CN114752804A - 一种提高铝合金板材高温性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铝合金板材高温性能的方法，包括：(1)铸锭制备：将Al‑TiC中间合金加入到铝合金熔体中并搅拌，保温，精炼，恒温静置，捞渣后冷却，然后再浇铸，获得含TiC的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；(2)均匀化处理：对所述铝合金铸锭加热并保温，进行组织均匀化处理；(3)热轧处理：对均匀化处理后的所述铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，完成。本发明所述的提高铝合金板材高温性能的方法，其方案简单且材料制备易于操作，本发明通过合适的材料制备和变形处理方案，从而达到了提高其高温力学性能的目的。

Description

一种提高铝合金板材高温性能的方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体涉及一种提高铝合金板材高温性能的方法。
背景技术
Al-Cu合金具有比强度高、耐热性能好、耐腐蚀性好等优势，在航空航天、军事装备以及汽车等领域有着广泛的应用。随着科学技术的发展，各领域装备对铝合金的性能提出了越来越高的标准。然而，复杂的服役环境对合金材料的高温力学性能、断裂韧性等方面也提出了更为严格的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高铝合金板材高温性能的方法，该方法工艺简单且材料制备过程易于操作，该方法能够使得铝合金获得较高的高温力学性能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：
(1)铸锭制备：将Al-TiC中间合金加入到铝合金熔体中并搅拌，保温，精炼，恒温静置，捞渣后冷却，然后再浇铸，获得含TiC的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；
(2)均匀化处理：对所述铝合金铸锭加热并保温，进行组织均匀化处理；
(3)热轧处理：对均匀化处理后的所述铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；
(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；
(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，时效处理后即完成了提高铝合金板材高温性能的工艺流程。
具体的，本发明所述的提高铝合金板材高温性能的方法，其方案简单且材料制备易于操作，本发明通过合适的材料制备和变形处理方案，从而达到了提高其高温力学性能的目的。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(1)铸锭制备：将Al-TiC中间合金加入到1100-1200K的铝合金熔体中并搅拌3-5分钟，然后保温5-15分钟后进行精炼，精炼后再恒温静置5-15分钟，捞渣后冷却至1000-1080K时再将熔体浇铸至预热温度400-500K的钢模中，即可获得含TiC的纳米颗粒增强的铝合金铸锭。具体的，所述的TiC纳米颗粒作为增强铝合金的陶瓷颗粒。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(1)铸锭制备：所述的Al-TiC中间合金中TiC含量为30wt％；所述的铝合金为Al-Cu系铝合金。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：获得TiC含量为0-2.0wt％的纳米颗粒增强的铝合金铸锭。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：所述Al-Cu系铝合金中各元素的含量为：Cu：6.0wt％，Mg：0.3wt％，Mn：0.3wt％，Zn：0.1wt％，Zr：0.2wt％，Si：0.25wt％，Fe：0.1wt％，Ti：0.06wt％，余量为Al。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(2)均匀化处理：将所述铝合金铸锭置于700-800K的箱式炉中，并保温15-20小时，进行组织均匀化处理。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(3)热轧处理：对均匀化处理后的所述铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；其中：热轧的温度为700-750K，总变形量为75-85％，热轧6-10道次，每道次压下量为5-15％。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；其中：固溶温度为800-850K，固溶时间1-3小时；淬火温度300-350K。
进一步的，一种提高铝合金板材高温性能的方法：步骤(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理；其中：转移时间不超过10秒；时效处理的温度为430-480K，时效处理的时间为8-12小时。
本发明的有益效果：
(1)本发明提高铝合金板材高温性能的方法具有工艺简单且材料制备易于操作的优点，同时采用本发明的方法能够使得铝合金获得较高的高温力学性能。
(2)本发明对不同TiC含量的纳米颗粒增强后的铝合金板材在温度453K和483K、应变速率1×10-3下进行高温拉伸性能测试，其抗拉强度分别达到了282MPa和256MPa，比基体合金分别提高了9.8％和9.3％；其延伸率分别达到16.8％和17.2％，比基体合金提高了63.1％和23.7％。同时在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变实验，稳态蠕变速率可以达到4.91×10-10s-1，比基体合金抗蠕变性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为实施例1-3及对比例1的铝合金板材在温度453K、应变速率1×10-3s-1条件下铝合金板材高温拉伸工程应力-应变曲线；
图2为实施例1-3及对比例1的铝合金板材在温度483K、应变速率1×10-3s-1条件下铝合金板材高温拉伸工程应力-应变曲线；
图3为实施例1-3及对比例1的铝合金板材在温度453K、应力100MPa条件下铝合金板材的蠕变应变-时间变化曲线；
图4为实施例1-3及对比例1的铝合金板材在温度483K、应力100MPa条件下铝合金板材的蠕变应变-时间变化曲线；
图5为实施例1-3及对比例1的铝合金板材在温度523K、应力100MPa条件下铝合金板材的蠕变应变-时间变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种提高铝合金板材高温性能的方法，依次包括如下步骤：
(1)铸锭制备：将TiC含量为30wt％的Al-TiC中间合金(记为Al-30％TiC)加入到1123K的铝合金熔体中并搅拌3分钟，然后保温10分钟后进行精炼，精炼后再恒温静置10分钟，捞渣后冷却至1073K时再将熔体浇铸至预热温度473K的钢模中，获得TiC含量为0.5wt％的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；在该步骤中所述的铝合金为Al-Cu系铝合金，且其中各元素的含量为：Cu：6.0wt％，Mg：0.3wt％，Mn：0.3wt％，Zn：0.1wt％，Zr：0.2wt％，Si：0.25wt％，Fe：0.1wt％，Ti：0.06wt％，余量为Al(Al：92.69wt％)；
(2)均匀化处理：将上述所得铝合金铸锭置于783K的箱式炉中保温18小时，进行组织均匀化处理；
(3)热轧处理：对经过均匀化处理后的铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；其中：热轧的温度为743K，总变形量为80％，热轧8道次，每道次压下量为10％；
(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；其中：固溶温度为803K，固溶时间2小时；淬火温度303K；
(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，时效处理后即完成了提高铝合金板材高温性能的工艺流程；其中：转移时间不超过10秒；时效处理的温度为453K，时效处理的时间为12小时。上述实施例1工艺后获得的铝合金板材记为0.5wt％TiCp/2519。
实施例2
一种提高铝合金板材高温性能的方法，依次包括如下步骤：
(1)铸锭制备：将TiC含量为30wt％的Al-TiC中间合金(记为Al-30％TiC)加入到1103K的铝合金熔体中并搅拌5分钟，然后保温15分钟后进行精炼，精炼后再恒温静置15分钟，捞渣后冷却至1003K时再将熔体浇铸至预热温度400K的钢模中，获得TiC含量为1.0wt％的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；在该步骤中所述的铝合金为Al-Cu系铝合金，且其中各元素的含量为：Cu：6.0wt％，Mg：0.3wt％，Mn：0.3wt％，Zn：0.1wt％，Zr：0.2wt％，Si：0.25wt％，Fe：0.1wt％，Ti：0.06wt％，余量为Al(Al：92.69wt％)；
(2)均匀化处理：将上述所得铝合金铸锭置于710K的箱式炉中保温20小时，进行组织均匀化处理；
(3)热轧处理：对经过均匀化处理后的铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；其中：热轧的温度为750K，总变形量为80％，热轧8道次，每道次压下量为10％；
(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；其中：固溶温度为830K，固溶时间2小时；淬火温度350K；
(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，时效处理后即完成了提高铝合金板材高温性能的工艺流程；其中：转移时间不超过10秒；时效处理的温度为430K，时效处理的时间为10小时。上述实施例2工艺后获得的铝合金板材记为1.0wt％TiCp/2519。
实施例3
一种提高铝合金板材高温性能的方法，依次包括如下步骤：
(1)铸锭制备：将TiC含量为30wt％的Al-TiC中间合金(记为Al-30％TiC)加入到1195K的铝合金熔体中并搅拌4分钟，然后保温8分钟后进行精炼，精炼后再恒温静置6分钟，捞渣后冷却至1045K时再将熔体浇铸至预热温度498K的钢模中，获得TiC含量为2.0wt％的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；在该步骤中所述的铝合金为Al-Cu系铝合金，且其中各元素的含量为：Cu：6.0wt％，Mg：0.3wt％，Mn：0.3wt％，Zn：0.1wt％，Zr：0.2wt％，Si：0.25wt％，Fe：0.1wt％，Ti：0.06wt％，余量为Al(Al：92.69wt％)；
(2)均匀化处理：将上述所得铝合金铸锭置于795K的箱式炉中保温15小时，进行组织均匀化处理；
(3)热轧处理：对经过均匀化处理后的铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；其中：热轧的温度为705K，总变形量为80％，热轧8道次，每道次压下量为10％；
(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；其中：固溶温度为845K，固溶时间1小时；淬火温度330K；
(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，时效处理后即完成了提高铝合金板材高温性能的工艺流程；其中：转移时间不超过10秒；时效处理的温度为478K，时效处理的时间为8小时。上述实施例3工艺后获得的铝合金板材记为2.0wt％TiCp/2519。
对比例1
对比例1与上述实施例1的区别在于，对比例1的铝合金板材中没有引入TiC纳米颗粒对铝合金进行增强；对比例1获得的铝合金板材记为0wt％TiCp/2519。
测试：
对上述实施例1-3及对比例1获得的铝合金板材进行高温力学性能测试，具体在温度453K和483K、应变速率1×10-3s-1条件下进行高温拉伸性能测试；在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能测试。
(1)测试对比例1的铝合金板材(0wt％TiCp/2519)在温度453K和483K、应变速率1×10-3s-1条件下该铝合金板材的高温拉伸性能，其抗拉强度分别达到257MPa和234MPa，延伸率达到10.3％和13.9％；同时测试铝合金板材(0wt％TiCp/2519)在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率分别为1.68×10-9s-1、1.42×10-8s-1和1.92×10-7s-1。
(2)测试实施例1的铝合金板材(0.5wt％TiCp/2519)在温度453K和483K、应变速率1×10-3s-1条件下该铝合金板材的高温拉伸性能，其抗拉强度分别达到282MPa和256MPa，其拉伸性能比对比例1基体合金分别提高了9.8％和9.3％；延伸率分别达到了16.8％和17.2％，比对比例1基体合金提高了63.1％和23.7％。同时测试实施例1铝合金板材(0.5wt％TiCp/2519)在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率分别为4.91×10-10s-1、2.46×10-9s-1和7.09×10-8s-1，比基体合金稳态蠕变速率下降约70.8％、82.7％和63.1％，抗蠕变性能优异。
(3)测试实施例2的铝合金板材(1.0wt％TiCp/2519)在温度453K和483K、应变速率1×10-3s-1条件下该铝合金板材的高温拉伸性能，其抗拉强度分别达到了279MPa和239MPa，其拉伸性能比对比例1基体合金提高了8.6％和2.1％；延伸率分别达到14.6％和15.0％，比对比例1基体合金提高了41.7％和7.9％。同时测试实施例2铝合金板材(1.0wt％TiCp/2519)在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率分别为2.28×10-9s-1、1.85×10-8s-1和1.38×10-7s-1，与基体合金稳态蠕变速率相差不大。
(4)测试实施例3的铝合金板材(2.0wt％TiCp/2519)在温度453K、应变速率1×10- 3s-1条件下该铝合金板材的高温拉伸性能，其抗拉强度为274MPa，其拉伸性能比对比例1基体合金提高了6.6％；延伸率为13.7％，延伸率比对比例1基体合金提高了33.0％。继续测试在温度483K、应变速率1×10-3s-1条件下，其抗拉强度为228MPa，比基体合金略有下降；而延伸率为14.7％，比基体合金提高了5.8％。同时测试实施例3铝合金板材(2.0wt％TiCp/2519)在温度453K、483K和523K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率分别为6.67×10-9s-1、3.84×10-8s-1和1.57×10-7s-1，与基体合金稳态蠕变速率相比，略有所下降。
在453K和483K、应变速率1×10-3s-1条件下测试实施例1-3及对比例1铝合金板材高温拉伸工程应力-应变曲线，结果分别如图1和图2所示。在蠕变温度453K、483K、523K和恒定应力100MPa蠕变实验条件下，测试实施例1-3及对比例1铝合金板材蠕变应变-时间的关系曲线，结果分别如图3、图4和图5所示。
可以看出，经过不同含量材料制备、变形及热处理，铝合金的高温性能得到提高。当纳米TiC颗粒含量为0.5wt％时，铝合金板材综合强塑性达到最佳。在453K、应变速率1×10-3s-1条件下，抗拉强度达到282MPa，比基体合金提高了9.8％；延伸率达到16.8％，比基体合金提高了63.1％。在453K、恒定应力100MPa下进行高温蠕变性能最优，稳态蠕变速率为4.91×10-10s-1，比基体合金稳态蠕变速率下降约70.8％，使铝合金板材抗蠕变性能优异。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：
(1)铸锭制备：将Al-TiC中间合金加入到铝合金熔体中并搅拌，保温，精炼，恒温静置，捞渣后冷却，然后再浇铸，获得含TiC的纳米颗粒增强的铝合金铸锭；
(2)均匀化处理：对所述铝合金铸锭加热并保温，进行组织均匀化处理；
(3)热轧处理：对均匀化处理后的所述铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；
(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；
(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理，完成。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(1)铸锭制备：将Al-TiC中间合金加入到1100-1200K的铝合金熔体中并搅拌3-5分钟，然后保温5-15分钟后进行精炼，精炼后再恒温静置5-15分钟，捞渣后冷却至1000-1080K时再将熔体浇铸至预热温度400-500K的钢模中，即可获得含TiC的纳米颗粒增强的铝合金铸锭。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(1)铸锭制备：所述的Al-TiC中间合金中TiC含量为30wt％；所述的铝合金为Al-Cu系铝合金。
4.根据权利要求3所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，获得TiC含量为0-2.0wt％的纳米颗粒增强的铝合金铸锭。
5.根据权利要求3所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu系铝合金中各元素的含量为：Cu：6.0wt％，Mg：0.3wt％，Mn：0.3wt％，Zn：0.1wt％，Zr：0.2wt％，Si：0.25wt％，Fe：0.1wt％，Ti：0.06wt％，余量为Al。
6.根据权利要求1所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(2)均匀化处理：将所述铝合金铸锭置于700-800K的箱式炉中，并保温15-20小时，进行组织均匀化处理。
7.根据权利要求1所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(3)热轧处理：对均匀化处理后的所述铝合金铸锭进行热轧，形成铝合金板材；其中：热轧的温度为700-750K，总变形量为75-85％，热轧6-10道次，每道次压下量为5-15％。
8.根据权利要求1所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(4)板材热处理：对所述铝合金板材进行固溶处理，淬火；其中：固溶温度为800-850K，固溶时间1-3小时；淬火温度300-350K。
9.根据权利要求1所述的一种提高铝合金板材高温性能的方法，其特征在于，步骤(5)时效处理：淬火后快速转移所述铝合金板材并进行时效处理；其中：转移时间不超过10秒；时效处理的温度为430-480K，时效处理的时间为8-12小时。
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