CN113385534B - 一种层状铝基复合板材及其制备方法 - Google Patents

一种层状铝基复合板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种层状铝合金/铝基复合板材及其制备方法。具体为在表面粗化处理过的铝合金板之间均匀分散氮化镁粉末，将堆叠好的板材进行真空热压使板材通过置换反应原位生成AlN,提高板材间的结合强度和结合质量，并对其进行轧制，以细化晶粒，提高材料内位错密度和晶界数量，达到提高材料力学性能的效果，随后进行低温退火去除残余应力使其具有更佳的综合力学性能；然后将所得板材切割为大小相等的两块并上述步骤。本发明制备的层状铝基复合材料板材界面结合好，最大程度的降低轧制过程中引入的内部缺陷，使材料具有良好的强度和塑性。

Description

一种层状铝基复合板材及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种层状铝基复合板材及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金材料在工业中有广泛的应用，铝本身密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3，具有优良的综合性能，比强度高，良好的塑性和加工性能。广泛应用于航空航天、汽车、桥梁、建筑、能源动力、冶金化工、机械制造等领域。但工业纯铝存在强度不高，化学性质活泼，表面易生成氧化层等缺点，严重限制了其应用范围。铝基复合材料相对纯铝材料具有更好的耐高温性、耐磨性、耐疲劳性、抗氧化性、抗腐蚀性等，因此在工业中应用广泛。颗粒增强铝基复合材料通过向铝合金中添加第二相粒子可大幅提高铝合金强度，但会导致塑性下降，导致其综合力学性能欠佳。近年来研究人员发现通过SPD(剧烈塑性变形)的方式可实现在金属材料中制备超细晶结构，这种结构可使材料同时具有高强度和高塑性，因此通过剧烈塑性变形的方式制备复合材料备受关注。剧烈塑形变形方法主要包含等径角挤压、反复折皱-压直法、高压扭转以及累积叠轧等，其中累积叠轧法是一种可利用传统轧制设备制造大尺寸超细晶结构金属板材的方法，具有操作简单、对设备要求低、成本低、易于工业化、方便实现性能调控等优点一种较为成熟的制备层状铝基复合材料的方法。
2010年RoohollahJamaati等人在期刊《Materials Science and Engineering A》上发表题为“Application of ARB process for manufacturing high-strength,finelydispersed and highly uniform Cu/Al2O3composite”
(527(2010)7430–7435)的文章，通过在铜带间分散铺加Al2O3颗粒后累积叠轧制备出了高强度、细分散、高度均匀的Cu/Al2O3金属基复合材料，表明累积叠轧过程中在板材间添加颗粒能较为明显的提高材料性能。通过累积叠轧可向材料中不断引入应变，达到细化晶粒的效果，同时该过程能够提高材料内位错密度、晶界数量，实现位错强化和晶界强化，并在轧制后进行退火工艺，使材料具备较好的综合力学性能。但累积叠轧制备材料过程存在以下问题：1材料界面结合不稳定，随着叠轧次数增多，界面数量增加，存在概率性结合不紧密，界面间隙会大幅降低材料性能；2累积叠轧中叠放的金属板采用金属丝或铆钉固定在一起，轧制前结合面间可以流通空气，有时为了提高板材塑性变形能力轧制前进行预热处理，在此过程中金属铝等易氧化金属的结合面表面生成氧化层影响界面结合质量和材料性能；材料外表因为轧制升温而氧化进而在下一道次轧制结束后进入材料内部，内部氧化层增厚对材料性能造成不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备铝基异构复合板材的方法，通过该方法能获得高强度高塑性且界面结合良好，内部没有氧化层的层状铝基复合材料。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种层状铝合金/铝基复合板材的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：铝基复合板表面粗化处理；
步骤(2)：在相互堆叠的两个铝合金板/铝基复合板之间均匀铺设粒径≤2μm的陶瓷粉末；
步骤(3)：对步骤(2)得到的堆叠后的板进行真空热压处理，粉末和板材表面间在真空高温高压的回复和再结晶对板进行初步的结合固定，将两块板间填充满；
步骤(4)：对真空热压后的堆叠板的四角进行固定，进行轧制，轧制后水冷；
步骤(5)：对轧后板材进行退火处理；
步骤(6)：对退火后的板进行线切割，得到大小相同的两块并重复上述步骤。
进一步的，步骤(1)中粗化处理后的铝合金板/铝基复合板的表面粗糙度≥Ra3.2。
进一步的，粗化处理具体为：使用目数≤30的砂纸打磨铝合金板/铝基复合板；
打磨后使用无水乙醇清洗表面，放置在丙酮中超声处理。
进一步的，步骤(1)中采用的板材为AlNP/Al复合板，步骤(2)中采用的陶瓷粉末为氮化镁粉末。
进一步的，铺设的氮化镁粉末层的厚度为0.15mm-0.5mm。
进一步的，步骤(3)中的真空热压处理具体为：真空度小于0.5Pa，压力为100—150MPa，保温温度为550—600℃，保温时间为120—180min；保温过程中氮化镁(Mg3N2)与铝基复合板基体发生原位置换反应：Mg3N2+2Al→3Mg+2AlN，新生成的氮化铝(AlN)颗粒作为复合板材间添加的增强相。
步骤(4)中的轧制具体为：轧制预热温度350—450℃，保温时间10-20min，压下量40％-60％；
步骤(5)中的退火处理具体为：退火温度200—250℃，退火时间15-20min，冷却方式为随炉冷却。
一种层状铝合金/铝基复合板材，采用上述的方法制备。
一种层状镁合金/镁基复合板材的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：镁合金板/镁基复合板表面粗化处理；
步骤(2)：在相互堆叠的两个镁合金板/镁基复合板之间均匀铺设粒径≤2μm的陶瓷粉末；
步骤(3)：对步骤(2)得到的堆叠后的板进行真空热压处理，粉末和板材表面间在真空高温高压的回复和再结晶对板进行初步的结合固定，将两块板间填充满；
步骤(4)：对真空热压后的堆叠板的四角进行固定，进行轧制，轧制后水冷；
步骤(5)：对轧后板材进行退火处理；
步骤(6)：对退火后的板进行线切割，得到大小相同的两块并重复上述步骤。
一种层状镁合金/镁基复合板材，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)与传统累积叠轧相比，该发明在粗化的铝/镁合金板之间铺设一定厚度的粒径小于2μm的陶瓷粉末，通过真空热压，经过表面粗化的铝合金板材和引入的细小的陶瓷粉具有较大的表面自由能，为烧结过程提供驱动力，晶粒之间、晶粒与粉体之间发生回复、再结晶和长大，可以完全的填充板间的空隙并实现板材的初步结合，板材间无空气流通防止可避免接触面氧化。
(2)本发明采用氮化镁粉末进行填充，氮化镁与铝的可原位置换反应制备内生AlN纳米增强颗粒，纯度较高且与基体界面结合良好，提高界面结合强度和结合质量；还原出的镁元素随着后续轧制中的热处理固溶于周围铝基体，产生固溶强化作用，提高材料性能。
(3)调控VPH前合金板间氮化镁粉厚度，VHP过程中的压力大小、保温温度以及保温时间得到无空隙的、无残余氮化镁粉体聚集的板间结合层，相应的，粉层厚度过小会导致烧结驱动力不足，无法实现界面结合，粉层厚度过厚会导致中心处有大量的粉体残留，界面结合质量低；调控轧制前预热温度、轧制后退火处理参数提高板材塑性变形能力。
(4)本发明的方法适用于铝、镁及其合金等易被氧化的金属的累积叠轧，能够克服传统叠轧中存在表面氧化层的问题，避免叠轧时两个板间接触面生成氧化层，本发明的方法具有普适性，可以提高合金界面的结合性进而优化材料的综合性能。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程示意图。
图2为本发明实施例的结合界面组织示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的一种制备铝基异构复合板材的方法，通过该方法能获得高强度高塑性且界面结合良好，内部几乎没有氧化层的层状铝基复合材料。
首先对铝合金板材进行打磨清洗等表面处理，然后将氮化镁分均匀分散在相互堆叠的两合金板之间，将堆叠好的合金板进行真空热压，对热压后的板材进行轧制并在轧制后进行低温退火去除残余应力，将得到的板材切割为大小相等的两块，重复上述步骤即可得到具有良好性能的异构复合板材。相应的，在真空热压过程中，经过表面粗化的铝合金板材和引入的细小的氮化镁粉具有较大的表面自由能，为烧结过程提供驱动力，且氮化镁可以与铝基体发生置换反应，生成细小的氮化铝颗粒和金属镁，晶粒之间、晶粒与粉体之间发生回复、再结晶和长大，可以完全的填充板间的空隙并实现板材的初步结合。
如图1所示，本发明的特征包含以下步骤：
步骤1：根据实验需求准备铝合金板材，粒度≤2μm的氮化镁粉，使用目数≤30的砂纸打磨铝合金板材，打磨后使用无水乙醇清洗表面，放置在丙酮中超声处理，然后将氮化镁粉均匀分散在相互堆叠的两合金板之间。
步骤2：堆叠后的合金板进行VHP(vacuum hot press)处理，粉体和板材表面间在真空高温高压下的回复和再结晶对合金板进行初步的结合固定。
步骤3：对真空热压后的铝合金板在四个角打孔并使用铁丝固定，防止板材间结合力不足，在受轧制力作用下发生错动，之后进行热轧，轧制预热温度350—450℃，保温时间10min，压下量50％，轧制后水冷，界面处少量的镁元素固溶到周围的铝基体中，降低附近铝基体层错能，配合后续轧制变形有助于晶粒细化。
步骤4：对轧制后板材进行退火，退火温度200—250℃，退火时间15min，冷却方式为随炉冷却。
步骤5：将退火后的合金板材使用电火花线切割的方法切分为大小相同的两片并重复上述步骤。
实施例1
步骤一：取尺寸为100mm*30mm*2mm的AlNP/Al复合材料板作为原始板，使用目数为30的砂纸对其进行打磨后使用无水乙醇清洗表面，然后在丙酮中超声处理20min。在打磨过的板材表面均匀铺一层粒度≤2μm的氮化镁粉，厚度0.2mm，将另一打磨过的板材叠放在上面。
步骤二：将堆叠的板材在真空度为0.05Pa，压力大小为100MPa，温度为600℃，保温时间120min条件下进行真空热压。
步骤三：对真空热压得到的铝合金板固定四个角后进行热轧，轧制预热温度450℃，保温时间10min，压下量50％。
步骤四：对轧制后板材进行退火，退火温度200℃，退火时间15min，冷却方式为随炉冷却。
步骤五：将退火后的合金板材使用电火花线切割的方法切分为大小相同的两片，并作为新的板片重复上述步骤三次。
实施例2
步骤一：取尺寸为100mm*30mm*2mm的AlNP/Al复合材料板作为原始板，使用目数为30的砂纸对其进行打磨后使用无水乙醇清洗表面，然后在丙酮中超声处理20min。在打磨过的板材表面均匀铺一层粒度≤2μm的氮化镁粉，厚度0.2mm，将另一打磨过的板材叠放在上面。
步骤二：将堆叠的板材在真空度为0.05Pa，压力大小为150MPa，温度为550℃，保温时间180min条件下进行真空热压。
步骤三：对真空热压得到的铝合金板固定四个角后进行热轧，轧制预热温度350℃，保温时间10min，压下量50％。
步骤四：对轧制后板材进行退火，退火温度200℃，退火时间15min，冷却方式为随炉冷却。
步骤五：将退火后的合金板材使用电火花线切割的方法切分为大小相同的两片，并作为新的板片重复上述步骤三次。
实施例3
步骤一：取尺寸为100mm*30mm*2mm的AlNP/Al复合材料板作为原始板，使用目数为30的砂纸对其进行打磨后使用无水乙醇清洗表面，然后在丙酮中超声处理20min。在打磨过的板材表面均匀铺一层粒度≤2μm的氮化镁粉，厚度0.4mm，将另一打磨过的板材叠放在上面。
步骤二：将堆叠的板材在真空度为0.05Pa，压力大小为150MPa，温度为600℃，保温时间180min条件下进行真空热压。
步骤三：对真空热压得到的铝合金板固定四个角后进行热轧，轧制预热温度450℃，保温时间10min，压下量50％。
步骤四：对轧制后板材进行退火，退火温度250℃，退火时间15min，冷却方式为随炉冷却。
步骤五：将退火后的合金板材使用电火花线切割的方法切分为大小相同的两片，并作为新的板片重复上述步骤三次。
本发明实施例1-3得到的板材的结合界面组织如图2所示，从图2可以看出氮化镁与铝置换生成氮化铝颗粒且与基体结合良好，镁元素固溶于铝基体，板材间界面结合处无氧化层，也就是说通过本发明的方法，能够避免传统累积叠扎中界面处氧化层对性能的不利影响，提高界面处结合质量。

Claims (4)

1.一种层状铝基复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：铝基复合板表面粗化处理，采用的铝基复合板为AlNP/Al复合板；
步骤(2)：在相互堆叠的两个铝基复合板之间均匀铺设粒径≤2μm的陶瓷粉末，采用的陶瓷粉末为氮化镁粉末；铺设的氮化镁粉末层的厚度为0.15mm-0.5mm；
步骤(3)：对步骤(2)得到的堆叠后的板进行真空热压处理，粉末和板材表面间在真空高温高压的回复和再结晶对板进行初步的结合固定，将两块板间填充满；
步骤(4)：对真空热压后的堆叠板的四角进行固定，进行轧制，轧制后水冷；
步骤(5)：对轧后板材进行退火处理；
步骤(6)：对退火后的板进行线切割，得到大小相同的两块并重复上述步骤；
步骤(3)中的真空热压处理具体为：真空度小于0.5Pa，压力为100—150MPa，保温温度为550—600℃，保温时间为120—180min；
步骤(4)中的轧制具体为：轧制预热温度350—450℃，保温时间10-20min，压下量40％-60％；
步骤(5)中的退火处理具体为：退火温度200—250℃，退火时间15-20min，冷却方式为随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中粗化处理后的铝基复合板的表面粗糙度≥Ra3.2。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，粗化处理具体为：使用目数≤30的砂纸打磨铝基复合板；
打磨后使用无水乙醇清洗表面，放置在丙酮中超声处理。
4.一种层状铝基复合板材，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的方法制备。
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