CN113088843A - 一种铝合金新型室温应力循环强化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，将铝合金熔炼并循环降温，并通过应力循环强化装置对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金，本发明通过应用周期性变化的应力控制铝合金型材的微尺度变化，在组织中产生大量空位，帮助铝合金组织中的原子在室温下扩散，调控超细溶质团的动态析出，大量的超细原子团的析出可强烈阻碍位错的运动，达到强化合金的目的，可代替工人时效处理，且耗时短，能耗小，这种异构的溶质分布对位错运动有强烈的影响，可以大幅提高合金强度，降低了合金中的应力值。

Description

一种铝合金新型室温应力循环强化工艺
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体涉及一种铝合金新型室温应力循环强化工艺。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。
铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，如密度小、比强度和比钢度高、弹性好、抗冲击性能优良、耐腐蚀、高导电和导热性、加工成形性良好以及可回收利用等，因此成为轻量化首选的金属材料。铝材已经成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料，已部分代替钢铁而成为工业和社会的基础材料。
2xxx系(Al-Cu基)铝合金经热处理后可生成弥散分布的时效强化相，对基体产生强化作用，属于可热处理强化型铝合金，该系列铝合金主要靠时效过程中从过饱和固溶体中析出沉淀相来达到强化。其热处理制度主要包括400-500℃固溶处理、淬火至室温、100-200℃人工时效7-24h并空冷至室温，Al2Cu是主要强化相，使合金强化。
由于人工时效热处理时间较长，能耗较大；且时效热处理过程会在组织的晶界附近形成“无沉淀析出区”，此区域处溶质原子贫瘠，且强度较晶内基体弱，可对铝合金的疲劳、拉伸和腐蚀性能造成不良影响。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，通过应用周期性变化的应力控制铝合金型材的微尺度变化，在组织中产生大量空位，帮助铝合金组织中的原子在室温下扩散，调控超细(1至2nm)溶质团的动态析出，大量的超细原子团的析出可强烈阻碍位错的运动，达到强化合金的目的，可代替工人时效处理，且耗时短，能耗小。
本发明通过如下方案解决上述技术问题：
一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，循环强化工艺包括以下步骤：
1).升温熔融：将铝合金投入到熔炼炉中，再将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用交变的涡流电磁场梯度升温，温度梯度首尾温差相差为20～80℃，将熔炼炉温度升至750～850℃，铝合金熔融；
2).循环降温：在氩气气氛下，将铝合金熔体采用水冷的方式梯度冷却至150～300℃，至铝合金熔体完全结晶析出，再恒温2～3h，再用涡流电磁场梯度升温至铝合金刚好完全熔融，恒温2～5h，温度梯度首尾温差相差为40～80℃；
采用风冷的方式将铝合金梯度降温至150～200℃，将铝合金完全结晶析出，再将结晶析出的铝合金进行固溶处理，恒温2～8h，再继续缓慢风冷至室温；
3).应力强化：将风冷至室温的铝合金转移至伺服液压控制的应力循环强化装置上，对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金。
作为优选的，应力循环强化装置施加的应力大小从铝合金固溶状态的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态铝合金的屈服强度。
作为优选的，应力循环强化装置施加应力的大小设置为0～600MPa。
作为优选的，应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.002Hz～20Hz。
作为优选的，应力循环强化装置施加应力的周期为100～1500周。
作为优选的，固溶处理的温度设置为350～380℃，时间为2～5h。
作为优选的，固溶处理所使用的加热炉为熔炼炉、盐浴炉或管式炉，采用涡流电磁场加热。
本发明能够实现的有益技术效果至少包括：本发明设计的铝合金新型室温应力循环强化工艺，通过应用周期性变化的应力控制铝合金型材的微尺度变化，在组织中产生大量空位，帮助铝合金组织中的原子在室温下扩散，调控超细(1至2nm)溶质团的动态析出，大量的超细原子团的析出可强烈阻碍位错的运动，达到强化合金的目的，可代替工人时效处理，且耗时短，能耗小，这种异构的溶质分布对位错运动有强烈的影响，可以大幅提高合金强度，降低了合金中的应力值。
附图说明
图1为传统固溶处理与循环应力强化处理的比较示意图；
图中：
A-显示高温为α相、低温为α+β的双相的热力学相图；
Ceq-平衡溶质浓度；
Cb-溶质浓度；
B-β相的成核速率和生长速率随温度变化的函数示意图；
dN/dt-成和速率；
dR/dt-生长速率；
exp(-ΔG*/kT)-克服成核势垒的概率；
D-溶质扩散系数；
C-循环强化加载过程图。
图2为热处理和循环强化后合金的显微组织的原子团簇透射电镜图；
图中：
A-AA2024型号铝合金的时效显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
B-AA6061型号铝合金的时效显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
C-AA7075型号铝合金的时效显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
D-AA2024型号铝合金的循环强化显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
E-AA6061型号铝合金的循环强化显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
F-AA7075型号铝合金的循环强化显微组织的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
在A、B、D、E中的电子束平行于(001)Al，在C、F中的电子束平行于(010)Al。
图3为AA2024型号铝合金循环强化前后的溶质团簇；
图中：A-沿着(001)Al观察到的循环强化处理后的样品溶质团簇的原子分辨率的低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)图像；
B、C-是A中的溶质团簇的扩大图像，插图:相应的选择区域的电子差异图显示了来自溶质团簇的微弱差异(箭头表示)，其中的箭头表示来自完美周期晶格的原子位移；
D、E、F、G-沿着(001)Al观察到的循环强化处理后的样品溶质团簇的原子分辨率的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像，原子分辨率HAADF-STEM图像中的每个亮点都是一个富铜原子柱，D、F和G中的箭头表示包含空位的原子列，原子探针重建显示样品中含有9个或更多溶质原子的Mg-Cu团簇具有相同的热历史；
H、I-H表示没有循环强化处理、I表示有循环强化处理时的单个溶质团簇的颜色不同。
图4为实施例1-8中铝合金在传统热处理和循环强化方法下的力学响应示意图；
图中：
A、B、C-不同频率和不同应力下的工程应力曲线，其中，WQ表示水淬，UA表示欠时效态，PA表示时效态，CS表示循环强化；
D、E、F-屈服强度与均匀延伸率的相关性；
G、H、I-抗拉强度与均匀延伸率的相关性，其中，D到I的阴影区域表示强度和延伸率的反比关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，循环强化工艺包括以下步骤：
1).升温熔融：将铝合金投入到熔炼炉中，再将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用交变的涡流电磁场梯度升温，温度梯度首尾温差相差为80℃，将熔炼炉温度升至850℃，铝合金熔融；
2).循环降温：在氩气气氛下，将铝合金熔体采用水冷的方式梯度冷却至300℃，至铝合金熔体完全结晶析出，再恒温2h，再用涡流电磁场梯度升温至铝合金刚好完全熔融，恒温5h，温度梯度首尾温差相差为80℃；
采用风冷的方式将铝合金梯度降温至200℃，将铝合金完全结晶析出，再将结晶析出的铝合金进行固溶处理，恒温2h，再继续缓慢风冷至室温；
3).应力强化：将风冷至室温的铝合金转移至伺服液压控制的应力循环强化装置上，对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金。
其中，铝合金采用牌号为AA2024的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Si：0.5，Fe：0.5，Cu：3.8～4.9，Mn：0.3～0.9，Mg：1.2～1.8，Cr：0.1，Zn：0.25，Ti：0.15，其他0.15，其余为Al。
更进一步地，应力循环强化装置施加的应力大小从铝合金固溶状态的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态铝合金的屈服强度。
其中，应力循环强化装置采用英国Instron 8801液压疲劳试验机。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的大小设置为386MPa。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.2Hz。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的周期为1500周。
更进一步地，固溶处理的温度设置为380℃，时间为5h。
更进一步地，固溶处理所使用的加热炉为熔炼炉，采用涡流电磁场加热。
其中，采用澳大利亚低角度环形暗场扫描透射电子显微镜(LAADF-STEM)表征循环变形前及变形后铝合金基体、位错及原子团簇的分布情况，工作电压为230kV，得到的透射电镜图如图2、3所示，从图2、3可以看到循环强化组织的LAADF-STEM明场像及选区衍射斑点，从明场像可以看出铝合金基体在循环强化后形成了位错环以纳米析出相，同时从衍射斑也可以证实析出相的产生。
实施例2
一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，循环强化工艺包括以下步骤：
1).升温熔融：将铝合金投入到熔炼炉中，再将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用交变的涡流电磁场梯度升温，温度梯度首尾温差相差为50℃，将熔炼炉温度升至800℃，铝合金熔融；
2).循环降温：在氩气气氛下，将铝合金熔体采用水冷的方式梯度冷却至250℃，至铝合金熔体完全结晶析出，再恒温3h，再用涡流电磁场梯度升温至铝合金刚好完全熔融，恒温4h，温度梯度首尾温差相差为50℃；
采用风冷的方式将铝合金梯度降温至200℃，将铝合金完全结晶析出，再将结晶析出的铝合金进行固溶处理，恒温5h，再继续缓慢风冷至室温；
3).应力强化：将风冷至室温的铝合金转移至伺服液压控制的应力循环强化装置上，对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金。
其中，铝合金采用牌号为AA6061的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Si：0.4～0.8，Fe：0.7，Cu：0.15～0.40，Mn：0.15，Mg：0.8～1.2，Cr：0.04～0.35，Zn：0.25，Ti：0.15，其他：0.15，其余为Al。
更进一步地，应力循环强化装置施加的应力大小从铝合金固溶状态的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态铝合金的屈服强度。
其中，应力循环强化装置采用英国Instron 8801液压疲劳试验机。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的大小设置为307MPa。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.02Hz。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的周期为1200周。
更进一步地，固溶处理的温度设置为360℃，时间为4h。
更进一步地，固溶处理所使用的加热炉为盐浴炉，采用涡流电磁场加热。
实施例3
一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，循环强化工艺包括以下步骤：
1).升温熔融：将铝合金投入到熔炼炉中，再将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用交变的涡流电磁场梯度升温，温度梯度首尾温差相差为30℃，将熔炼炉温度升至850℃，铝合金熔融；
2).循环降温：在氩气气氛下，将铝合金熔体采用水冷的方式梯度冷却至200℃，至铝合金熔体完全结晶析出，再恒温2.5h，再用涡流电磁场梯度升温至铝合金刚好完全熔融，恒温3h，温度梯度首尾温差相差为40℃；
采用风冷的方式将铝合金梯度降温至200℃，将铝合金完全结晶析出，再将结晶析出的铝合金进行固溶处理，恒温5h，再继续缓慢风冷至室温；
3).应力强化：将风冷至室温的铝合金转移至伺服液压控制的应力循环强化装置上，对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金。
其中，铝合金采用牌号为AA7075的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Si：0.4，Fe：0.5，Cu：1.2～2.0，Mn：0.3，Mg：2.1～2.9，Cr：0.18～0.28，Zn：5.1～6.1，Ti：0.2，其他：0.15，其余为Al。
更进一步地，应力循环强化装置施加的应力大小从铝合金固溶状态的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态铝合金的屈服强度。
其中，应力循环强化装置采用英国Instron 8801液压疲劳试验机。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的大小设置为452MPa。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.2Hz。
更进一步地，应力循环强化装置施加应力的周期为1000周。
更进一步地，固溶处理的温度设置为350℃，时间为5h。
更进一步地，固溶处理所使用的加热炉为管式炉，采用涡流电磁场加热。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：
应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.5Hz。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于：
应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.02Hz。
实施例6
本实施例与实施例2的不同之处在于：
应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.2Hz。
实施例7
本实施例与实施例3的不同之处在于：
应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.5Hz。
实施例8
本实施例与实施例3的不同之处在于：
应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.02Hz。
图4为实施例1-8中铝合金在传统热处理和循环强化方法下的力学响应示意图，图中：A、B、C-不同频率和不同应力下的工程应力曲线，其中，WQ表示水淬，UA表示欠时效态，PA表示时效态，CS表示循环强化；D、E、F-屈服强度与均匀延伸率的相关性；G、H、I-抗拉强度与均匀延伸率的相关性，其中，D到I的阴影区域表示强度和延伸率的反比关系。
在本发明中，本发明设计的铝合金新型室温应力循环强化工艺，通过应用周期性变化的应力控制铝合金型材的微尺度变化，在组织中产生大量空位，帮助铝合金组织中的原子在室温下扩散，调控超细(1至2nm)溶质团的动态析出，大量的超细原子团的析出可强烈阻碍位错的运动，达到强化合金的目的，可代替工人时效处理，且耗时短，能耗小，这种异构的溶质分布对位错运动有强烈的影响，可以大幅提高合金强度，降低了合金中的应力值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述循环强化工艺包括以下步骤：
1).升温熔融：将铝合金投入到熔炼炉中，再将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用交变的涡流电磁场梯度升温，温度梯度首尾温差相差为20～80℃，将熔炼炉温度升至750～850℃，铝合金熔融；
2).循环降温：在氩气气氛下，将铝合金熔体采用水冷的方式梯度冷却至150～300℃，至铝合金熔体完全结晶析出，再恒温2～3h，再用涡流电磁场梯度升温至铝合金刚好完全熔融，恒温2～5h，温度梯度首尾温差相差为40～80℃；
采用风冷的方式将铝合金梯度降温至150～200℃，将铝合金完全结晶析出，再将结晶析出的铝合金进行固溶处理，恒温2～8h，再继续缓慢风冷至室温；
3).应力强化：将风冷至室温的铝合金转移至伺服液压控制的应力循环强化装置上，对铝合金施加轴向上的循环应力，使得铝合金组织中的原子在室温下扩散，控制超细溶质团动态析出，阻碍铝合金原子的位错运动，得到室温应力循环强化的铝合金。
2.根据权利要求1所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述应力循环强化装置施加的应力大小从铝合金固溶状态的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态铝合金的屈服强度。
3.根据权利要求2所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述应力循环强化装置施加应力的大小设置为0～600MPa。
4.根据权利要求2所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述应力循环强化装置施加应力的频率设置为0.002Hz～20Hz。
5.根据权利要求2所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述应力循环强化装置施加应力的周期为100～1500周。
6.根据权利要求1所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述固溶处理的温度设置为350～380℃，时间为2～5h。
7.根据权利要求6所述的铝合金新型室温应力循环强化工艺，其特征在于，所述固溶处理所使用的加热炉为熔炼炉、盐浴炉或管式炉，采用涡流电磁场加热。
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