CN113737115B - 一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料加工技术领域；在本发明中，先采用镦粗工艺处理坯料，然后进行分段控速挤压处理，获得高性能的铝基复合材料；制备得到的铝基复合材料具有均匀细小的晶粒组织、增强相与铝基体的界面结合良好、兼具高强度和高韧性等优点。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料加工技术领域，涉及一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料代替很多传统材料在航空航天、交通运输等许多工程领域中发挥着巨大的作用。颗粒增强铝基复合材料是以铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒为增强相的非均质混合物，其存在着难以兼备高强度与高韧性的缺陷，并且加工过程中还存在成形性差的不足。因此，研究新型铝基复合材料的强韧化手段以及新的强韧化机理，对研发高性能铝基复合材料及其推广应用具有重要的指导意义。
金属材料在强化的同时，会导致塑性和韧性的下降，令强度和韧性（塑性）呈现倒置现象，制约了金属材料的进一步强韧化。细化晶粒尺寸是改善铝基复合材料综合力学性能最有效的方法，在满足强度基础上，韧性也有很大程度提高，体现了良好的综合力学性能。等通道挤压工艺是制备超细晶材料方法中成本较低和设备较简单的一种，块状材料在流经垂直通道过程中累积了较大塑性变形量，晶粒变形破碎，组织得到细化，是目前制备大角度晶界超细晶材料的热门研究工艺，但常规等通道挤压条件下的晶粒破碎主要垂直于挤压方向，而沿挤压方向的晶粒破碎程度较弱，且大塑性变形通常需要加热导致晶粒长大，制约了晶粒尺寸的进一步细化，限制了等通道挤压技术在工业生产中的有效应用。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料及其制备方法。在本发明中，先采用镦粗工艺处理坯料，然后进行分段控速挤压处理，获得高性能的铝基复合材料；制备得到的铝基复合材料具有均匀细小的晶粒组织、增强相与铝基体的界面结合良好、兼具高强度和高韧性等优点。
本发明中首先提供了一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料，所述铝基复合材料晶粒均匀细小，晶粒尺寸为20~40μm，增强相颗粒与铝基体间界面结合良好，抗拉强度为191~225 MPa，延伸率为10.4%~16.2%。
进一步的，所述铝基复合材料为颗粒强化5、6或7系铝基复合材料中的任一种。
进一步的，所述铝基复合材料为钛镍颗粒强化6系铝基复合材料。
本发明中还提供了上述基于伺服成形的高强韧铝基复合材料的制备工艺，具体包括如下步骤：
（1）将铝基复合材料的坯料放入热处理炉进行加热和保温处理，保温结束后将坯料水平置于伺服压机工作台面上，利用伺服压机施加压力对坯料进行镦粗，镦粗比控制在2.5~3范围内；
（2）将镦粗后的坯料进行平整处理和超声波清洗，将坯料和等通道挤压模具分别加热和保温，然后将试样置入等通道挤压模具中，采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理，得到高强韧的铝基复合材料。
进一步的，步骤（1）中，加热温度为300~400℃，保温时间为20~40min。
进一步的，步骤（1）中，镦粗速度为0.5~2mm/s。
进一步的，步骤（2）中，加热温度为300~500℃，保温时间为30~60min。
进一步的，步骤（2）中，分段等通道挤压处理分为开始接触挤压至60%样品长度完成挤压阶段、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段和再挤压至完成等通道挤压阶段。
进一步的，开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为2~4mm/s，再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1~1.5mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.3~0.6mm/s。
进一步的，开始接触挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为2mm/s，再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1mm/s、再挤压至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.33mm/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明制备得到的铝基复合材料具有均匀细小的晶粒组织、颗粒与基体组织具有良好的冶金结合界面。相对于未进行镦粗处理的铝基复合材料抗拉强度为151Mpa和延伸率为10.2%，本发明制备的同种成分的铝基复合材料在同等实验条件下的抗拉强度为191~225MPa和延伸率为14.1%~17.6%，本发明中制备得到的铝基复合材料兼具高强度和高延伸性能，综合力学性能均得到显著提高，能够很好的用于航空和轨道交通领域的轻量化材料中。
常规等通道挤压工艺条件下的晶粒破碎主要垂直于挤压方向，而沿挤压方向的晶粒破碎程度较弱，且大塑性变形通常需要加热导致晶粒长大，制约了晶粒尺寸的进一步细化，限制了等通道挤压技术在工业生产中的有效应用。本发明在等通道挤压前采用镦粗工艺处理坯料，使坯料沿镦粗方向产生流线和发生晶粒碎化，造成等通道挤压时晶粒沿挤压（镦粗）方向的破碎程度显著增加，等通道挤压按照预设的速度进行分段挤压处理，分为开始挤压至60%样品长度完成挤压、再挤压至90%样品长度完成挤压、最后直至完成挤压的三个阶段，不同阶段的挤压速度不同，变形程度较小时采用较大的挤压速度，最大程度减少热挤压过程中晶粒的长大，获得高性能超细晶的铝基复合材料。
附图说明
图1为本发明实施例1制备材料的微观组织形貌图。
图2为本发明实施例4制备材料的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例设计的钛镍颗粒强化铝基复合材料为本领域广泛应用的公知材料。质量成分如下，Ti: 5~10%, Ni: 5%~10%, Cu: 0.15~0.4%, Mn: 0.15%, Mg: 0.8~1.2%, Zn:0.25%, Cr: 0.04~0.35%, Si: 0.4~0.8%, Fe≤0.7%, Al: 余量。
实施例1：
（1）取钛镍颗粒强化铝基复合材料的坯料，确保坯料断面平整，放入热处理炉进行加热和保温，其中加热温度为400℃，保温时间为30 min，然后水平置于伺服压机工作台面上；利用伺服压机施加压力进行镦粗，镦粗速度为1mm/s；
（2）将镦粗后的坯料进行平整处理和超声波清洗，然后将坯料和等通道挤压模具分别加热并保温，保温温度均为400℃，保温时间均为40min；接着将坯料置入等通道挤压模具中，采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理：开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为2mm/s、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.3mm/s，得到铝基复合材料。
对制备得到的铝基复合材料进行微观组织表征及满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试。如图1，晶粒尺寸为20~40μm，抗拉强度为225MPa，延伸率为17.6%。
实施例2：
与实施例1基本相同，但等通道挤压工艺参数有以下改变：采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理：开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为4mm/s、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1.5mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.6mm/s，得到铝基复合材料。
对制备得到的铝基复合材料进行微观组织表征及满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试。如图2，晶粒尺寸为20~40μm，抗拉强度为191MPa，延伸率为14.1%。
实施例3：
与实施例1基本相同，但等通道挤压工艺参数有以下改变：采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理：开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为3mm/s、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1.2mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.4mm/s，得到铝基复合材料。
对制备得到的铝基复合材料进行满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试。抗拉强度为207MPa，延伸率为15.2%。
实施例4：
与实施例1基本相同，但等通道挤压工艺参数有以下改变：采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理：开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为3.5mm/s、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1.3mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.5mm/s，得到铝基复合材料。
对制备得到的铝基复合材料进行满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试。抗拉强度为195MPa，延伸率为14.6%。
对比例1：
其他制备方法与实施例1相同，仅有如下区别：未进行镦粗变形，制备得到铝基复合材料。对制备得到的铝基复合材料进行满足GB 228-87要求的拉伸力学性能测试，抗拉强度为151MPa，延伸率为10.2%。
综上，同等实验条件下的抗拉强度和延伸率均明显低于经镦粗变形预处理的同种成分铝基复合材料。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于伺服成形的高强韧铝基复合材料的制备工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将铝基复合材料的坯料放入热处理炉进行加热和保温处理，保温结束后将坯料水平置于伺服压机工作台面上，利用伺服压机施加压力对坯料进行镦粗，镦粗比控制在2.5~3范围内；加热温度为300~400℃，保温时间为20~40min；镦粗速度为0.5~2mm/s；
（2）将镦粗后的坯料进行平整处理和超声波清洗，将坯料和等通道挤压模具分别加热和保温，然后将试样置入等通道挤压模具中，采用伺服压机按照预设的速度进行分段等通道挤压处理，得到高强韧的铝基复合材料；
所述加热温度为300~500℃，保温时间为30~60min；
所述分段等通道挤压处理分为开始接触挤压至60%样品长度完成挤压阶段、再挤压至90%样品长度完成挤压阶段和再挤压至完成等通道挤压阶段，开始挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为2~4mm/s，再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1~1.5mm/s、最后直至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.3~0.6mm/s。
2.根据权利要求1所述的基于伺服成形的高强韧铝基复合材料的制备工艺，其特征在于，开始接触挤压至60%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为2mm/s，再挤压至90%样品长度完成挤压阶段的挤压速度为1mm/s、再挤压至完成等通道挤压阶段的挤压速度为0.33mm/s。
3. 根据权利要求1或2任一项所述的制备工艺制备的基于伺服成形的高强韧铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料晶粒均匀细小，晶粒尺寸为20~40μm，所述铝基复合材料抗拉强度为191~225 MPa，延伸率为10.4%~16.2%。
4.根据权利要求3所述的基于伺服成形的高强韧铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料为颗粒强化5、6或7系铝基复合材料中的任一种。
5.根据权利要求4所述的基于伺服成形的高强韧铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料为钛镍颗粒强化6系铝基复合材料。
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