CN115044808A - 一种复合强化型耐热耐磨铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合强化型耐热耐磨铝合金及其制备方法，属于高性能金属材料制备领域。本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金采用Al‑Si‑Cu‑Mg合金为基体，加入提高耐热性的微合金化元素和提高耐磨性能的耐热高熵合金实现复合强化，制备方法的主要步骤特征包括按顺序采用以下步骤：熔炼合金化‑吹气精炼‑喷粉复合‑压铸成型‑固溶‑水淬‑深冷时效复合热处理。采用本发明的有益效果在于：通过铝合金基体中加入微合金化元素及高熵合金的复合，制备了一种复合强化型耐热耐磨铝合金，并通过铸造成型后的热‑冷组合处理方法，促进耐热耐磨相析出，协同提高了材料耐热耐磨性能，拓展了铝合金在更高端、更广阔领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体为通过微合金化和高熵合金复合强化的耐热耐磨铝合金及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、高速轨道交通以及汽车等领域的快速发展，铝合金的应用越来越广泛，并且，对铝合金材料性能的要求也在不断提高；新能源和轻量化汽车用铝合金对材料性能提出了更高的要求。如耐热铝合金，即要求在高温下有足够的抗氧化性以及抗蠕变能力、高温耐磨性和高温强硬度等，这类耐热铝合金在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业中具有广泛的需求；但传统的铝合金材料难以满足在这些领域内的耐高温、高比强度、高耐磨等苛刻要求，如发动机上的活塞、缸套等零部件，均要长期服役在 350～400℃的高温条件并承受着足够的载荷、热疲劳、摩擦等的作用，已有材料耐热耐磨性能不足引起的问题日益突出。
微合金化是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要途径；微合金化元素种类繁多，其所能起的作用和机理也不尽相同，控制微量元素的种类和数量、充分发挥微量元素的作用是发展铝合金不懈努力的目标，也是当前铝合金研究的主要方向之一。在所有微合金化元素中，现有研究表明：Sc微合金化效果显著，但是，其价格非常昂贵，使得含 Sc 铝合金价格大幅增加，难于在工业领域获得广泛的应用，因此，必须寻找与Sc 作用相当或者更有效的微合金化元素以及新的合金体系。
高熵合金的迟滞扩散效应使得该类合金具有很好的耐腐蚀、耐高温、耐磨性能，这与陶瓷类非金属材料接近，但比陶瓷类材料有更好的强韧性，即高熵合金仍保留了金属合金的大部分特征，而且高熵合金保留了金属的晶格结构，与其他晶格常数接近的金属有很好的匹配关系，如果选择一个合适的高熵合金体系，作为铝基体合金的强化相，将非常有希望进一步提高铝合金的高温强度和耐摩擦磨损性能。
综上所述，针对目前的耐热耐磨铝合金，在Al-Si系、Al-Cu系和Al-Mg-Si系耐磨铝合金的基础上，选择Al-Si-Cu-Mg系合金为基体，选择性的加入改善高温性能的耐磨强化合金元素Hf、Zr、Ti、V等并采用与基体Al-Si-Cu-Mg系合金及与Hf、Zr、Ti、V等元素相匹配的高熵合金作为复合强化相，开发一种新的耐热耐磨铝合金，并采用特殊的制备方法，促进耐磨耐高温相的析出，发挥强化作用，显著提高目前耐热耐磨铝合金的高温耐磨性能，将提升铝合金在更高端、更广阔领域的应用，具有非常好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合强化型耐热耐磨铝合金及其制备方法，具体为选择优化的耐热耐磨铝合金基体，并通过微合金化和高熵合金复合强化的方法提高耐热耐磨铝合金的性能，并针对这种复合强化型耐热耐磨铝合金发明最佳的制备方法，解决现有耐热耐磨铝合金性能有待提升的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：采用Al-Si-Cu-Mg合金为基体，加入微合金化元素Ti、Zr、Hf和V，同时加入Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金进行复合强化。
进一步地，所述Al-Si-Cu-Mg合金基体的组成以质量百分数计为：Si 9.5~12.0%，Cu 2.0~4.0%，Mg 0.6~0.8%，余量为Al。
进一步地，所述微合金化元素Ti、Zr、Hf和V的加入量以质量百分数计为：Ti 0.05-0.25%，Zr 0.05-0.25%，Hf 0.01-0.05%，V 0.08-0.25%。
进一步地，所述用于复合强化的Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金中Al、Ti、Zr、V、Hf的原子比为：1.5:0.5:0.5:0.5:0.5，高熵合金的加入量为基体铝合金的1wt.%~3 wt.%。
进一步地，合金中存在的耐热耐磨相包括Si 、Al3Zr、Al3Ti、Al3Hf、Al2Cu、Mg2Cu、Mg2Si和Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5复合相。
所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
步骤1：熔炼合金化，工业纯铝锭在加热炉内熔化，依次加入铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金，成分以质量百分数计控制在Si 9.5~12.0%，Cu 2.0~4.0%，Mg 0.6~0.8%的范围，然后进行Ti、Zr、Hf和V的微合金化，控制Ti、Zr、Hf和V的合金元素含量以质量百分数计为：Ti 0.05-0.25%，Zr 0.05-0.25%，Hf 0.01-0.05%，V 0.08-0.25%；
步骤2：吹气精炼，采用Ar进行吹氩精炼，吹氩精炼的温度控制在700-740℃；
步骤3：喷粉复合，以Ar气作为载气，将Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金粉末喷吹到铝合金熔体内，吹气搅拌均匀，熔体温度控制在700℃，静置10-15分钟，等待成型；
步骤4：铸造成型：将熔体注入铸造机，铸造成型。
进一步地，所述步骤4中的铸造成型为压铸成型，熔体温度在680-700℃时注入压铸机，压铸成型，铸造压力在80-90MPa。
进一步地，还包括步骤5：固溶时效处理，将获得的铸态合金加热到530-540℃，保温6-12个小时，然后随炉冷却。
进一步地，还包括步骤5固溶-水淬热处理，将步骤4获得的铸态合金，冷却至室温后并放置后，加热到535-545℃范围内，固溶处理60-80分种；并在固溶处理后进行水淬，水淬的水温在25-40℃范围内，水淬时间30-60秒，经水淬出水后至冷却至室温。
进一步地，所述步骤5中还包括深冷处理，经水淬，表面干燥后，进行深冷处理，以液氮进行-196℃深冷，深冷保持时间24-36小时。
本发明的有益效果为：
1）本发明中的复合强化型耐热耐磨铝合金采用Al-Si-Cu-Mg合金基体，相比现有的Al-Si系、Al-Cu系、Al-Si-Mg系耐磨和耐热合金，合金中的耐热耐磨相由单一的Si相、Al2Cu相、Mg2Si相起到耐磨耐高温作用，增加为Si相、Al2Cu、Mg2Cu、Mg2Si共同起到耐磨作用，强化相的数量和种类增加，显著提高耐磨性和耐高温性能。
2）本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金中添加的微合金化元素Ti、Zr、Hf和V，不仅起到细化晶粒，提高高温强硬性即耐高温性能的作用，在铝合金基体中还以Al3Hf、Al3Zr、Al3Ti的形式析出，形成耐磨相，提高耐磨性能和高温下材料的强硬性。
3）本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金采用Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5 高熵合金进一步强化，TiZrVHf系高熵合金为耐高温系列中高熵合金，引入Al组元成为AlTiZrVHf系高熵合金，此高熵合金在铝合金中与基体有很好的共格关系，高熵合金中Al、Ti、Zr、V、Hf的原子比为：1.5:0.5:0.5:0.5:0.5有助于保持高熵合金与铝基体合金中Al3Hf、Al3Zr、 Al3Ti的稳定共存，起到复合强化的作用。
4）本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金，在不采用本发明的固溶-水淬-深冷复合热处理时获得的铸态材料的耐磨性（对比例6）与目前市场上的耐磨耐热铝合金如：Al-Si系压铸铝合金A360（对比例1）、Al-Si-Cu系压铸铝合金A380（对比例2）、Al-Cu-Mg系2024（对比例3）和Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝7075合金（对比例4）相比，在同等测试条件下的磨损失重可以降低20%以上，可认为是耐磨性提高20%以上，材料的耐热温度（即强度失效的温度）可提高55-105℃，证明了本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金具有显著的进步性。
5）本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法的突出特征是高熵合金与铝合金熔体复合后的压缩铸造成型和成型后的固溶-水淬-深冷复合热处理，针对本发明的复合熔体的特点，压缩铸造成型有利于提高成型过程材料组织的均匀性和致密度，提高耐磨性能约10%，高温性能也有明显提高（对比例5和对比例6比较）；同时，本发明方法中的固溶-水淬-深冷复合热处理针对铝合金中含有Si相、Al3Hf、Al3Zr、 Al3Ti、Al2Cu、Mg2Cu、Mg2Si和Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5多种析出相，复合热处理过程明显促进这些析出相的析出，从而进一步提高材料的耐热耐磨性能10%以上，证明了本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法具有显著的进步性；总之，对于本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金采用本发明的制备方法，可进一步将合金材料的耐热耐磨性能提高约20%。
附图说明
图1为本发明中实施例2获得的复合强化型耐热耐磨铝合金的金相组织的SEM图。
图2为本发明中实施例3获得的复合强化型耐热耐磨铝合金的金相组织的SEM图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步详细描述；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
铝合金的显微硬度实验在数显显微硬度计上进行；铝合金的磨损实验在MMU-5GA微机控制高温摩擦磨损试验机上进行；试样尺寸:4.8mm×12.7mm的销试样，对磨材料为GCr15钢加工成D54mm×8mm的盘试样；采用干滑动摩擦磨损，实验温度采取25℃，载荷选取150N，转动速度为50r/min，磨损时间为20min；耐磨性用磨损失重来表达；耐高温性能以300℃时的抗拉强度和硬度指标来衡量。
实施例1：
本实施例采用的Al-Si-Cu-Mg合金基体的目标组成为质量百分数计Si 10.5%，Cu3.0%，Mg 0.7%，余量为Al；微合金化元素Ti、Zr、Hf和V的加入量目标为：Ti 0.15%，Zr0.15%，Hf 0.02%，V 0.15%；Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5 高熵合金的加入量为基体铝合金质量分数的2%。本发明中的所有组分的含量均为质量百分数，特别说明的除外。
本实施例通过常压铸造，制备过程如下：
步骤1：熔炼合金化。
工业纯铝锭100kg在中频感应加热炉内熔化，升温至700℃，依次加入铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金制备出铝合金基体，Si、Mg、Cu的成分控制在Si 10.5%，Cu 3.0%，Mg 0.7%的范围，然后进行Ti、Zr、Hf和V的微合金化，控制Ti、Zr、Hf和V的合金元素含量为Ti 0.15%，Zr 0.15%，Hf 0.02%，V 0.15%。
步骤2：吹气精炼。
步骤2的具体过程特征为：采用Ar进行吹氩精炼，吹氩精炼的温度控制在720℃，吹气精炼时间为15分钟。
步骤3：喷粉复合。
吹气精炼结束后，以Ar气作为载气，将用于复合强化的Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金粉末喷吹到铝合金熔体内，吹气搅拌均匀，熔体温度控制在700℃，静置10分钟。
步骤4：进行常压铸造。
实施例2：
采用实施例1相同的成分及步骤1、步骤2、步骤3相同的工艺，在步骤4铸造环节采用压铸成型，具体是将熔体温度在690℃时注入压铸机，压铸成型的铸造压力在85 MPa，保压时间在15秒。
步骤5：固溶时效热处理
将获得的铸态合金加热到530-540℃，保温6-12个小时，然后随炉冷却。
实施例2获得的复合强化型耐热耐磨铝合金的金相组织的SEM图见图1。
实施例3：
采用实施例1相同的成分及步骤1、步骤2、步骤3相同的工艺，在步骤4铸造环节采用压铸成型，具体是将熔体温度在690℃时注入压铸机，压铸成型的铸造压力在85 MPa，保压时间在15秒。
步骤5：固溶-水淬-深冷复合热处理。
步骤4获得的铸态合金，冷却至室温后放置时间大于12小时后，进入加热炉进行固溶处理，固溶处理温度在540℃范围内，固溶处理时间为70分钟，固溶处理后，进行水淬，水温30℃，水淬时间35秒；出水后至室温，擦去表面水，进行深冷处理，深冷处理以直接进入液氮进行-196℃深冷，深冷保持时间30小时，随后取出，自然回温至室温。
实施例3获得的复合强化型耐热耐磨铝合金的金相组织的SEM图见图2。所制备的铝合金中存在的耐热耐磨相包括Si相、Al3Hf、Al3Zr、 Al3Ti、Al2Cu、Mg2Cu、Mg2Si和Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5复合相。与实施例2制备的材料相比，复合相的数量大大提升。
对实施例1制备的铝合金进行摩擦磨损试验和显微硬度试验以及体现耐热性能的350℃下的抗拉性能和硬度测试，实验结果如表1所示，为对比本发明的效果，将目前市场上的耐磨耐热铝合金Al-Si系压铸铝合金A360、Al-Si-Cu系压铸铝合金A380、Al-Cu-Mg系2024和Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝7075分别作为对比例1、对比例2、对比例3、对比例4与实施例1、2、3制备的铝合金进行对比，结果见表1.
表1实施例与对比例的性能数据对比
| 摩擦磨损失重，mg | 室温硬度，Hv | 高温抗拉强度，MPa | 高温硬度，Hv | 强度失效温度/℃ | |
| 实施例1（常压铸造） | 120 | 155 | 320 | 140 | 380 |
| 实施例2（压铸+固溶时效处理） | 105 | 170 | 330 | 150 | 390 |
| 实施例3（压铸+固溶-水淬-深冷复合热处理） | 95 | 180 | 370 | 175 | 395 |
| 对比例1（A360） | 220 | 85 | 97 | 70 | 290 |
| 对比例2（A380） | 200 | 95 | 100 | 75 | 290 |
| 对比例3 （2024） | 140 | 140 | 290 | 120 | 300 |
| 对比例4 （7075） | 135 | 150 | 310 | 125 | 340 |
通过表1中实施例和对比例1-4的性能测试结果对比可以看出，采用本发明得到的耐热耐磨铝合金，相对目前市场上主要的耐磨或耐热铝合金在体现耐磨性能的摩擦磨损失重指标和室温硬度指标方面，都有显著提高，常温时的耐磨性能提高了20%以上，室温硬度提高17%以上，高温抗拉强度提高19.4%以上，高温硬度提高40%，强度失效温度提高55-105℃。
通过实施例1和实施例2采用了本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金材料与对比例1-4采用目前的耐热耐磨合金的测试结果可知，本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金在耐磨性、室温硬度、高温抗拉强度、高温硬度和耐热温度方面，都明显具有性能优势，说明了本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金与现有的材料相比，具有显著突出的进步性特征。
通过实施例3与实施例1和实施例2相比，可以看出本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法中采用压铸成型和固溶-水淬-深冷复合热处理的有益效果和进步性。
总之，通过实施例与对比例相比较，本发明的复合强化型耐热耐磨铝合金及其制备方法，与现有技术相比，都具有显著的进步性，取得了明显的有益效果。
Claims (10)
1.一种复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：采用Al-Si-Cu-Mg合金为基体，加入微合金化元素Ti、Zr、Hf和V，同时，加入Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金进行复合强化。
2.如权利要求1所述的复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：所述Al-Si-Cu-Mg合金基体的组成以质量百分数计为：Si 9.5~12.0%，Cu 2.0~4.0%，Mg 0.6~0.8%，余量为Al。
3.如权利要求1所述的复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：所述微合金化元素Ti、Zr、Hf和V的加入量以质量百分数计为：Ti 0.05-0.25%，Zr 0.05-0.25%，Hf 0.01-0.05%，V 0.08-0.25%。
4.如权利要求1所述的复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：所述用于复合强化的Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金中Al、Ti、Zr、V、Hf的原子比为：1.5:0.5:0.5:0.5:0.5，高熵合金的加入量为基体铝合金的1wt.%~3 wt.%。
5.如权利要求1-4中任一项所述的复合强化型耐热耐磨铝合金，其特征在于：合金中存在的耐热耐磨相包括Si 、Al3Zr、Al3Ti、Al3Hf、Al2Cu、Mg2Cu、Mg2Si和Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5复合相。
6.权利要求1所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
步骤1：熔炼合金化，工业纯铝锭在加热炉内熔化，依次加入铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金，成分以质量百分数计控制在Si 9.5~12.0%，Cu 2.0~4.0%，Mg 0.6~0.8%的范围，然后进行Ti、Zr、Hf和V的微合金化，控制Ti、Zr、Hf和V的合金元素含量以质量百分数计为：Ti0.05-0.25%，Zr 0.05-0.25%，Hf 0.01-0.05%，V 0.08-0.25%；
步骤2：吹气精炼，采用Ar进行吹氩精炼，吹氩精炼的温度控制在700-740℃；
步骤3：喷粉复合，以Ar气作为载气，将Al1.5Ti0.5Zr0.5V0.5Hf0.5高熵合金粉末喷吹到铝合金熔体内，吹气搅拌均匀，熔体温度控制在700℃，静置10-15分钟，等待成型；
步骤4：铸造成型：将熔体注入铸造机，铸造成型。
7.如权利要求6所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的铸造成型为压铸成型，熔体温度在680-700℃时注入压铸机，压铸成型，铸造压力在80-90MPa。
8.如权利要求7所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：还包括步骤5：固溶时效处理，将获得的铸态合金加热到530-540℃，保温6-12个小时，然后随炉冷却。
9.如权利要求7所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：还包括步骤5固溶-水淬热处理，将步骤4获得的铸态合金，冷却至室温后并放置后，加热到535-545℃范围内，固溶处理60-80分种；并在固溶处理后进行水淬，水淬的水温在25-40℃范围内，水淬时间30-60秒，经水淬出水后至冷却至室温。
10.如权利要求9所述的复合强化型耐热耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤5中还包括深冷处理，经水淬，表面干燥后，进行深冷处理，以液氮进行-196℃深冷，深冷保持时间24-36小时。
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