理：取厚度均匀的铝片基体，将合金元素的粉末或小片层均匀放置于铝片基体上表面，然后将数片经上述处理后的铝片基体叠放在一起，得到叠层胚料；
(2)轧制固溶：对步骤(1)得到的叠层胚料进行多道次室温轧制，每一道次轧制后均将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行轧制，然后重复上述对折-轧制步骤直至固溶彻底，得到中间材料；
(3)高温致密化：将步骤(2)得到的中间材料置于450～600℃马沸炉中保温3～30分钟，然后立即取出进行热轧压薄，重复上述保温-轧制步骤确保累积厚度方向压下量>70％；轧制完毕后立即进行淬火处理，即得到固溶态铝合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中进行室温轧制的道次≥50。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述进行多道次室温轧制过程中，每道次轧制样品厚度的压下量≥50％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述合金元素与铝片基体的质量比为3％-20％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述合金元素为镁、铜、锌、硅、铁、钛、锰和镍金属中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)在进行室温轧制前先将步骤(1)的叠层胚料包裹在钢片中，再进行室温轧制。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的室温轧制可采用锻压或挤压变形方式替换。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铝片基体为纯铝片或铝合金片。
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