CN115537614A - 一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料成形技术领域，尤其涉及一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法。一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，按以下步骤进行：(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶淬火处理，获得固溶火处理坯料；(2)将固溶火处理坯料置入等通道转角挤压模具中，加热和保温后，进行1～4道次高温ECAP挤压变形，获得高温等通道转角挤压变形试样；(3)将高温等通道转角挤压变形试样置入挤压模具中，在室温条件下，进行1～4道次室温ECAP挤压变形，制得高强度铝合金材料。本发明的方法在较低挤压道次下，铝合金材料强度迅速提高，减少挤压变形次数，有利于降低能耗，节约成本，提高生产效率。

Description

一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法
技术领域
本发明属于金属材料成形技术领域，尤其涉及一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法。
背景技术
可热处理强化铝合金广泛应用于航空航天、机械制造、建筑装饰、电力工业等领域。但随着工业的快速发展，对铝合金材料综合性能的要求不断提高；如何在现有科学技术基础上，寻找一系列调控优化铝合金微观组织与综合性能的方法已成为研究的焦点。
提高铝合金的强度，可通过大塑性变形(SPD)加工方法实现；等通道转角挤压(ECAP)加工作为大塑性变形(SPD)加工方法的一种，主要是运用强烈剪切塑型变形方法，细化晶粒，根据Hall-petch公式，通过晶粒细化机制可以提高强度，从而制备高强度块状超细晶金属材料。
一般情况下，对于可热处理强化铝合金，采用大塑性变形方法和后续静态时效相结合的技术，通过第二相强化机制可进一步提高合金强度。但是，在静态时效过程中，容易发生动态回复甚至晶粒长大，使铝合金强度降低。通过大塑性变形方法和后续静态时效相结合的技术精准控制并提高铝合金强度具有挑战性。同时，常规静态时效处理，耗时长，能耗成本高，生产效率低。
发明内容
针对现有技术中出现的问题，本发明提供一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，通过高温等通道转角挤压和相对低温等通道转角挤压变形，使合金强度大幅提高。
本发明的方法包括如下步骤：
(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶和淬火处理，获得过饱和固溶体的铝合金坯料；
(2)将所述过饱和固溶体的铝合金坯料置入等通道转角挤压模具中，加热至150～200℃并保温至少6min后，进行1～4道次高温ECAP挤压变形，变形后试样立即水冷至室温，获得高温ECAP加工试样；
(3)将所述高温ECAP加工试样置入等通道转角挤压模具中，进行1～4道次室温ECAP挤压变形，制得高强度铝合金材料。
所述步骤(1)中，固溶和淬火处理是将等通道转角挤压坯料加热至560～570℃，保温至少1h，最后水淬至室温。
所述步骤(2)中，当进行2道次以上的高温ECAP挤压变形时，前一次高温ECAP挤压变形完成后，将挤压变形试样从等通道转角挤压模具中取出，沿样品轴线顺时针旋转90°，加热至150～200℃并保温至少6min后，然后置入等通道转角挤压模具中，进行下一次高温ECAP挤压变形。
所述步骤(3)中，当进行2道次以上的室温ECAP挤压变形时，前一次室温ECAP挤压变形完成后，将变形试样从等通道转角挤压模具中取出，沿样品轴线顺时针旋转90°，再置入等通道转角挤压模具中，进行下一次室温ECAP挤压变形。
所述步骤(1)中，铝合金材料为6063铝合金。
所述步骤(1)中，铝合金的成分按质量百分比含Mg 0.52％，Si 0.49％，Fe0.09％，Ti 0.01％，余量为Al。
所述ECAP的挤压设备为100吨挤压机。
所述ECAP的挤压速率为1.2mm/s。
本发明原理是：可热处理强化铝合金，经固溶和淬火后，得到过饱和固溶体；将过饱和固溶体加热并保温后，经过高温ECAP加工变形，大量的纳米相析出；接着将高温ECAP加工试样降温后经过低温ECAP加工变形，使试样的晶粒细化，从而形成了含有纳米相的超细晶组织；通过晶粒细化、纳米析出相及其与位错交互作用明显提高了合金的强度。
与现有技术相比，本发明所述一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法的有益效果是：
(1)可经过高温ECAP挤压变形和相对低温ECAP挤压后，在较少挤压道次下，迅速提高铝合金材料的强度；
(2)减少挤压变形次数，与常规时效处理相比，高温ECAP加工可使大量的纳米强化相快速析出，有利于降低能耗，节约成本，提高生产效率；
(3)铝合金材料获得较高强度。
附图说明
图1为本发明对比例1和2中铝合金强度随挤压道次变化曲线图；
图2为本发明实施例1中变温ECAP挤压铝合金与对比例1和2的工程应力-应变曲线图；图中，●为4道次高温ECAP挤压变形(对比例2)，■为4道次室温ECAP挤压变形(对比例1)，▲为2道次高温ECAP挤压变形+2道次室温ECAP挤压变形；
图3为对比例1的铝合金低倍透射电镜图；
图4为对比例1的铝合金高倍透射电镜图；
图5为实施例1的变温ECAP挤压后铝合金低倍透射电镜图；
图6为实施例1的变温ECAP挤压后铝合金高倍透射电镜图；
图7为本发明实施例2中变温ECAP挤压铝合金与对比例3和4的工程应力-应变曲线图；图中，●为6道次高温ECAP挤压(对比例4)，■为6道次室温ECAP挤压(对比例3)，▲为4道次高温ECAP挤压+2道次室温ECAP挤压；
图8为本发明实施例3中变温ECAP挤压铝合金与对比例5和6的工程应力-应变曲线图；图中，●为2道次高温ECAP挤压变形(对比例6)，■为2道次室温ECAP挤压(对比例5)，▲为1道次高温ECAP挤压+1道次室温ECAP挤压。
具体实施方式
本发明实施例与对比例中采用的铝合金材料为6063铝合金。
本发明实施例与对比例中采用的铝合金的成分按质量百分比含Mg 0.52％，Si0.49％，Fe 0.09％，Ti 0.01％，余量为Al。
本发明实施例与对比例中采用的挤压设备为100吨挤压机。
本发明实施例与对比例中的ECAP挤压速率为1.2mm/s。
本发明实施例与对比例中在高温或室温ECAP挤压变形中，当前一次ECAP挤压完成后，将挤压试样从等通道转角挤压模具中取出，沿样品轴线顺时针旋转90°，在相同温度条件下置入等通道转角挤压模具中，进行下一次ECAP挤压变形。
实施例1
一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶和淬火处理，获得固溶和淬火处理坯料；固溶和淬火处理是将等通道转角挤压坯料加热至560℃，保温1h，最后水淬至室温；
(2)将固溶和淬火处理坯料置入等通道转角挤压模具中，加热至150℃，保温6min，进行2道次高温ECAP挤压，获得挤压变形试样；
(3)将ECAP挤压试样置入等通道转角挤压模具中，在室温条件下，进行2道次室温ECAP挤压，制得高强度铝合金材料。
将上述变温ECAP挤压的铝合金与对比例1和对比例2的铝合金分别进行力学性能测试，所得工程应力-应变曲线如图2所示；结合图1和图2可见，采用上述的变温ECAP挤压四道次后获得的强度相当于室温ECAP挤压8道次后获得的强度，变温等通道转角挤压方法可以迅速提高铝合金强度；变温ECAP挤压铝合金与对比例1的变形铝合金相比，抗拉强度提高了18.7％，屈服强度提高了23.9％；
对比例1的铝合金低倍透射电镜图和高倍透射电镜图分别如图3和图4所示；本实施例变温ECAP挤压铝合金的低倍透射电镜图和高倍透射电镜图分别如图5和图6所示；由图可见，室温等通道转角挤压所对应的晶粒尺寸，大于变温等通道转角挤压所对应的晶粒尺寸；变温等通道转角挤压后铝合金中有大量纳米相；证明变温等通道转角挤压ECAP加工变形的铝合金材料，通过晶粒细化、纳米析出相及其与位错交互作用明显提高合金强度。
实施例2
一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，方法同实施例1，不同点在于：
(1)高温ECAP挤压的进行4道次，随后室温ECAP挤压进行2道次；
与对比例3和对比例4进行对比试验，获得的变形铝合金拉伸性能如图7所示；本实施例变温ECAP挤压铝合金与对比例1的变形铝合金相比，抗拉强度提高了9.3％，屈服强度提高了11.9％。
实施例3
一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，方法同实施例1，不同点在于：
(1)高温ECAP挤压的温度为200℃，进行1道次，随后室温ECAP挤压进行1道次；
与对比例5和对比例6进行对比试验，获得的变形铝合金的拉伸性能如图8所示；本实施例变温ECAP挤压铝合金与对比例1的变形铝合金相比，抗拉强度提高了32.3％，屈服强度提高了36.2％。
实施例4
一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，方法同实施例1，不同点在于：
(1)固溶温度为570℃；
(2)高温ECAP挤压的温度为200℃，进行1道次，随后室温ECAP挤压进行3道次；
本实施例变温ECAP挤压铝合金与对比例1的变形铝合金相比，抗拉强度提高了8％，屈服强度提高了13.7％。
对比例1
一种基于恒温等通道转角挤压的铝合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶和淬火处理，获得固溶和淬火处理坯料；固溶和淬火处理是将等通道转角挤压坯料加热至560℃，保温1h，最后水淬至室温；
(2)将转角挤压变形试样置入等通道转角挤压模具中，在室温条件下，进行4道次室温ECAP挤压变形，制得高强度铝合金材料；当前一次室温ECAP挤压变形完成后，将转角挤压变形试样从等通道转角挤压模具中取出后，沿样品轴线顺时针旋转90°，再置入等通道转角挤压模具中，进行下一次室温ECAP挤压变形。
对比例2
一种基于高温等通道转角挤压的铝合金制备方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶和淬火处理，获得固溶和淬火处理坯料；固溶和淬火处理是将等通道转角挤压坯料加热至560℃，保温1h，最后水淬至室温；
(2)将固溶和淬火处理坯料置入等通道转角挤压模具中，加热至150℃，保温6min，进行4道次高温ECAP挤压变形，获得转角挤压变形试样；当前一次高温ECAP挤压变形完成后，将挤压变形试样从等通道转角挤压模具中取出后，沿样品轴线顺时针旋转90°，再加热至150℃，保温6min，然后置入等通道转角挤压模具中，进行下一次高温ECAP挤压变形；
将对比例1与对比例2的铝合金进行对比试验，获得的变形铝合金强度如图1所示，由图可见，在ECAP加工2道次条件下，150℃ECAP挤压变形的试样强度较高；150℃ECAP挤压下随挤压道次增加合金强度大幅下降，室温ECAP挤压下随加工道次增加合金强度逐渐提高；对比例3
一种基于恒温等通道转角挤压的铝合金制备方法，方法同对比例1，不同点在于：
(1)进行6道次室温ECAP挤压变形。
对比例4
一种基于高温等通道转角挤压的铝合金制备方法，方法同对比例2，不同点在于：
(1)进行6道次高温ECAP挤压变形。
对比例5
一种基于恒温等通道转角挤压的铝合金制备方法，方法同对比例1，不同点在于：
(1)进行2道次室温ECAP挤压变形。
对比例6
一种基于高温等通道转角挤压的铝合金制备方法，方法同对比例2，不同点在于：
(1)进行2道次高温ECAP挤压变形；所述高温为200℃。

Claims (8)

1.一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法,其特征在于，制备方法包括如下步骤：
(1)将铝合金坯料车削成等通道转角挤压坯料后，进行固溶和淬火处理，获得过饱和固溶体的铝合金坯料；
(2)将所述过饱和固溶体的铝合金坯料置入等通道转角挤压模具中，加热至150～200℃并保温至少6min后，进行1～4道次高温ECAP挤压变形，变形后试样立即水冷至室温，获得高温ECAP加工试样；
(3)将所述高温ECAP加工试样置入等通道转角挤压模具中，进行1～4道次室温ECAP挤压变形，制得高强度铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，固溶和淬火处理是将等通道转角挤压坯料加热至560～570℃，保温至少1h，最后水淬至室温。
3.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当进行2道次以上的高温ECAP挤压变形时，前一次高温ECAP挤压变形完成后，将挤压变形试样从等通道转角挤压模具中取出，沿样品轴线顺时针旋转90°，加热至150～200℃并保温至少6min后，然后置入等通道转角挤压模具中，进行下一次高温ECAP挤压变形。
4.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当进行2道次以上的室温ECAP挤压变形时，前一次室温ECAP挤压变形完成后，将变形试样从等通道转角挤压模具中取出，沿样品轴线顺时针旋转90°，再置入等通道转角挤压模具中，进行下一次室温ECAP挤压变形。
5.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝合金材料为6063铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝合金的成分按质量百分比含Mg 0.52％，Si 0.49％，Fe0.09％，Ti 0.01％，余量为Al。
7.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述ECAP的挤压设备为100吨挤压机。
8.根据权利要求1所述的一种基于变温等通道转角挤压的高强度铝合金制备方法，其特征在于，所述ECAP的挤压速率为1.2mm/s。
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