CN113789488A - 一种zl107铝合金梯度材料及其制备方法 - Google Patents

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吴思远
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Abstract

本发明公开了一种ZL107铝合金梯度材料及其制备方法，所述制备方法利用高压扭转设备成形出ZL107铝合金梯度材料，包括将铝片移至高压扭转设备的模具中，所述模具具有与铝片大小匹配的型腔；将高压扭转设备的圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载压力，使其沿中轴线作直线运动；使高压扭转设备的的下模绕中轴线作旋转运动，调整下模的旋转圈数，得到ZL107铝合金梯度材料。本发明的晶粒能够细化至纳米级别，其硬度和强度得到有效的提升，并且从中心沿半径方向材料的晶粒细化程度逐渐增大，边缘达到纳米级别，呈现梯度变化。

Description

一种ZL107铝合金梯度材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米晶块体材料技术领域，尤其涉及一种ZL107铝合金梯度材料及其制备方法。
背景技术
近几十年来，针对铝合金的发展进行了许多的研究，也逐渐使得铸造铝合金的性能有了质的飞越，利用许多先进的处理方法和技术使得其整体性能也逐渐可以满足工业的进一步应用。目前主流的研究类型有以下几种，如铝铜系和铝硅系合金。铝铜系具有高强度、高塑性和高韧性的特点，但是相比于铝硅系，它的铸造性能较差。另外，此系列合金抵抗腐蚀的能力也较差。因此，在工业化的生产中存在明显的缺点不足，如汽车的生产过程对合金的韧性要求很高，尤其是汽车行业所使用的铸件的要求。然而铝硅系合金的强度和硬度相较于其它系合金较为一般，而且其韧性也比较低，因此一般来说铝硅系是不属于高强韧铝合金这一类别的。针对它具有的该缺陷，国内外开展了大量的研究，也进一步发展出了各种新的牌号合金，例如ZL系，与铝铜系和铝硅系一致，其本质都是通过将金属合金化以此来进一步提高其力学性能。
在我国很多基础工程和尖端科技，如航空航天、电子信息等领域中，对于材料的性能要求极高，因此高性能材料占据了很重要的地位，同时它也是目前国际上高新技术竞争中最为激烈的领域之一。它的发展是国家安全和基础设施建设的重要保障，除此之外，它还对传统工业的发展起到巨大的推动作用。而组织超细化正是目前国际上研究改良高性能材料的主流方向之一，通过将材料晶粒细化，一方面能够极大增加材料的强度以此满足工业需求，另一方面还能够使得结构件更为轻量化，满足降低重量的要求，从而能够减少对资源的使用，使资源的利用更为高效高质。
过去的晶粒细化工艺手段主要利用热机械处理手段来对金属进行晶粒细化，但这种传统的工艺手段存在一定的缺陷，其处理后的晶粒尺寸通常只是处于微米级别，而想要得到纳米级别的晶粒则是十分困难的。过去几年中，如何生产超细晶粒材料以及对该种材料的力学性能的探究也慢慢受到了越来越多的注意。相比较于传统的加工工艺手段，通过对材料中的晶粒进行超细化处理对于其性能的强化效果更为明显，能够极大的提升材料的整体性能，不仅如此，经过晶粒细化后的金属材料还具备其他工艺手段不具备的特性，即高应变速率和低温超塑性。除此之外，经过晶粒细化工艺手段后，杂质元素在晶界处的偏析能够有效的减小，因此可以有效地提高晶粒在晶界处的强度和蠕变性能。
研究表明，当材料经过高压下的剧烈塑性变形后，其塑性变形能力得到极大地体现，还能确保在产生较大的应变发生的同时材料本身并没有失效，因此一方面可以得到明显细化的组织结构，另一方面材料的性能也能得到较大的提升，从而为提升材料组织结构和力学性能提供了更为高效的方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种晶粒细化程度高、力学性能好的ZL107铝合金梯度材料；本发明的另一目的是提供一种ZL107铝合金梯度材料的制备方法。
技术方案：本发明的ZL107铝合金梯度材料，按照质量百分比，所述的铝合金梯度材料的组成为：Si:6.5～7.5wt.％，Cu:3.5～4.5wt.％，杂质总含量：砂型铸造≤1.0wt.％；金属型铸造≤1.2wt.％，其余为Al；所述的铝合金梯度材料的晶粒细化程度从中心沿半径方向逐渐增大，在边缘达到了纳米级。
进一步地，所述的铝合金梯度材料局部组织中树枝晶CuAl2生长在Si相之中。
上述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，利用高压扭转设备成形出ZL107铝合金梯度材料，包括以下步骤：
(1)将铝片移至高压扭转设备的模具中，所述模具具有与铝片大小匹配的型腔；
(2)将高压扭转设备的圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载压力，使其沿中轴线作直线运动；
(3)使高压扭转设备的的下模绕中轴线作旋转运动，调整下模的旋转圈数，得到ZL107铝合金梯度材料。
进一步地，步骤(1)中，铝片的高径比为0.05～0.06，所述高径比为厚度与直径的比值。
进一步地，步骤(2)中，加载设备压力≥2Gpa。
进一步地，步骤(2)中，上模材料为H13钢。
进一步地，步骤(3)中，调整下模的旋转转速为1.0～1.5圈/分钟，转圈≥10圈。
本发明利用能够沿中轴线作直线运动的圆形上模与能够绕中轴线作回转运动的旋转下模构成高压扭转设备，由沿中轴线作直线运动的上模与能够绕中轴线的下模在成型过程中封闭型腔的两端，使旋转下模内形成闭塞的型腔，通过本发明所述的方法制得ZL107铝合金梯度材料的硬度和强度能够得到明显的提升材料，并且从中心沿半径方向材料晶粒细化程度逐渐增大，边缘达到了纳米级，呈现梯度变化，具有其他工艺手段不具备的高应变速率和低温超塑性，同时ZL107铝合金梯度材料的杂质元素在晶界处的偏析能够有效减小，能够有效地提高晶粒在晶界处的强度和蠕变性能，除此之外，由于ZL107铝合金梯度材料的具有轻量化的特点，能够满足降低重量的要求，从而减少对资源的使用，使资源的利用更为高效高质。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)晶粒能够细化至纳米级别，其硬度和强度得到有效的提升，并且从中心沿半径方向材料的晶粒细化程度逐渐增大，边缘达到纳米级别，呈现梯度变化；(2)高应变速率和低温超塑性；(3)晶粒在晶界处的强度和蠕变性能增强，ZL107铝合金梯度材料的杂质元素在晶界处的偏析能够有效减小；(4)ZL107铝合金梯度材料能够使结构件轻量化，满足降低重量的要求，从而减少对资源的使用，使资源的利用更为高效高质。
附图说明
图1为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料实物图；
图2为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料在不同扭转圈数下的硬度分布云图；
图3为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料圆心处的金相组织图；
图4为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为1个单位长度的金相组织图；
图5为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为2个单位长度的金相组织图；
图6为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为3个单位长度的金相组织图；
图7为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为4个单位长度的金相组织图；
图8为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为5个单位长度的金相组织图；
图9为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为6个单位长度的金相组织图；
图10为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料半径D为7个单位长度的金组织相图；
图11为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料SEM扫描显微组织图；
图12为实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料EDS能谱区域线扫描图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
一种ZL107铝合金梯度材料，按照质量百分比，所述的材料ZL107铝合金组成为：Si:7wt.％，Cu:4wt.％，其余为Al。
ZL107铝合金梯度材料的制备方法包括：
(1)将厚度与直径的比值0.05的铝片移至设有与铝片尺寸匹配的型腔的模具中；
(2)将上述圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载2GPa的压力，使其沿中轴线作直线运动；
(3)调整下模的旋转转速1圈/分钟，圈数为10圈，使上述下模绕中轴线作旋转运动，以此来使该铝片发生剪切变形。
通过上述方法制得的铝合金梯度材料晶粒细化程度从中心沿半径方向逐渐增大，在边缘达到了纳米级；所述ZL107铝合金梯度材料局部组织中树枝晶CuAl2生长在Si相之中。
实施例1所得到的ZL107铝合金梯度材料经硬度实验并绘制出其硬度分布云图如图2所示，可以发现如下规律：随着高压扭转圈数的增加，试样的整体硬度逐渐提高，试样中间硬度低，四周硬度高，并且从中心沿半径方向硬度呈现逐渐增大的整体趋势。
如图3～10所示，金相显微镜观察实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料。从中心至边缘的金相图中可以发现：试样越靠近边缘晶粒破碎越明显，即试样从中心沿半径方向晶粒细化程度逐渐增大，呈现梯度变化。
如图11所示，实施例1制得的ZL107铝合金梯度材料经EDS能谱线扫描局部组织可以发现树枝晶CuAl2生长在块状Si相之中；通过图12所示线扫描图可以判断出ZL107铝合金各相分布。
实施例2
一种ZL107铝合金梯度材料，按照质量百分比，所述的材料ZL107铝合金组成为：Si:6.5wt.％，Cu:4.5wt.％，其余为Al。
ZL107铝合金梯度材料的制备方法包括：
(1)将厚度与直径的比值0.06的铝片移至设有与铝片尺寸匹配的型腔的模具中；
(2)将上述圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载3GPa的压力，使其沿中轴线作直线运动；
(3)调整下模的旋转转速1.5圈/分钟，圈数为12圈，使上述下模绕中轴线作旋转运动，以此来使该铝片发生剪切变形。
通过上述方法制得的ZL107铝合金梯度材料晶粒细化程度从中心沿半径方向逐渐增大，在边缘达到了纳米级；所述ZL107铝合金梯度材料局部组织中树枝晶CuAl2生长在Si相之中。
实施例3
一种ZL107铝合金梯度材料，按照质量百分比，所述的材料ZL107铝合金组成为：Si:7.5wt.％，Cu:3.5wt.％，其余为Al。
ZL107铝合金梯度材料的制备方法包括：
(1)将厚度与直径的比值0.55的铝片移至设有与铝片尺寸匹配的型腔的模具中；
(2)将上述圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载3.5GPa的压力，使其沿中轴线作直线运动；
(3)调整下模的旋转转速1.2圈/分钟，圈数为15圈，使上述下模绕中轴线作旋转运动，以此来使该铝片发生剪切变形。
通过上述方法制得的ZL107铝合金梯度材料晶粒细化程度从中心沿半径方向逐渐增大，在边缘达到了纳米级；所述ZL107铝合金梯度材料局部组织中树枝晶CuAl2生长在Si相之中。
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 (7)

1.一种ZL107铝合金梯度材料，其特征在于，按照质量百分比，所述的铝合金梯度材料的组成为：Si:6.5～7.5wt.％，Cu:3.5～4.5wt.％，杂质总含量：砂型铸造≤1.0wt.％；金属型铸造≤1.2wt.％，其余为Al；所述的铝合金梯度材料的晶粒细化程度从中心沿半径方向逐渐增大，在边缘达到了纳米级。
2.根据权利要求1所述的ZL107铝合金梯度材料，其特征在于，所述的铝合金梯度材料局部组织中树枝晶CuAl2生长在Si相之中。
3.一种如权利要求1-2任一所述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，其特征在于，利用高压扭转设备成形出ZL107铝合金梯度材料，包括以下步骤：
(1)将铝片移至高压扭转设备的模具中，所述的模具具有与铝片大小匹配的型腔；
(2)将高压扭转设备的圆形上模压入型腔之内，利用加载设备对铝片加载压力，使其沿中轴线作直线运动；
(3)使高压扭转设备的的下模绕中轴线作旋转运动，调整下模的旋转圈数，得到ZL107铝合金梯度材料。
4.根据权利要求3所述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铝片的高径比为0.05～0.06。
5.根据权利要求3所述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加载设备压力≥2Gpa。
6.根据权利要求3所述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，上模材料为H13钢。
7.根据权利要求3所述的ZL107铝合金梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，调整下模的旋转转速为1.0～1.5圈/分钟、圈数>10圈。
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