CN113649413A - 一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料的轧制加工领域，具体是一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法。本发明是利用两块以上材质相同但晶粒尺寸或微观组织不同的轻合金板材，采用热轧方式，在轧制过程中发生不对称变形，通过重复轧制3到5次从而形成具有混晶结构的片层异构材料，实现材料的强塑性同时提高，解决了铸轧板材的中心偏析现象，且该片层异构材料易回收。该方法减少了材料的制备时间，缩短了工艺流程，降低了金属加工所需的能源消耗，符合节能减排，绿色生产的工业化发展理念。该工艺还减少了由于不同种材料在服役过程中可能出现的电化学腐蚀等潜在隐患，完美解决了叠轧材料使用后的分离回收问题，降低了材料后续的循环利用成本。

Description

一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材 的方法
技术领域
本发明涉及金属材料的轧制加工领域，具体是一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法。
背景技术
在全球工业化水平高速发展的大背景下，节能减排已经成为了匹配这种高强度发展模式不可回避的问题。对于传统以钢铁为基础的工业发展模式逐渐显露出不足，而轻量化的提出为航空航天、交通运输等领域开辟了新的道路。其中镁、铝合金作为轻量化金属的代表有着重要的研究意义。工业上主要通过等径角挤压、异步轧制、累积叠轧等大变形的方式作为改善合金组织，强化合金性能的方法。
异构材料作为一种新兴材料，受到人们的广泛关注，它是由力学性能或物理性能存在明显差异的异质区域组成的复合材料，借助异质区域的相互作用和耦合协同作用，可表现出比传统材料更为优异的性能。其中，累积叠轧工艺就是利用异种材质板料在变形过程中的不对称性，实现较大的变形量，具有细化晶粒明显、充分利用常规轧制设备等优势在生产多层异种金属复合材料中具有重要地位。发明专利CN110125181A公开了一种通过累积叠轧工艺制备稀合金的方法，主要通过将石墨烯附着在金属板材表面，然后通过多道次累积叠轧和退火的方式获得异质复合材料。这种复合材料极大地改善了单一材料的冲击韧性、耐磨损性，但该方法在轧制前需要对金属表面进行酸洗、碱洗、磨削等繁琐的方法来除油除锈，去除氧化皮，创造能够电镀石墨烯的表面质量需求，并且在多道次的轧制后还要进行多次的退火处理，能源消耗较大，仅限于实验室阶段，并不适合追求效率的大规模工业生产，此外，使用后金属的分离回收也是目前亟需解决的问题所在。
目前，铸轧工艺作为短流程生产轻合金板材的方式较为普遍，但这种亚快速凝固的方式让板材不可避免的会产生中心偏析现象，常规的均质处理和退火处理对元素均匀化的影响效果并不明显，因此往往会导致其各部分的性能具有较大差异，从而使板材的实际应用受到限制。
发明内容
为了克服上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法。轧制前不需任何均质热处理，而是利用轻合金板材自身晶粒尺寸和微观结构的不同，在轧制过程中产生不对称变形，从而形成片层结构，大大缩短了工艺耗时，在保证晶粒细化的前提下，提高了金属的凝固区间，实现材料的强塑性同时提高，解决了铸轧板材的中心偏析现象，且该片层异构材料易回收。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，包括以下步骤：
1)选择两块或两块以上材质相同，晶粒尺寸或微观结构不同且厚度也不等的轻合金铸轧板材；
2)轻合金板材的表面处理，并把板材按照厚薄的顺序叠在一起；
3)将两块板材紧密贴合后用铁丝或铆钉固定，然后放入加热箱中在200～450℃下保温5～15min；
4)调整每道次压下量，将样品送入轧辊之间进行轧制，并在轧制后立刻水淬；
5)将叠轧后的板材从中间切断；
6)重复步骤2)～5)，3～5次直至获得片层同质异构轻合金板材。
优选地，所选合金为镁、镁合金、铝、铝合金、钛、钛合金等轻合金板材
优选地，轧制板材的厚度可以分为薄板(厚度0.3～3mm)和厚板(厚度3～6mm)，累积叠轧所选板材组合为薄板加厚板。
优选地，步骤2)中可以先对板材表面用角磨机或砂纸打磨后，再用丙醇溶液进行冲刷，然后放入无水乙醇中进行超声清洗并烘干，保证完全去除附着在表面的杂质。
优选地：步骤3)中轧辊的温度设置为80～120℃，辊速为50～70rad/min。
优选地：步骤4)中地每道次轧制压下量选择15％～60％，当叠轧次数较小时可以选择较大压下量获得更好的结合效果；当叠轧次数较多时可以选择较小的压下量保证结合效果的同时可以进行更多道次的叠轧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明轧制前的样品不需要像其他传统大变形工艺一样需要进行长时间的均质处理保证材料整体性能的均衡，而是利用同种材质样品自身的晶粒尺寸或微观组织的不同在叠轧过程中产生不对称变形，从而形成片层结构，减少了材料的制备时间，缩短了工艺流程，大幅度降低了金属加工所需的能源消耗，符合节能减排，绿色生产的工业化发展理念。
2.本工艺有效的解决了铸轧板材的元素中心偏析现象，并且层状混晶结构既可以通过细晶部分提升材料的强度、硬度，又可以通过粗晶部分来改善材料的塑性、韧性从而使合金的使用性能大幅提高。
3.相对于传统的累积叠轧依靠的是不同种类材料在变形过程中的不对称性来增大变形量，细化晶粒。本发明选择了相同材质的板料，依靠其自身晶粒尺寸和微观结构的差异来实现变形的不对称，使得一块板材上下表面可以获得不同的性能，可以适应更多实际应用过程中的一些特殊情况，并且该工艺减少了由于不同种材料在长期复杂环境服役过程中可能出现的电化学腐蚀等潜在隐患。
4.本发明通过累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材能够有效的促进轧制过程中的动态再结晶的发生，细化晶粒，改善了合金的强度，并且由于采用的是同种材料进行叠轧，完美解决了叠轧材料使用后的分离回收问题，大大降低了材料后续的循环利用成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步了解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明制备的铝合金同质异构片层材料的光镜照片
图2是根据本发明制备的铝合金同质异构片层材料EBSD反极图
图3是根据本发明制备的铝合金同质异构片层材料不同区域的再结晶组织图
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案进行进一步详细地说明。
实施例1
一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法。包括以下步骤：
(a)选择合金体系为Al-1Mg-1.5Si(wt.％)，厚度为2.3mm和4.5mm的铝合金板材两块，将两块板材的待接触面用角磨机打磨光洁后用丙酮溶液进行冲刷，最后用无水乙醇清洗表面附着杂质后烘干备用；
(b)将表面处理完成的两块铝合金板材按照厚薄的顺序紧密贴合在一起，用铁丝将两端固定，将制备好的样品放入300℃的加热箱中保温9min；
(c)设置轧辊温度为100℃，转速为60rad/min，每道次压下量为50％后，将保温后的样品放入轧机进行叠轧，叠轧后的样品立刻进行水淬；
(d)将叠轧后的板材从中间切断；
(e)重复步骤(b)～(d)，3次后即可获得片层同质异构轻合金板材；
(f)将制备好的板材在175℃保温6h进行时效强化处理。
成形后的板材粗晶平均晶粒尺寸为3.6μm，细晶平均晶粒尺寸为2.9μm，屈服强度为192MPa，抗拉强度217MPa，断裂延伸率为16.9％。
实施例2
(a)选则合金体系为Al-0.9Mg-1.4Si(wt.％)，厚度分别为2mm和4mm的铝合金板材两块，将两块板材的待接触面用角磨机打磨光洁后用丙酮溶液进行冲刷，最后用无水乙醇清洗表面附着杂质后烘干备用；
(b)将表面处理完成的两块铝合金板材按照厚薄的顺序紧密贴合在一起，用铁丝将两端固定，将制备好的样品放入300℃的加热箱中保温10min；
(c)设置轧辊温度为100℃，转速为50rad/min，每道次压下量为50％后，将保温后的样品放入轧机进行叠轧，叠轧后的样品立刻进行水淬；
(d)将叠轧后的板材从中间切断
(e)重复步骤(b)～(d)，3次后即可获得片层同质异构轻合金板材；
(f)将制备好的板材在175℃保温6h进行时效强化处理。
成型后的板材粗晶平均晶粒尺寸为4.1μm，细晶平均晶粒尺寸3.7μm，屈服强度为177MPa，抗拉强度为203MPa，断裂延伸率为18.2％。
实施例3
(a)选则合金体系为Mg-2Al-1Sn-0.5Ca(wt.％)，厚度为2.1mm和3.9mm的镁合金板材两块，将两块板材的待接触面用角磨机打磨光洁后用丙酮溶液进行冲刷，最后用无水乙醇清洗表面附着杂质后烘干备用；
(b)将表面处理完成的两块镁合金板材按照厚薄的顺序紧密贴合在一起，用铁丝将两端固定，将制备好的样品放入275℃的加热箱中保温8min；
(c)设置轧辊温度为100℃，转速为50rad/min，每道次压下量为25％后，将保温后的样品放入轧机进行叠轧，叠轧后的样品立刻进行水淬；
(d)将叠轧后的板材从中间切断
(e)重复步骤(b)～(d)，5次后即可获得片层同质异构轻合金板材。
成型后板材粗晶的平均晶粒尺寸为3.3μm，细晶平均晶粒尺寸为2.9μm，屈服强度222MPa，抗拉强度284MPa，断裂延伸率19％。
实施例4
(a)选则合金体系为Mg-2Al-0.8Sn-0.5Ca(wt.％)，厚度分别为1.7mm和4.1mm的镁合金板材两块，将两块板材的待接触面用角磨机打磨光洁后用丙酮溶液进行冲刷，最后用无水乙醇清洗表面附着杂质后烘干备用；
(b)将表面处理完成的两块镁合金板材按照厚薄的顺序紧密贴合在一起，用铁丝将两端固定，将制备好的样品放入275℃的加热箱中保温7min；
(c)设置轧辊温度为100℃，转速为50rad/min，前两道次压下量50％，后两道次压下量25％，将保温后的样品放入轧机进行叠轧，叠轧后的样品立刻进行水淬；
(d)将叠轧后的板材从中间切断
(e)重复步骤(b)～(d)，4次即可获得片层同质异构轻合金板材。
成型后板材粗晶的平均晶粒尺寸为3.1μm，细晶的平均晶粒尺寸为2.7μm，屈服强度230MPa，抗拉强度287MPa，断裂延伸率20％。
上面对本发明的较佳实验方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)选择两块以上材质相同，晶粒尺寸或微观结构不同且厚度也不等的轻合金铸轧板材；
2)轻合金板材的表面处理，并把板材按照厚薄的顺序叠在一起；
3)将两块板材紧密贴合后用铁丝或铆钉固定，然后放入加热箱中在200～450℃下保温5～15min；
4)调整每道次压下量，将样品送入轧辊之间进行轧制，并在轧制后立刻水淬；
5)将叠轧后的板材从中间切断；
6)重复步骤2)～5)，3～5次直至获得片层同质异构轻合金板材。
2.根据权利要求1所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，所述的轻合金板材为镁、镁合金、铝、铝合金、钛或钛合金板材。
3.根据权利要求1所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，轧制板材的厚度可以分为薄板和厚板，累积叠轧所选板材组合为薄板加厚板；薄板的厚度为0.3～3mm，厚板的厚度为3～6mm。
4.根据权利要求1所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，步骤2)中的表面处理为：先对板材表面用角磨机或砂纸打磨后，再用丙醇溶液进行冲刷，然后放入无水乙醇中进行超声清洗并烘干，保证完全去除附着在表面的杂质。
5.根据权利要求1所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，步骤3)中轧辊的温度设置为80～120℃，辊速为50～70rad/min。
6.根据权利要求1所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，步骤4)中地每道次轧制压下量选择15％～60％。
7.根据权利要求6所述的通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法，其特征在于，当叠轧次数较小时选择较大压下量；当叠轧次数较多时选择较小的压下量。
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