CN115821122B - 一种块体纳米层错铝合金材料及其制备、冷轧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种块体纳米层错铝合金材料及其制备、冷轧方法。本发明包括下列重量百分比的组分：钇Y为4‑9wt.%，镁Mg为0.2‑0.5wt.%，铁Fe为0.1‑0.5wt.%，镍Ni为1‑3wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝。一定比例的原材料通过升温熔炼、造渣除渣、铸造制备出块体纳米层错铝合金材料，通过冷轧过程的强制冷却变形使全位错的滑移受到抑制，不全位错的扩展导致层错的大量形成，获得可工业化的金属新材料。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种块体纳米层错铝合金材料及其制备、冷轧方法。
背景技术
纳米孪晶铝合金不仅具有高强度，而且具有良好的耐热性。目前关于纳米孪晶材料的研究大多聚焦在中低层错能的金属，如 Ag (16mJm−2 ), Cu (45mJm−2 ) 等。由于铝具有较高的层错能(层错能约在 120-144mJm−2 )，从层错能的角度来看制备铝纳米孪晶是异常困难的。分子动力学模拟以及实验观察表明纯铝只有在几十纳米的晶粒尺度下或者极端变形条件下 (比如在裂纹附近处、高应力集中区、高应变速率条件以及低温变形条件下)才有可能产生不全位错的滑移进而形成孪晶或者层错。陈明伟等通过物理气相沉积的方法制备出了纳米孪晶铝合金，是通过物理气相沉积的方法制备的，与工业化对结构件的使用需求还相距甚远。如何在微米晶粒尺度范围以及常规变形条件下制备纳米孪晶铝合金整体材料成为摆在材料科学工作者面前的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过合金化设计降低铝的层错能以及液氮下冷轧的加工制备方法，提供了一种基于相界面以及强制冷却诱导铝中形成高密度层错的块体纳米层错铝合金材料及其制备、冷轧方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种块体纳米层错铝合金材料，其包括下列重量百分比的组分：钇Y为4-9wt.%，镁Mg为0.2-0.5wt.%，铁Fe为0.1-0.5wt.%，镍Ni为1-3wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝。
一种块体纳米层错铝合金材料的制备方法，其包括以下步骤:
(1)配制原材料：精准称取纯度大于等于99.7%的铝锭和铝钇、铝镁、铝铁、铝镍4种中间合金，按重量百分比计使得合金成分达到预设成分：钇Y的含量为4-9wt.%，镁Mg的含量为0.2-0.5wt.%，铁Fe的含量为0.1-0.5wt.%，镍Ni的含量为1-3wt.%，其余为铝，控制杂质元素含量≤0.3%；
(2)升温熔炼：将铝锭放在熔炉中熔化成铝液，所述铝液温度为720-750℃，在铝液中加入铝钇、铝镁、铝铁、铝镍中间合金，在720-750℃下熔炼合金，待中间合金充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；
(3)造渣除渣：加入精炼剂造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度≤750℃，并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体，静置5分钟；
(4)铸造：将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，得到块体纳米层错铝合金材料。
上述的一种块体纳米层错铝合金材料的制备方法，其步骤（1）中，所述铝钇中间合金中钇的成分为10%，铝镁中间合金中镁的成分为5%，铝铁中间合金中铁的成分为10%，铝镍中间合金中镍的成分为10%。
一种块体纳米层错铝合金材料的冷轧方法，其首先利用线切割机加工矩形试块，将矩形试块引入相对转动的一对轧辊之间，所述轧辊上下左右四个方向分别通过喷嘴向矩形试块上不停喷淋液氮，调整上下两个轧辊的转向及速度，并利用钳子牵引得到最终轧板。
上述的一种块体纳米层错铝合金材料的冷轧方法，其所述矩形试块尺寸为20mm×15mm×10mm。
上述的一种块体纳米层错铝合金材料的冷轧方法，其所述喷嘴的宽度与矩形试块的宽度相当。
有益效果：
1、本发明突破纳米孪晶、纳米层错铝合金的常规设计思路，通过引入共晶相界面以及强制冷却变形的设计思想，提供了一种低成本块体纳米层错铝合金的成分及制备、冷轧方法。其技术手段在现有技术中具有领先性。
2、本发明的块体纳米层错铝合金在Al-Y共晶合金的基础之上通过添加Mg、Ni、Fe等合金元素，依靠Mg、Fe、Ni元素合金化来降低铝的层错能以实现形变过程中孪晶微片与层错的形成，属于本发明的一个重要创新点。
3、本发明的块体纳米层错铝合金中Y元素主要通过形成高体积分数的Al3Y共晶相，从而制造出大量的Al/Al3Y共晶界面，在强制冷却变形的过程中由于全位错的滑移受到抑制，不全位错的扩展导致层错的大量形成。在目前的技术资料中未见报道，是不可预料的实验结果，属于本发明的一个重要创新点。
4、本发明采用的强制冷却变形工艺具有原创性。
附图说明
图1是本发明块体纳米层错铝合金的制备方法示意图；
图2是本发明实施例与对比例的透射电子显微镜高分辨图片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例1
本实施例的一种块体纳米层错铝合金材料，其包括下列重量百分比的组分：钇Y为9wt.%，镁Mg为0.5wt.%，铁Fe为0.1wt.%，镍Ni为1wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝。
本实施例的一种块体纳米层错铝合金材料的制备方法如下：
精准称取纯度等于99.7%的工业纯铝锭置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720-730℃，选择铝钇、铝镁、铝铁、铝镍4种中间合金，铝钇中间合金中钇的成分为10%，铝镁中间合金中镁的成分为5%，铝铁中间合金中铁的成分为10%，铝镍中间合金中镍的成分为10%。按重量百分比计使得合金成分达到预设成分：Y 9wt.%，Mg0.5wt.%，Fe 0.1wt.%，Ni1%，控制杂质元素含量≤0.3%，分别称取铝钇、铝镁、铝铁、铝镍中间合金放入铝液中，在720-730℃下熔炼合金，待中间合金充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；加入精炼剂精炼造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度为730℃并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在730℃温度下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造的块体纳米层错铝合金材料。参照图1所示，利用线切割机从铸锭中加工出20mm×15mm×10mm的矩形试块，将矩形试块引入相对转动的一对轧辊之间进行轧制，终轧厚度为2mm。冷轧过程中于轧辊上下左右四个方向分别通过喷嘴向矩形试块上不停喷淋液氮，喷嘴的宽度与矩形试块的宽度相当。通过调整上下两个辊子的转向及速度，并利用钳子牵引得到最终轧板。参照图2，通过透射电子显微镜来观察，结果表明合金轧板的微观组织在共晶界面处形成了高密度的纳米层错。
实施例2
本实施例的一种块体纳米层错铝合金材料，其包括下列重量百分比的组分：钇Y为8wt.%，镁Mg为0.3wt.%，铁Fe为0.3wt.%，镍Ni为2wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝。
本实施例的制备方法与实施例1的不同之处在于：
选择纯度大于99.7%的工业纯铝锭置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至730-750℃，选择铝钇、铝镁、铝铁、铝镍4种中间合金，根据各中间合金中钇、镁、铁、镍的占比，按重量百分比计使得合金成分达到预设成分：Y 8wt.%，Mg0.3wt.%，Fe 0.3wt.%，Ni 2%，控制杂质元素含量≤0.3%，分别称取铝钇、铝镁、铝铁、铝镍中间合金放入铝液中，在730-750℃下熔炼合金，待中间合金充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；加入精炼剂精炼造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度为750℃并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在750℃温度下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造的块体纳米层错铝合金材料。
实施例3
本实施例的一种块体纳米层错铝合金材料，其包括下列重量百分比的组分：钇Y为4wt.%，镁Mg为0.2wt.%，铁Fe为0.5wt.%，镍Ni为3wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝。
本实施例的制备方法与实施例1的不同之处在于：
选择纯度99.7%的工业纯铝锭置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720-740℃，选择铝钇、铝镁、铝铁、铝镍4种中间合金，根据各中间合金中钇、镁、铁、镍的占比，按重量百分比计使得合金成分达到预设成分：Y 4wt.%，Mg0.2wt.%，Fe 0.5wt.%，Ni 3%，控制杂质元素含量≤0.3%，分别称取铝钇、铝镁、铝铁、铝镍中间合金放入铝液中，在720-740℃下熔炼合金，待中间合金充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；加入精炼剂精炼造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度为730℃并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在730℃温度下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造的块体纳米层错铝合金材料。
对比例1
选择纯度99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720-730℃，待铝锭完全熔化后放入精炼剂精炼，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度750℃以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在低于750℃的温度下将纯净铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造铝合金材料。利用线切割机从铸锭中加工出20mm×15mm×10mm的矩形试块，利用附图1所示的装置进行轧制，终轧厚度为2mm。如图1，冷轧过程中轧辊上下左右四个方向分别通过喷嘴向试块上不停喷淋液氮，通过调整上下两个辊子的转向及速度，并利用钳子牵引得到最终轧板。合金轧板的微观组织通过透射电子显微镜来观察。结果表明，纯铝组织中并未发现纳米层错，而是形成了大量的位错胞状结构，见附图2。
本发明突破纳米孪晶、纳米层错铝合金的常规设计思路，通过引入共晶相界面以及强制冷却变形的设计思想，提供了一种低成本块体纳米层错铝合金的成分及制备、冷轧方法。其在Al-Y共晶合金的基础之上通过添加Mg、Ni、Fe等合金元素，依靠Mg、Fe、Ni元素合金化来降低铝的层错能以实现形变过程中孪晶微片与层错的形成。铝合金中Y元素通过形成高体积分数的Al3Y共晶相，从而制造出大量的Al/Al3Y共晶界面，在强制冷却变形的过程中由于全位错的滑移受到抑制，不全位错的扩展导致层错的大量形成。
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种块体纳米层错铝合金材料，其特征在于，包括下列重量百分比的组分：钇Y为4-9wt.%，镁Mg为0.2-0.5wt.%，铁Fe为0.1-0.5wt.%，镍Ni为1-3wt.%，杂质元素含量≤0.3%，其余为铝；
所述一种块体纳米层错铝合金材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)配制原材料：精准称取纯度大于等于99.7%的铝锭和铝钇、铝镁、铝铁、铝镍4种中间合金，按重量百分比计使得合金成分达到预设成分：钇Y的含量为4-9wt.%，镁Mg的含量为0.2-0.5wt.%，铁Fe的含量为0.1-0.5wt.%，镍Ni的含量为1-3wt.%，其余为铝，控制杂质元素含量≤0.3%；
(2)升温熔炼：将铝锭放在熔炉中熔化成铝液，所述铝液温度为720-750℃，在铝液中加入铝钇、铝镁、铝铁、铝镍中间合金，在720-750℃下熔炼合金，待中间合金充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；
(3)造渣除渣：加入精炼剂造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；控制熔体温度≤750℃，并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体，静置5分钟；
(4)铸造：将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，得到块体纳米层错铝合金材料；
首先利用线切割机加工出矩形试块，将矩形试块引入相对转动的一对轧辊之间，所述轧辊上下左右四个方向分别通过喷嘴向矩形试块上不停喷淋液氮，调整上下两个轧辊的转向及速度，并利用钳子牵引得到最终轧板；
所述矩形试块尺寸为20mm×15mm×10mm；
所述喷嘴的宽度与矩形试块的宽度相当。
2.根据权利要求1所述的一种块体纳米层错铝合金材料，其特征在于，步骤（1）中，所述铝钇中间合金中钇的成分为10%，铝镁中间合金中镁的成分为5%，铝铁中间合金中铁的成分为10%，铝镍中间合金中镍的成分为10%。
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