CN114054773B - 析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法 - Google Patents

析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法。包括如下步骤：(1)选用至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金或铝粉末，采用粉末增材的方法将粉末逐层成型，得到增材坯料；(2)对步骤(1)得到的增材坯料真空加热保温之后进行热轧，热轧时保持轧制温度在400‑500℃，累积轧制应变量为50％‑90％，热轧结束进行水冷；(3)将步骤(2)获得的铝合金板材放入油浴环境下进行时效处理，温度在100‑200℃之间，时间在0.5‑100h，得到析出相非均匀分布的叠层异构铝合金。本发明领用“选区激光熔化‑热轧‑异构时效处理”的方式，获得兼具强度和塑性的性能良好的由两种或者多种析出相非均匀分布且硬度差异明显的铝合金组成的叠层异构铝合金板材。

Description

析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法。
背景技术
金属铝具有较多金属不具备的密度低(2.7g/cm3)、耐腐蚀、可塑性好、延展性好(40％左右)、对光和热的反射性能好等特点，所以在生活中它常被应用于航空航天、交通运输、建筑、能源动力、电器家具等很多领域。但是纯铝的抗拉强度很低，在80-100MPa范围内。而通常可以通过固溶、时效处理等方式将不同合金融合在一起，大幅度提高铝合金的强度，例如7075铝合金的抗拉强度可以达到600MPa以上，但是它的延伸率比纯铝要低很多，仅为10％左右。将这两者结合在一起可以同时解决两者的问题，而结合所得到的完美效果大多数是处于理想状态，现实情况不会那么美好。因此，强度和韧性这对矛盾体普遍存在于传统金属材料之中。
如何更好地结合两种或多种材料，并同时提高材料的强度和韧性，获得高强高韧的材料,是目前材料的研究热点。经过对现有技术的文献检索发现Zhang等人在《MaterialsScience&Engineering A》，598(2014)106-113上发表的“Improvement of mechanicalproperties in SUS304L steel through the control of bimodal microstructurecharacteristics”(通过控制双峰组织特征提高SUS304L钢的力学性能)中介绍了一种利用球磨和热压烧结制备由细晶和粗晶组成的双峰结构304L不锈钢，实现了综合力学性能的提高。该技术的特点如下：(1)制得的多晶粒尺度块体板材，力学性能优异；(2)通过工艺控制混晶的比例、尺寸等微观结构，从而获得不同力学性能的高强高韧304板材，但是，这种方式制备的混晶材料组元较为单一。
通过进一步文献检索发现，Ma等人在《Scripta Materialia》材料快报，2015，103：57-60上发表的“Strain hardening and ductility in a coarse-grain/nanostructurelaminate material”(粗晶/纳米晶层片状材料的应力硬化和韧性研究)一文中，介绍了一种利用高压扭转变形制备层片结构Cu合金材料，并通过热处理获得粗晶/纳米晶的多晶粒尺度层片结构，其中纳米晶层的晶粒尺寸为100nm左右，而粗晶层的晶粒尺寸为4μm。该技术的特点如下：(1)制备的材料界面结合质量好；(2)制得的叠层Cu合金板材具有出色的力学性能，在维持纳米晶Cu的高强度，同时由于其还具备超强的应变硬化能力，使该材料还在一定程度上保持了粗晶Cu的优异的均匀延伸率。但是，该技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高压扭转获得的样品尺寸太小，并且对设备、模具的要求很高，无法进行大批量的工业生产和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叠层异构铝合金板材的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：增材制造：选用至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金或铝粉末，采用粉末增材的方法将粉末逐层成型，得到增材坯料，增材坯料中相邻层的铝合金或铝层的时效硬化行为不同；
步骤(2)：热轧：对步骤(1)得到的增材坯料真空加热保温之后进行热轧，得到铝合金板材，热轧时保持轧制温度在400-500℃，累积轧制应变量为50％-90％，热轧结束进行水冷；
步骤(3)：异构时效处理：将步骤(2)获得的铝合金板材放入油浴环境下进行时效处理，温度在100-200℃之间，时间在0.5-100h，最后得到析出相非均匀分布的叠层异构铝合金。
进一步的，步骤(1)中的增材成型为选区激光熔化。
进一步的，步骤(1)中选区激光熔化采用的金属粉末的粒径为20-100μm，成型的每层铝合金或铝层的厚度为1-5mm，激光扫描每层的厚度为20-50μm。
进一步的，步骤(1)中选区激光熔化的激光功率为150-400W，扫描间距50-150μm，扫描速度为0.5-2.0m/s。
进一步的，步骤(1)选区激光熔化过程中持续通惰性气体进行保护。
进一步的，所述惰性气体为氩气。
进一步的，步骤(2)中真空加热保温具体为：在真空炉中450-550℃下保温1-2h。
进一步的，所述“至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金或铝粉末”为：
铝粉末和至少一种与铝时效硬化行为不同的铝合金粉末；
或者，至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金粉末。
进一步的，“铝粉末和至少一种与铝时效硬化行为不同的铝合金粉末”中的两种及以上时，不同的铝合金粉末之间的时效硬化行为不同。
一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材，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)本发明的制备方法，通过“激光熔覆-热轧-时效处理”制备具有优异性能的铝合金板，具体来说，采用激光熔覆的方式对不同时效析出行为的铝合金粉末进行成型，得到的坯料中不同种的铝合金或铝之间冶金结合、组织致密、界面结合好，避免板粉或者板板热机械结合时因为界面或者未融化的粉末产生的开裂、剥离等缺陷；本发明对激光熔覆形成的坯料进行热轧处理，使得轧制过程保持在坯料的固溶温度范围内，在使激光熔覆后的坯料致密化的同时进行固溶，便于后续加工；固溶之后立即进行水淬，避免粗大析出相的形成，水淬之后进行时效，控制析出相的尺寸和密度；即通过本发明的“激光熔覆-热轧-时效处理”得到界面结合好，一层具有均匀的纳米级析出相铝合金、相邻层具有少量或者无纳米级析出相的铝合金或铝，得到的异构铝合金板材兼具高强高韧性能。
(2)激光选区熔化技术直接将金属粉末熔化烧结成型，可以得到致密度高，界面结合效果好的叠层金属材料。
(3)可以通过调整激光选区熔化过程中堆叠粉末的厚度灵活地调控叠层异构铝合金中不同成分铝合金层的厚度，进而调控板材的力学性能。
(4)可以通过调节时效热处理工艺，调节析出相尺寸、密度，和铝合金层的硬度，进而调节叠层异构铝合金的力学性能。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程示意图。
图2为本发明制备的异构铝合金板材示意图。
附图标记说明：
1-保护气体充入装置，2-粉料缸，3-成型缸，4-纯铝，5-7075铝合金，6-铺粉装置，7-刮刀，8-激光器，9-激光，10--坯料，11-真空炉，12-轧辊，13-水槽，14--板材，15-油浴炉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种采用选区激光熔化方式对两种或两种以上具有不同析出强化效果的铝合金粉末进行逐层熔化，得到叠层铝合金坯料，然后，通过热轧减少坯料中的孔隙并达到固溶的效果，最后结合时效热处理，调控第二相的微观结构、密度和分布，制备出叠层异构铝合金板材的方法。该技术可以使得坯料内部的粉末界面无氧化夹杂而且连续完整，较其他方式有更多的优点，也具有很好的强化和协调变形作用。并且，该方法可以灵活调控各个熔化层的厚度，调节叠层异构铝合金不同组元之间的比例。此外，在时效处理后，板材内部会发生不同尺度的析出行为，析出相密度高的区域形成硬层，析出相密度低的区域形成软层。在变形过程中，软硬片层之间协调变形产生显著的异变诱导应力强化，从而获得高强高韧的叠层异构铝合金材料。
如图1所示，一种叠层异构铝合金板材的制备方法，包含选区激光熔化、热轧和异构时效处理三步工序，首先利用选区激光熔化的方式使合金粉末逐层熔化烧结获得铝合金叠层材料，然后通过热轧使选区激光熔化得到的叠层材料致密性提高，消除激光熔化过程中孔隙缺陷，并达到固溶的效果，最后经过异构时效热处理使析出相在叠层铝合金中非均匀析出，得到叠层异构铝合金。
本发明技术方案的实现包括以下步骤；
第一步，选区激光熔化：首先在激光器控制软件中输入所要打印材料的三维CAD模型，用MAGICS切片软件将零件的三维模型按照铺粉层的厚度切片分层，从而得到激光扫描路径信息,每层厚度为20-50μm；然后，在粉料缸中从下至上按一定顺序铺上不同铝合金粉末，合金粉末粒径在20-100μm，每层铝合金粉末厚度在1-5mm；按照已设定的激光扫描的工艺参数进行，激光扫描烧结一层结束，粉料缸上升一定距离，成型缸下降一定距离(具体数值由切片分层的厚度决定)，刮刀将粉料缸的粉末刮入成型缸，这样逐步堆叠扫描熔化后得到叠层铝合金，堆叠总层数在2层以上。激光烧结的激光功率为150-400W，扫描间距50-150μm，扫描速度为0.5-2.0m/s，过程中持续通惰性气体进行保护。
第二步，热轧：对激光选区熔化得到的叠层铝合金进行热轧，将样品放在真空炉450-550℃下保温1-2h，然后立即进行轧制，轧制过程中温度保持在400-500℃，累积轧制应变量范围为50％-90％，热轧结束迅速进行水冷。
第三步，异构时效处理：将热轧获得的铝合金板材放入油浴环境下进行时效处理，温度在100-200℃之间，时间在0.5-100h，最后得到析出相非均匀分布的叠层异构铝合金。
实施例1
1.选区激光熔化：在激光器控制软件中输入200mm(X)*150mm(Y)*10mm(Z)尺寸的CAD模型，用MAGICS切片软件将三维模型按照铺粉层的厚度切片分层，每层厚20μm。从下到上按纯铝/7075/纯铝/7075……的顺序在粉料缸中铺入粒径为25μm的纯铝和7075铝合金粉末，每层厚度为1mm，总层数为10层。激光功率为200W，扫描间距50μm，扫描速度为0.5m/s，过程中持续通氩气进行保护；
2.热轧：将从选区激光熔化得到的坯料切取40mm*30mm*10mm的块状样品，在真空炉450℃下保温1h后进行轧制，总变形量为60％后轧制结束，迅速水冷；
3.异构时效处理：将轧制后的板材进行切割后放在150℃油浴环境下，进行时效处理，处理时间为10h，最后得到叠层异构铝合金。
实施例2
1.选区激光熔化：在激光器控制软件中输入200mm(X)*150mm(Y)*20mm(Z)尺寸的CAD模型，用MAGICS切片软件将三维模型按照铺粉层的厚度切片分层，每层厚20μm。从下到上按纯铝/7075/纯铝/7075……的顺序在粉料缸中铺入粒径为25μm的纯铝和7075铝合金粉末，每层厚度为2mm，总层数为10层。激光功率为200W，扫描间距50μm，扫描速度为0.5m/s，过程中持续通氩气进行保护；
2.热轧：将从选区激光熔化得到的坯料切取40mm*30mm*20mm的块状样品，在真空炉480℃下保温1h后进行轧制，总变形量为80％后轧制结束，迅速水冷；
3.异构时效处理：将轧制后的板材进行切割后放在120℃油浴环境下，进行时效处理，处理时间为24h，最后，得到叠层异构铝合金。
实施例3
1.选区激光熔化：在激光器控制软件中输入200mm(X)*150mm(Y)*12mm(Z)尺寸的CAD模型，用MAGICS切片软件将三维模型按照铺粉层的厚度切片分层，每层厚20μm。从下到上按纯铝/7075/纯铝/7075……的顺序在粉料缸中铺入粒径为25μm的纯铝和7075铝合金粉末，其中纯铝每层厚度1mm，7075每层2mm，总层数为8层。激光功率为200W，扫描间距50μm，扫描速度为0.5m/s，过程中持续通氩气进行保护；
2.热轧：将从选区激光熔化得到的坯料切取40mm*30mm*12mm的块状样品，在真空炉480℃下保温1h后进行轧制，总变形量为80％后轧制结束，迅速水冷；
3.异构时效处理：将轧制后的板材进行切割后放在120℃油浴环境下，进行时效处理，处理时间为24h，最后，得到叠层异构铝合金。

Claims (10)

1.一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：增材制造：选用至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金或铝粉末，采用粉末增材的方法将粉末逐层成型，得到增材坯料，增材坯料中相邻层的铝合金或铝层的时效硬化行为不同；
步骤(2)：热轧：对步骤(1)得到的增材坯料真空加热保温之后进行热轧，得到铝合金板材，热轧时保持轧制温度在400-500℃，累积轧制应变量为50％-90％，热轧结束进行水冷；
步骤(3)：异构时效处理：将步骤(2)获得的铝合金板材放入油浴环境下进行时效处理，温度在100-200℃之间，时间在0.5-100h，最后得到析出相非均匀分布的叠层异构铝合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的增材成型为选区激光熔化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中选区激光熔化采用的金属粉末的粒径为20-100μm，成型的每层铝合金或铝层的厚度为1-5mm，激光扫描每层的厚度为20-50μm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中选区激光熔化的激光功率为150-400W，扫描间距50-150μm，扫描速度为0.5-2.0m/s。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)选区激光熔化过程中持续通惰性气体进行保护。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中真空加热保温具体为：在真空炉中450-550℃下保温1-2h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述“至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金或铝粉末”为：
铝粉末和至少一种与铝时效硬化行为不同的铝合金粉末；
或者，至少两种具有不同时效硬化行为的铝合金粉末。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，“铝粉末和至少一种与铝时效硬化行为不同的铝合金粉末”中的两种及以上时，不同的铝合金粉末之间的时效硬化行为不同。
10.一种析出相非均匀分布的叠层异构铝合金板材，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。
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