CN114457298B

CN114457298B - 一种纳米晶铝合金的制备方法

Info

Publication number: CN114457298B
Application number: CN202210100566.6A
Authority: CN
Inventors: 李承波; 郑学军; 刘胜胆; 刘洋; 朱戴博; 肖博
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: CN114457298A

Abstract

本发明公开了一种纳米晶铝合金的制备方法，该制备方法包括以下步骤：将铝合金依次进行挤压、超低温搅拌加工、超低温变形和时效处理；所述超低温搅拌加工的温度为‑100℃～‑200℃；所述超低温变形的温度为‑150～‑200℃。本发明的制备方法在超低温环境下将搅拌摩擦加工与变形相结合，显著细化了晶粒，晶粒尺寸可以细化至50nm，大大提高了铝合金的强度、伸长率和断裂韧性性能；再通过纳米晶组织与时效工艺相结合，获得了高强耐蚀铝合金。

Description

一种纳米晶铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种纳米晶铝合金的制备方法。

背景技术

随着航空航天工业、汽车工业、轨道交通工业、电子通信工业等领域对轻质高强材料需求的增长，同时对材料综合性能的要求也越来越高。为了制备高强度超细晶金属材料，开发了很多大塑性变形方法，如等通道挤压、高压扭转、累积叠轧、深冷轧制等技术。这些技术中，等通道挤压、高压扭转技术利用大的纯剪切应变实现材料的晶粒细化，广泛用来研究超细晶材料细晶机理，但是这两项技术不能够用来制备大尺寸超细晶板带产品。累积叠轧技术通过控制叠轧过程中轧制压下率保持50％，重复叠合后轧件厚度不变，且随着轧制道次增加材料累积应变量增大来实现材料晶粒的细化，用来制备超细晶板带材料，但是该工艺工序长，生产过程复杂、材料边部易产生裂纹，制约了该技术的推广应用。

传统加工变形(如热/冷轧制、锻造、挤压等)过程中存在的变形/温度不均匀性及回复/再结晶等会导致如亚晶转变、晶粒长大、相析出等组织演变或转变。因而，采用传统加工变形手段很难实现Al及其合金晶粒结构的超微细化(如晶粒尺寸≤1μm)，而且还存在坯件内组织、性能不均匀问题。这主要归因于较低的变形应变或缺陷累积能力无法增加或提高被加工件内的有效变形。

因此，需要开发一种纳米晶铝合金的制备方法，利用制备方法制得的铝合金材料的强度高。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，利用制备方法制得的铝合金材料的强度高。

具体如下，本发明提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金依次进行挤压、超低温搅拌加工、超低温变形和时效处理；

所述超低温搅拌加工的温度为-100℃～-200℃；

所述超低温变形的温度为-150～-200℃。

根据本发明铝合金制备方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

本发明针对现有技术的缺陷，将超低温摩擦搅拌加工与超低温变形相结合，摩擦搅拌加工利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、晶粒破碎，同时为了防止在高速的摩擦搅拌加工过程中，产生大量的热，导致晶粒长大粗化，采用在超低温的环境中进行摩擦搅拌加工，实现材料微观组织的致密化、均匀化和细化，将铝合金的晶粒尺寸从微米级细化至亚微米级(100μm减小至1μm)。

后续再通过超低温变形(轧制、拉拔和锻造)将铝合金材料的晶粒尺寸从亚微米级细化至纳米级(1μm减小至100nm以下)，超低温变形技术通过抑制变形过程中晶粒的位错运动及动态再结晶来促使晶粒细化的。超低温变形制备铝合金时的主要强化机制为位错和小角度晶界机制。通过超低温变形后的力学性能均超过冷变形(室温变形)后的力学性能，主要原因是铝合金超低温变形过程中晶粒尺寸大幅减小了。超低温变形过程中，材料内部形成高的位错密度，这些高密度的位错演变为晶界，实现材料晶粒细化。大量的高密度位错及纳米晶的存在，为后续的时效析出提供大量形核位置，通过时效工艺的调控，在确保高强度的情况下，还具有很好的耐腐蚀性能。

搅拌摩擦加工是一种新型固相加工技术。搅拌摩擦加工技术FSP基于搅拌摩擦焊接的思想，利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观组织细化均匀化和致密化。该技术主要应用在材料微观结构改性、细晶超塑性材料制备、复合材料制备等方面。它是一种高效的加工技术，具有广阔的发展前景。

FSP技术是一种新型、优质和绿色的加工技术，具有操作简单、无污染、对设备要求低以及成本低廉等优点。该技术目前主要应用在材料微观结构改性、细晶超塑性材料制备、复合材料制备等方面。

搅拌摩擦加工技术基本原理为：搅拌摩擦加工主要通过搅拌头的高速旋转和移动实现，搅拌头由轴肩和搅拌针组成。搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌，其旋转产生的剪切摩擦热将搅拌针周围的金属变软进而热塑化，使加工部位的材料产生塑性流变，搅拌头高速旋转的同时沿加工方向与工件相对移动，热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移，并且在搅拌头轴肩的锻造作用下产生强塑性变形。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压的挤压比为40～60。

挤压比过低，挤压变形不充分，不能形成完全的再结晶组织；挤压比过高，挤压成形困难，容易开裂。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压的温度为450℃～550℃。

挤压温度过低，挤压成形困难，组织差；挤压温度过高，挤压容易开裂，内部组织会出现过烧，性能大幅下降。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压的温度为500℃～550℃。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压的速度为10m/min～30m/min。

挤压速度过低，生产效率低下，温降厉害，性能不均匀；挤压速度过高，挤压温升太快，容易出现挤压开裂。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压的出口冷却速率30℃/s～60℃/s。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温搅拌加工的搅拌头转速为6000rmp～12000rpm。

搅拌头转速过低，搅拌不充分，组织细化效果不显著；搅拌头转速过高，容易产生搅拌裂纹。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温搅拌加工的搅拌头前进速度为100mm/min～200mm/min。

搅拌头前进速度过低，生产效率低小，温升太快，组织细化效果不佳；搅拌头前进速度过高，搅拌不均匀，晶粒组织不均匀。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温搅拌加工的轴肩下压量1mm～3mm。

轴肩下压量的控制为了调控搅拌过程中金属的塑性流动，破损原始大晶粒，获得细小晶粒，下压量太小，金属塑性变形不均匀，晶粒细化效果不好，下压量太大，搅拌过程中温升太快，也会导致晶粒粗化。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温变形的总变形量为20％～50％。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温变形的总变形量为30％～50％。

总变形量过低，晶粒细化效果不佳；总变形量过高，容易发烧开裂。

根据本发明的一些实施方式，所述时效处理为三级时效处理；

其中，第一级时效处理的温度为20℃～80℃；第二级时效处理的温度为80℃～160℃；第三级时效处理的温度为40℃～100℃。

根据本发明的一些实施方式，所述第一级时效处理的温度为60℃～80℃。

第一级时效处理为了时效GP区析出形核，温度过低，析出数量太少尺寸太小，温度过高，析出尺寸太大。

根据本发明的一些实施方式，所述第二级时效处理的温度为80℃～120℃。

第二级时效处理为了晶界析出相长大转变，进一步提高材料强度和耐腐蚀性能，温度过低，长大不明显，温度过高，析出相回溶。

根据本发明的一些实施方式，所述第三级时效处理的温度为70℃～80℃。

第三级时效处理为了晶内进一步析出细小均匀的GP区，进一步提高材料强韧性，温度过低，析出不明显，温度过高，析出相粗化严重。

根据本发明的一些实施方式，所述第一级时效处理的温度低于第二级时效处理的温度。

根据本发明的一些实施方式，所述第三级时效处理的温度低于第二级时效处理的温度。

根据本发明的一些实施方式，所述第一级时效处理的时间为120h～2400h。

根据本发明的一些实施方式，所述第一级时效处理的时间为240h～2400h。

根据本发明的一些实施方式，所述第二级时效处理的时间为2h～480h。

根据本发明的一些实施方式，所述第二级时效处理的时间为10h～480h。

根据本发明的一些实施方式，所述第三级时效处理的时间为48h～240h。

根据本发明的一些实施方式，所述第三级时效处理的时间为120h～240h。

时效时间过短，析出相形核长大不明显，析出相尺寸少数量少；时效时间过长，析出相粗化严重，强度下降显著。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温变形后制得纳米晶，所述纳米晶的尺寸为20nm～100nm。

根据本发明的一些实施方式，所述超低温变形后制得纳米晶，所述纳米晶的尺寸为50nm～100nm。

根据本发明的一些实施方式，所述纳米晶的尺寸为50nm。

根据本发明的一些实施方式，所述铝合金由以下重量分数的组分组成：Zn：4～10％，Mg：0～3％，Cu：0～3％，Cr+Mn+Zr≤0.1％，Fe≤0.1％，Fe/Si≥2，余量为Al。

根据本发明的一些实施方式，所述铝合金中Cr的质量分数为0％～0.05％。

根据本发明的一些实施方式，所述铝合金中Mn的质量分数为0％～0.05％。

根据本发明的一些实施方式，所述铝合金中Zr的质量分数为0％～0.05％

根据本发明的一些实施方式，所述纳米晶铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、铝合金挤压处理：

将铝合金进行挤压处理，得挤压铝合金；

其中，挤压处理的工艺参数如下：挤压比40～60，挤压温度450℃～550℃，挤压速度10m/min～30m/min，挤压出口冷却速率30℃/s～60℃/s；

S2、超低温搅拌摩擦加工：

将步骤S1制得的挤压铝合金在冷却液中放置60min～150min，冷却液的温度-100℃～-200℃，搅拌头的转速6000rmp～12000rpm，搅拌头前进速度100mm/min～200mm/min，轴间下压量1mm～3mm，搅拌过程中采用冷却介质对挤压铝合金和搅拌头进行全程冷却；制得搅拌加工铝合金；

S3、超低温变形：

板材在冷却液中放置60min～120min，冷却液的温度-150℃～-200℃，而后取出进行变形，总变形量20％～50％，变形速率40mm/s～100mm/s，变形过程中采用液氮进行冷却；制得变形铝合金；

S4、时效热处理：

将步骤S3制得的变形铝合金进行三级时效处理；

所述三级时效处理包括以下步骤：

第一级：保温温度20℃～80℃，保温时间120h～2400h；

第二级：保温温度80℃～160℃，保温时间2h～480h，冷却；

第三级：保温温度40℃～100℃，保温时间48h～240h。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3中所述变形包括拉拔和轧制。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4中所述冷却的冷却速度为50℃/s～100℃/s。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压铝合金中晶粒为等轴的再结晶晶粒。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压铝合金中晶粒尺寸为90μm～110μm。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压铝合金中晶粒尺寸为100μm±5μm。

根据本发明的一些实施方式，所述挤压铝合金中晶粒尺寸约为100μm。

根据本发明的一些实施方式，所述搅拌加工铝合金中晶粒为亚微米级的等轴晶粒。

根据本发明的一些实施方式，所述搅拌加工铝合金中晶粒尺寸为1μm～5μm。

根据本发明的一些实施方式，所述搅拌加工铝合金中晶粒尺寸为0.9μm～2μm。

根据本发明的一些实施方式，所述变形铝合金中晶粒为纳米级的晶粒。

所根据本发明的一些实施方式，述变形铝合金中晶粒尺寸为50nm～100nm。

本发明中“约”代表误差为±1％。

附图说明

图1为本发明实施例1中制得的挤压铝合金的金相组织图。

图2为本发明实施例1中制得的搅拌加工铝合金的扫描电镜组织图。

图3为本发明实施例1中制得的变形铝合金的透射电镜图(标尺为100nm)。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下实施例中铝合金为：Al-7.2Zn-1.8Mg-0.2Cu合金板材(Zn：7.2％，Mg：1.8％，Cu：0.2％，Cr+Mn+Zr≤0.1％，Fe：0.06％，Si：0.02％，余量为Al)，宽度为200mm，厚度为10mm，长度为600mm：

下面详细描述本发明的具体实施例。

本发明实施方式中挤压中所用挤压机的型号为：SY-3000T。

本发明实施方式中挤压比的计算方法为挤压筒的面积比上产品的截面积。

本发明实施方式中搅拌摩擦处理所用设备为：FSW-LM-B。

实施例1

本实施例一种纳米晶铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S1、将铝合金铸锭进行挤压，挤压比55，挤压温度500℃，挤压速度20m/min，挤压出口冷却速率50℃/s；得挤压铝合金。

S2、将步骤S1制得的挤压铝合金采用超低温搅拌摩擦加工方法进行处理，具体操作如下：将挤压铝合金在冷却液中放置120min，冷却液的温度-197℃，搅拌头的转速10000rpm，搅拌头前进速度150mm/min，轴间下压量2mm，搅拌过程中采用冷却介质(液氮)对挤压铝合金和搅拌头进行全程冷却；制得搅拌加工铝合金。

S3、将步骤S2制得的搅拌加工铝合金进行超低温变形，具体操作如下：将搅拌加工铝合金板材在冷却液中放置90min，冷却液的温度-197℃，而后取出进行快速拉拔，拉拔变形量30％，拉拔速率60mm/s，拉拔过程中采用液氮对拉拔模进行冷却；制得变形铝合金。

S4、时效热处理：

将步骤S3制得的变形铝合金进行三级时效热处理，具体操作如下：

第一级：保温温度60℃，保温时间240h；

第二级：保温温度80℃，保温时间10h，快速冷却(冷却速度为：60℃/s)；

第三级：保温温度70℃，保温时间120h。

实施例2

本实施例一种纳米晶铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S4、时效热处理：

第一级：保温温度60℃，保温时间240h；

第二级：保温温度120℃，保温时间10h，快速冷却(冷却速度为：60℃/s)；

第三级：保温温度70℃，保温时间120h。

实施例3

本实施例一种纳米晶铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S4、时效热处理：

第一级：保温温度60℃，保温时间240h；

第二级：保温温度160℃，保温时间10h，快速冷却(冷却速度为：60℃/s)；

第三级：保温温度70℃，保温时间120h。

对比例1

本对比例一种铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S4、时效热处理：

将步骤S3制得的变形铝合金进行T6时效热处理，具体操作如下：

保温温度120℃，保温时间24h。

对比例2

本对比例一种铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S4、时效热处理：

将步骤S3制得的变形铝合金进行T7时效热处理，具体操作如下：

第一级：保温温度120℃，保温时间12h；

第二级：保温温度160℃，保温时间16h。

对比例3

本对比例一种铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S2、将步骤S1制得的挤压铝合金进行T6时效热处理，保温温度120℃，保温时间24h。

对比例4

本对比例一种铝合金的制备方法，由以下步骤组成：

S2、将步骤S1制得的挤压铝合金进行T7时效热处理，

第一级：保温温度120℃，保温时间12h；

第二级：保温温度160℃，保温时间16h。

本发明实施例1～3和对比例1～4制得的铝合金的性能测试结果见表1。

性能测试方法如下：

力学性能检测标准：GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法。

腐蚀测试标准：GB/T 7998-2005铝合金晶间腐蚀测定方法。

表1本发明实施例1～3和对比例1～4制得的铝合金的性能测试结果

从表1的测试结果可以看出，本发明纳米晶采用常规的T6和T7热处理工艺，相比常规的铝合金板材，耐腐蚀性能有明显的提升，强度也有一定的提升。纳米晶采用新型的时效热处理工艺，确保高强度的同时，还具有很好的耐腐蚀性能。

第二级时效温度的升高，会导致时效析出相的长大和粗化，尤其是晶界析出相长大粗化，晶界析出相粗化，可以提高耐腐蚀性能，应力腐蚀指数和晶间腐蚀深度均降低；晶内析出相也会长大，强化效果减弱，导致强度有所下降。

本发明采用纳米晶纳米强化相强化合金，通过三级时效粗化晶界析出相，提高耐腐蚀性能，由于是纳米晶，能量高，所以时效工艺较常规工艺有很大的不同，时效的温度较低，采用多级时效，在具有很好的耐腐蚀性能的同时，还具有很高的强度。

本发明实施例1中制得的挤压铝合金的金相组织图见图1，从图1中得知挤压铝合金中组织为完全等轴的再结晶晶粒组织；晶粒尺寸100μm。

本发明实施例1中制得的搅拌加工铝合金的扫描电镜组织图见图2，搅拌加工铝合金组织为细小均匀的晶粒组织，挤压的完全再结晶晶粒组织被显著破碎细化；晶粒尺寸1μm～5μm。

本发明实施例1中制得的变形铝合金的透射电镜图见图3，变形铝合金组织为细小的纳米晶粒组织，超低温大塑性变形使得晶粒进一步细化，晶粒尺寸50nm～100nm。相关技术中通过等通道挤压、高压扭转技术大塑性变形技术不能够用来制备大尺寸超细晶板带产品。采用传统加工变形手段很难实现Al及其合金晶粒结构的超微细化(如晶粒尺寸≤1μm)；且加工的道次多，工艺流程长，效率低下。

本发明的一种高强耐蚀纳米晶的铝合金制备方法，在超低温环境下将剧烈塑性变形(搅拌摩擦加工)与剪切变形(轧制、拉拔)相结合，显著细化晶粒，晶粒尺寸可以细化至50nm，大大提高了铝合金的强度、伸长率、断裂韧性性能。相对于热变形、温变形、冷变形技术，超低温变形为一项变革性技术，它通常采用液态气体对产品进行冷却，使产品在深冷环境下进行塑性变形，超低温变形相比较于室温变形或者高温变形而言，由于变形温度较低，可以获得完全不同于常规变形制备的材料微观组织与力学性能，通过纳米晶组织与时效工艺相结合，可以获得高强耐蚀铝合金。

根据Hall-Petch公式，随着晶粒尺寸的减小，材料的变形抗力逐渐增大。对于大塑性变形方法制备的超细晶金属材料，一般情况下随着材料强度的增大会出现韧性降低的现象，然而，超低温变形获得纳米晶同时与时效工艺相结合，能够同时获得高强度和高耐腐蚀性。

综上所述，本发明将超低温摩擦搅拌加工技术与超低温变形技术相结合，摩擦搅拌加工技术利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、晶粒破碎和热暴露，同时为了防止在高速的摩擦搅拌加工过程中，产生大量的热，导致晶粒长大粗化，采用在超低温的环境中进行摩擦搅拌加工，实现材料微观组织的致密化、均匀化和细化，铝合金材料的晶粒尺寸从微米级细化至亚微米级(100μm减小至1μm)。后续再通过超低温变形(轧制、拉拔、锻造)将铝合金材料的晶粒尺寸从亚微米级细化至纳米级(1μm减小至100nm以下)，超低温变形技术是通过抑制变形过程中晶粒的位错运动及动态再结晶来促使晶粒细化的。超低温变形是一种具有降低生产成本、提高产品柔性潜能且具有工业应用前景的绿色可循环制造工艺。超低温变形相比较于室温变形和热变形而言，由于变形温度较低，可以获得完全不同于常规变形制备的材料微观组织与力学性能。超低温变形制备铝合金时的主要强化机制为位错和小角度晶界机制。通过超低温变形后的力学性能均超过冷变形(室温变形)后的力学性能，主要原因是铝合金超低温变形过程中晶粒尺寸大幅减小了。超低温变形过程中，材料内部形成高的位错密度，这些高密度的位错演变为晶界，实现材料晶粒细化。大量的高密度位错及纳米晶的存在，为后续的时效析出提供大量形核位置，通过时效工艺的调控，在确保高强度的情况下，还具有很好的耐腐蚀性能。

上面结合具体实施方式对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域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作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

所述超低温搅拌加工的温度为-100℃～-200℃；

所述超低温变形的温度为-150～-200℃；

所述时效处理为三级时效处理；

其中，第一级时效处理的温度为20℃～80℃；第二级时效处理的温度为80℃～160℃；第三级时效处理的温度为40℃～100℃；

所述超低温变形后制得纳米晶，所述纳米晶的尺寸为20nm～100nm。

2.根据权利要求1所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述挤压的挤压比为40～60；优选地，所述挤压的温度为450℃～550℃；优选地，所述挤压的速度为10m/min～30m/min；优选地，所述挤压的出口冷却速率30℃/s～60℃/s。

3.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述超低温搅拌加工的搅拌头转速为6000rmp～12000rpm；优选地，所述超低温搅拌加工的搅拌头前进速度为100mm/min～200mm/min。

4.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述超低温搅拌加工的轴肩下压量1mm～3mm。

5.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述超低温变形的总变形量为20％～50％。

6.根据权利要求5所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述第一级时效处理的时间为120h～2400h；所述第二级时效处理的时间为2h～480h；所述第三级时效处理的时间为48h～240h。

7.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述铝合金由以下重量分数的组分组成：Zn：4～10％，Mg：0～3％，Cu：0～3％，Cr+Mn+Zr≤0.1％，Fe≤0.1％，Fe/Si≥2，余量为Al。

8.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于：所述铝合金中Cr的质量份数为0％～0.05％；优选地，所述铝合金中Mn的质量份数为0％～0.05％；优选地，所述铝合金中Zr的质量份数为0％～0.05％。