CN114411072B - 一种梯度结构铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度结构铝合金材料及其制备方法，将铝合金铸锭进行均匀化处理，线切割成棒材，然后固溶水淬处理，获得成分均匀的粗晶结构铝合金棒材，最后经扭转变形处理，获得梯度结构铝合金材料；所述铝合金棒材的晶粒尺寸≧100μm。本发明将铝合金铸锭进行均匀化处理，固溶处理获得成分均匀的粗晶结构的铝合金棒材，经扭转变形工艺，实现在高层错能金属中引入梯度分布的位错形变微结构，即位错密度表层最高而芯部最低，呈现由高到低的连续梯度变化，同时保留原始态的晶粒尺寸，在变形过程中，梯度结构之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变，通过位错强化及背应力强化获得强度与塑性的良好匹配，制备高强度高塑性的铝合金材料。

Description

一种梯度结构铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种梯度结构铝合金材料及其制备方法。

背景技术

超高强铝合金的强化方式有很多种，近年的研究主要集中于优化合金成分设计、发展新型热处理制度及探索塑性变形工艺等方面，以改变合金的位错、晶粒、第二相、纳米析出相等微观组织的状态和分布，进而调控合金性能。在上述强化方式中，强度与塑性通常是互斥的，而如何协调强度与塑性二者之间的关系，获得高强度和高塑性是铝合金的重要研究方向。

近年来，科研工作者提出设计梯度结构合金的概念，使材料充分发挥不同区域组织的特点及优势，进而优化金属材料综合性能。与传统的均匀金属材料相比，金属梯度材料的设计是通过改变材料从芯部到表面的晶粒尺寸、缺陷、相等结构以提供强化作用，而材料在整体变形过程中，梯度层之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变会产生独特的强韧化机制，由此实现对金属材料综合力学性能的调控。目前通过塑性变形产生的缺陷梯度结构大都应用于钢、Cu合金、高熵合金等金属体系，实现了增强、增韧效果，但缺乏相应的工艺制备出梯度结构强化的铝合金材料，而实现铝合金强度和塑性的协同提高是发展高性能铝合金材料亟需解决的重要科学问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度、高塑性梯度结构铝合金材料及其制备方法。本发明的工艺过程简单高效，通过扭转变形构筑梯度分布的微结构，实现铝合金材料强度的明显提升，并且使其延伸率保持较高水平。克服了现有铝合金制备过程中强度-塑性的“倒置”关系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种梯度结构铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：将铝合金铸锭进行均匀化处理，再线切割成棒材，然后固溶水淬处理，获得成分均匀的粗晶结构铝合金棒材，最后经扭转变形处理，获得梯度结构铝合金材料；所述铝合金棒材的晶粒尺寸≧100μm。

铝合金作为中高层错能材料，其塑性变形主要是通过位错的滑移来实现，因此本发明巧妙的通过扭转变形引入梯度分布的位错形变微结构，从而改善强、塑性，而发明人发现，只有采用粗晶结构的铝合金(晶粒尺寸≧100μm)，通过扭转制备梯度结构铝合金的晶粒尺寸较大，才能在提升强度时，同步提升塑性，而晶粒过小则会出现塑性的损失。

优选的方案，所述铝合金铸锭，按质量百分比计，其成分组成如下：锌 (Zn)5.7-6.7％；镁(Mg)1.9-2.6％；铜(Cu)2.0-2.6％；锆(Zr)0.08-0.15％；钛 (Ti)≤0.06％；锰(Mn)≤0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。

其中，杂质中铁(Fe)≤0.15％、硅(Si)≤0.12％。

本发明铝合金锭通过铸锭冶金法制备，按照上述配料成分采用合金原料或元素单质进行配料，经铸造所得铝合金锭即符合上述成分。

发明人发现，上述成分的铝合金最终经本发明的工艺处理后，力学性能最优。

优选的方案，所述均匀化处理的温度为460-480℃，均匀化处理的时间为 20-24h。

在本发明中，通过在上述范围内的均匀化处理，可以消除微观偏析，使得熔铸的第二相回溶完全，从而确保力学性能。

优选的方案，所述均匀化处理后空冷至室温。

优选的方案，所述固溶水淬处理的过程为，先将棒材于470-480℃进行固溶处理，保温1-3h，然后水冷至室温。

通过固溶处理，进一步回溶第二相获得过饱和固溶体，使合金具有良好的塑性，通过固溶处理后，即获得了获得具有良好加工性能的成分均匀的粗晶结构的铝合金棒材。

优选的方案，所述铝合金棒材的晶粒为近等轴晶，所述晶粒尺寸为100-200 μm。

发明人发现，粗晶有利于促使合金保持良好的塑性，扭转变形后塑性不易损失，将晶粒尺寸控制在上述范围，最终梯度结构铝合金材料的性能最优。

优选的方案，所述铝合金扭转变形处理的棒材轴向标距长度大于10mm，直径为4-10mm。

发明人发现，对于铝合金棒材的直径会对梯度结构铝合金材料的性能有一定的影响，将直径控制在上述范围内，最终所得梯度结构铝合金材料的性能最优，而直径若过大，导致圆棒表面应变过大，容易萌生裂纹；而若直径过小，则梯度范围较小，扭转变形强化不明显。

优选的方案，所述扭转变形处理时，扭转变形速率为60-120度/分钟，变形量(扭转角)为45度-90度。

本发明的扭转变形处理，采用单向较大角度的扭转工艺，工艺方法简单可控，效率高，通过扭转变形处理，在金属材料表面至芯部形成位错密度逐渐降低的梯度结构，导致显微硬度值由外至内也呈现递减的变化，同时能保留原始态的晶粒尺寸，梯度结构之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变，通过位错强化及背应力强化获得强度与塑性的良好匹配，进而制备高强度高塑性的铝合金材料。

本发明的扭转变形处理的工艺条件对最终的效果有一定的影响，如若扭转角度过小强化效果不明显，而扭转角度过大可能萌生裂纹，降低力学性能。

本发明还提供上述制备方法所制备的梯度结构铝合金材料。

优选的方案，所述梯度结构铝合金材料，表面至芯部具有位错密度逐渐降低的梯度结构。

优选的方案，所述梯度结构铝合金材料，抗拉强度为500-540MPa，同时均匀拉伸伸长率为17.6-18.6％。与传统的时效强化工艺相比，经过扭转变形处理的铝合金具有较高强度的同时明显提升了其塑性。

原理与优势

本发明的制备方法中，将铝合金铸锭进行均匀化处理，固溶处理获得具有良好加工性能的成分均匀的粗晶结构的铝合金棒材，然后经单向较大角度的扭转变形工艺，实现在高层错能金属中引入梯度分布的位错形变微结构，即位错密度表层最高而芯部最低，呈现出由高到低的连续梯度变化，同时能保留原始态的晶粒尺寸，在变形过程中，梯度结构之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变，通过位错强化及背应力强化获得强度与塑性的良好匹配，进而制备高强度高塑性的铝合金材料。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供一种提高铝合金材料综合力学性能的方法，利用室温扭转变形工艺，在棒状铝合金材料表面至内部形成梯度分布的剪切塑形应变，进而引入梯度分布的位错形变微结构，同时维持了粗晶结构，因此，经扭转变形处理的铝合金具有与原始结构相当的塑性，同时提高了强度，具有良好的强度和塑性匹配。

2、与其他类似性能水平的铝合金相比，本发明制备的高强度高塑性铝合金，生产工艺简单可控，处理效率高，工序时间短，节省了生产成本，制备的铝合金强度和塑性得到协同提高，使之满足航空航天、汽车等领域的应用需求。

附图说明

图1：本发明对铝合金试样施加扭转变形工艺的过程示意图；

图2：本发明实施例2中铝合金施加扭转变形后从表面到芯部的晶粒结构分布图，其中：图2(a)为表层微观结构，图2(b)为芯部微观结构；可以看到表层为平均粒径183μm的近等轴晶，芯部为平均粒径188μm的近等轴晶，晶粒尺寸无明显变化。

图3：本发明实施例2中铝合金施加扭转变形后表面和芯部的位错分布图，其中：图3(a)为表层位错分布，图3(b)为芯部位错分布；可以看到表层位错密度最高，而芯部位错密度最低。

图4：本发明对铝合金施加扭转变形后由于变形梯度引起的维氏硬度沿径向的梯度分布图，硬度值沿着径向从表面至芯部逐渐增加，且随着扭转角度的增加，硬度值也逐渐升高；

图5：本发明扭转变形制备得到的高强度高塑性铝合金的准静态拉伸曲线。

具体实施方式

结合本发明的方法提供以下实例

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以下本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程。

以下实施例所用铝合金，按质量百分比计，其组成如下：锌(Zn)5.7-6.7％；镁(Mg)1.9-2.6％；铜(Cu)2.0-2.6％；锆(Zr)0.08-0.15％；钛(Ti)≤0.06％；锰 (Mn)≤0.10％；余量为Al和不可避免的杂质，如铁(Fe)≤0.15％、硅(Si)≤0.12％；

实施例1：

一种具有梯度结构的高强度高塑性铝合金材料制备方法，制备过程如下：

S1：采用铸锭冶金法制备铝合金铸锭，

S2：将S1步骤得到的铝合金铸锭在470℃条件下进行均匀化处理，均匀化处理时间为20h；然后采用线切割为棒材，所述铝合金棒材的标距尺寸为φ5mm×30mm。

S3：将S2步骤得到的铝合金棒材在475℃条件下进行固溶处理，保温1h，保温结束后水冷至室温，得到成分均匀的平均粒径为187μm的粗晶结构铝合金，使合金具有良好的加工性能；

S4：将S3步骤得到的铝合金进行扭转变形，扭转角度为45度，扭转变形速率为60度/分钟，获得梯度结构铝合金。

将上述步骤得到的梯度结构铝合金进行室温单向拉伸试验，试样的标距尺寸为φ5mm×30mm，拉伸测试速率为1毫米/分钟，测试过程中利用接触式引伸计测试样品标距的长度变化，获得合金室温拉伸抗拉强度为501.0MPa，延伸率为 18.6％。

实施例2：

一种具有梯度结构的高强度高塑性铝合金材料制备方法，制备过程如下：

S1：采用铸锭冶金法制备铝合金铸锭。

S2：将S1步骤得到的铝合金铸锭在470℃条件下进行均匀化处理，均匀化处理时间为20h；然后采用线切割为棒材，所述铝合金棒材的标距尺寸为φ5mm×30mm。

S3：将S2步骤得到的铝合金在475℃条件下进行固溶处理，保温1h，保温结束后水冷至室温，得到成分均匀的平均粒径为185μm的粗晶结构铝合金，使合金具有良好的加工性能；

S4：将S3步骤得到的铝合金进行扭转变形，扭转角度为90度，扭转变形速率为60度/分钟，获得梯度结构铝合金。

将上述步骤得到的梯度结构铝合金进行室温单向拉伸试验，试样的标距尺寸为φ5mm×30mm，拉伸测试速率为1毫米/分钟，测试过程中利用接触式引伸计测试样品标距的长度变化，获得合金室温拉伸抗拉强度为541.1MPa，均匀延伸率为17.6％。

对比例1：

本发明制备普通退火态晶粒结构铝合金的方法，制备过程如下：

S1：采用铸锭冶金法制备铝合金材料，原料按质量百分比为：锌(Zn)5.7-6.7％；镁(Mg)1.9-2.6％；铜(Cu)2.0-2.6％；锆(Zr)0.08-0.15％；钛(Ti)≤0.06％；锰 (Mn)≤0.10％；余量为Al和不可避免的杂质，如铁(Fe)≤0.15％、硅(Si)≤0.12％。

S2：将S1步骤得到的铝合金在470℃条件下进行均匀化处理，均匀化处理时间为20h；

S3：将S2步骤得到的铝合金在475℃条件下进行固溶处理，保温1h，保温结束后水冷至室温，得到成分均匀的粗晶结构铝合金。

将上述步骤得到的普通退火态粗晶铝合金进行室温单向拉伸试验，试样的标距尺寸为φ5mm×30mm，拉伸测试速率为1毫米/分钟，测试过程中利用接触式引伸计测试样品标距的长度变化，获得合金室温拉伸抗拉强度为481.6MPa，均匀延伸率为19.8％。因此，普通退火态粗晶结构铝合金虽然具有良好的拉伸塑性，但其抗拉强度较低。

对比例2：

本发明另一对比方案为：

S1：采用铸锭冶金法制备铝合金材料，原料按质量百分比为：锌(Zn)5.7-6.7％；镁(Mg)1.9-2.6％；铜(Cu)2.0-2.6％；锆(Zr)0.08-0.15％；钛(Ti)≤0.06％；锰 (Mn)≤0.10％；余量为Al和不可避免的杂质，如铁(Fe)≤0.15％、硅(Si)≤0.12％。

S2：将S1步骤得到的铝合金在470℃条件下进行均匀化处理，均匀化处理时间为20h；

S3：将S2步骤得到的铝合金在475℃条件下进行固溶处理，保温1h，保温结束后水冷至室温，得到成分均匀的粗晶结构铝合金；

S4：将S3步骤得到的铝合金样品进行峰时效热处理(T6)，时效工艺为： 120℃保温24小时。

将上述步骤得到的峰时效状态铝合金进行室温单向拉伸试验，试样的标距尺寸为φ5mm×30mm，拉伸测试速率为1毫米/分钟，测试过程中利用接触式引伸计测试样品标距的长度变化，获得合金室温拉伸抗拉强度为594.1MPa，均匀延伸率为8.1％。因此，虽然时效态铝合金具有良好的抗拉强度，但其拉伸塑性较低。

结果表明，本发明提出的通过对铝合金样品进行扭转变形处理，导致其芯部至边缘的组织引入位错密度逐渐递增的梯度结构，在材料变形过程中组织的不均匀性产生了强烈的强韧化作用，进而提升铝合金的综合力学性能，实现强度和塑性的良好匹配。

Claims (6)

1.一种梯度结构铝合金材料的制备方法，其特征在于：将铝合金铸锭进行均匀化处理，再线切割成棒材，然后固溶水淬处理，获得成分均匀的粗晶结构铝合金棒材，最后经扭转变形处理，获得梯度结构铝合金材料；所述梯度结构铝合金材料，表面至芯部具有位错密度逐渐降低的梯度结构；

所述铝合金铸锭，按质量百分比计，其成分组成如下：锌 5.7-6.7%；镁 1.9-2.6%；铜2.0-2.6%；锆 0.08-0.15%；钛≤0.06%；锰≤0.10%；余量为Al和不可避免的杂质；

所述铝合金棒材的晶粒为近等轴晶，晶粒尺寸为100-200 μm；所述铝合金扭转变形处理的棒材轴向标距长度大于10 mm，直径为4-10mm；所述扭转变形处理时，扭转变形速率为60-120度/分钟，变形量为45度-90度。

2.根据权利要求1所述的一种梯度结构铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述均匀化处理的温度为460-480℃，均匀化处理的时间为20-24h。

3.根据权利要求1所述的一种梯度结构铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述均匀化处理后空冷至室温。

4.根据权利要求1所述的一种梯度结构铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述固溶水淬处理的过程为，先将棒材于470-480℃进行固溶处理，保温1-3h，然后水冷至室温。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法所制备的梯度结构铝合金材料。

6.根据权利要求5所述的梯度结构铝合金材料，其特征在于：所述梯度结构铝合金材料，抗拉强度为500~540MPa，同时均匀拉伸伸长率为17.6~18.6％。

Images