CN116287827B - 一种异质性可调的异质结构铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质性可调的异质结构铝合金及其制备方法，属于半固态成形技术领域，制备方法包括以下步骤：将铝粉与钛粉在保护气氛下球磨后经真空热压，再经重熔后置于触变模具中进行触变成形，即得所述异质结构铝合金。本发明还公开了上述制备方法制备得到的异质结构铝合金。本发明通过选择以2024铝合金与纳米级钛粉为原料，经球磨、热压、重熔及触变成形后，提高了铝合金的异质性及力学性能，在显著提高强度的同时保持良好的塑性。并且，本发明提供的制备方法简单，利于进行推广使用。
Description
技术领域
本发明属于半固态成形技术领域，尤其涉及一种异质性可调的异质结构铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、强度高、易加工、资源丰富等一系列优点，在航空、航天、建筑包装、舰船、交通运输等行业应用十分广泛，但随着社会的进步，进一步提高铝材料的性能向高性能和一体化发展，己成为当今国际铝业界共同关心的问题，其中最主要的就是突破强度和塑性的倒置关系。
近年来，在合金中引入异质结构为制备高性能合金的主要思路之一，异质结构合金主要有软域和硬域组成，合金在变形过程中在不同区域会产生变形程度的差异，为协调变形提高合金的变形能力，大量几何必须位错往往会堆积在异质界面，对软硬域产生异质变形引入的强化与硬化，从而提高合金的力学性能。而这种异质变形引入的效应主要取决于两域的异质性水平(两域强度或硬度和体积分数的差异)。然而，现有技术中的异质结构合金的异质性水平往往不能连续调控，且制备工艺比较复杂，如需大塑性变形(多道次轧制和挤压)和后续的热处理(固溶和退火处理)。
因此，如何提供一种可调控异质性水平和制备工艺简单的，能够对铝合金进行改进的异质结构合金是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种异质性可调的异质结构铝合金及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，包括以下步骤：
将铝粉与钛粉在保护气氛下球磨后经真空热压，再经重熔后置于触变模具中进行触变成形，即得所述异质结构铝合金。
优选的，所述铝粉为2024铝合金粉末，且平均粒径为8.7μm；
所述钛粉为纳米钛粉，且平均粒径为50nm。
有益效果：本发明中的球磨处理技术能够通过调控纳米Ti粉的分布来调控异质性，还可以通过调整重熔温度与时间来控制初生α-Al与二次凝固组织的比例，从而调控异质性。与其他方法相比，本发明制备的异质结构2024铝合金不仅综合力学性能优异，同时工艺简单可行，成本低，适合大尺寸形状复杂的薄壁零件的近净成形，且能大幅减少甚至消除孔隙等缺陷。
优选的，所述铝粉与钛粉质量比为96.5:3.5。
有益效果：本发明中所述铝粉与钛粉添加量之比可以充分的分散钛粉，避免了钛粉严重的团聚，异质结构合金展示了较好的力学性能。
优选的，所述保护气氛为氩气。
有益效果：本发明中所述氩气是稀有气体，化学性质不活泼,用它做保护气，可以隔绝空气，防止粉末的氧化。
优选的，所述球磨速度为135rpm/min，球磨时间为8h，球磨介质与原料的质量比为5:1。
有益效果：本发明中在上述条件下制备得到的异质结构合金展示了较好的力学性能。
优选的，所述真空热压具体包括以下步骤：
将球磨后的粉末5min升温至300℃，并加压至224MPa，然后保温保压35min。
有益效果：本发明中在上述真空热压参数下有利于致密的异质结构合金的热压块的形成。
优选的，所述重熔温度为645-675℃，重熔时间为60-100min。
有益效果：本发明中在上述重熔温度与时间内能获得半固态的异质结构合金锭料。
优选的，所述触变模具温度为250℃，所述触变成形压力为196MPa，保压时间为20s。
有益效果：本发明中在上述触变模具的温度下能获得合适的液相凝固速率；在上述压力与保压时间下能制备出致密的异质结构合金锭子。
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法制备得到的异质结构铝合金。
本发明公开了一种异质性可调的异质结构铝合金及其制备方法，本发明通过选择以2024铝合金与纳米级钛粉为原料，经球磨、真空热压、部分重熔及触变成形后，提高了铝合金的异质性及力学性能，在显著提高强度的同时保持良好的塑性。并且，本发明提供的制备方法简单，利于进行推广使用。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例1所得异质结构铝合金的SEM电镜照片；
图2为实施例1-5所制得的异质结构2024铝合金微观硬度分布图和单轴拉伸的测试结果曲线图；
其中，(a)为微观硬度分布图；(b)为单轴拉伸的测试结果曲线图；
图3为实施例1和实施例6-8所制得的异质结构2024铝合金硬域与软域的体积分数图、微观硬度分布图和单轴拉伸的测试结果曲线图；
其中，(a)为硬域与软域的体积分数图；(b)为微观硬度分布图；(c)为单轴拉伸的测试结果曲线图；
图4为实施例6和实施例9-12所制得的异质结构2024铝合金硬域与软域的体积分数图和微观硬度分布图；
其中，(a)为硬域与软域的体积分数图；(b)为微观硬度分布图；
图5为实施例6和实施例9-12单轴拉伸的测试结果曲线图和实施例6和实施例9-12与其他加工方法制得的产品的性能对比图；
其中，(a)为单轴拉伸的测试结果曲线图；(b)为性能对比图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例中的2024铝合金粉末及纳米级钛粉均通过市售途径购买获得，平均粒径为8.7μm。其中，纳米级钛粉的粒径为50nm，纯度≥99.9％。
实施例1
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2024铝合金粉末和纳米级Ti粉混合，其中纳米级Ti粉的含量为3.5wt％(即纳米级Ti粉在2024铝合金粉末和纳米级Ti粉混合物中的占比)，然后在氩气保护下，在行星式球磨机中在135rpm/min转速下球磨8h，其中球磨介质的质量与2024铝合金粉末和纳米级Ti粉的总质量之比为和5：1，且球磨介质为玛瑙球；
(2)将步骤(1)得到的球磨后的混合粉末放入真空热压炉中，5分钟升温至300℃，同时升压至224MPa，然后保温保压35min，制备得到热压块；
(3)将步骤(2)得到的热压块置于预设温度为645℃的管式真空炉中重熔80min，完成部分重熔工序，得到半固态锭料；
(4)将步骤(3)得到的半固态锭料迅速移入预设温度为250℃的触变模具中，并以196MPa的压力进行触变成形，其中保压时间为20s，得到异质结构2024铝合金。
所得异质结构铝合金的SEM电镜照片如图1所示，可以看出，主要由初生α-Al与二次凝固组织(二次初生α-Al与白色的共晶组织)构成，其中在部分重熔过程中反应生成的灰白色的Al3Ti颗粒主要位于二次凝固组织中。
实施例2-5
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中的球磨时间依次为2h、4h、6h与10h。
对实施例1-5所得异质结构2024铝合金的硬域(二次凝固组织)与软域(初生α-Al)的体积分数、微观硬度分布及单轴拉伸性能进行检测，结果如图2所示，可以看出，异质结构2024铝合金异质性(两域间硬度的差异)随着球磨时间先减小后增加，但始终高于基体合金。力学性能在实施例1中球磨8h后达到最佳，其抗拉强度、屈服强度与延伸率比基体合金分别高41.9％、36.1％和10％。
实施例6
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2024铝合金粉末和纳米级Ti粉混合，其中纳米级Ti粉的含量为3.5wt％，然后在氩气保护下，在行星式球磨机中在135rpm/min转速下球磨8h，其中球磨介质的质量与2024铝合金粉末和纳米级Ti粉的总质量之比为5：1；
(2)将步骤(1)得到的球磨后的混合粉末放入真空热压炉中，5分钟升温至300℃，同时升压至224MPa，然后并保温保压35min，制备得到热压块；
(3)将步骤(2)得到的热压块置于预设温度为655℃的管式真空炉中重熔80min，完成部分重熔工序，得到半固态锭料；
(4)将步骤(3)得到的半固态锭料迅速移入预设温度为250℃的触变模具中，并以196MPa的压力进行触变成形，其中保压时间为20s，得到异质结构2024铝合金。
实施例7-8
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，与实施例6的不同之处在于，步骤(3)中的重熔温度分别为665℃与675℃。
对实施例1、实施例6-8所得异质结构2024铝合金的硬域与软域的体积分数、微观硬度分布及单轴拉伸性能进行检测，结果如图3所示，可以看出，异质结构2024铝合金随着重熔温度逐渐增加，两域体积分数的差异先减小后增加，两域间硬度的差异逐渐增加。力学性能在实施例6中重熔温度为655℃达到最佳，其抗拉强度、屈服强度、弹性模量与延伸率比基体合金分别高41.7％、39.9％、9.4％、3.9％和4.1％。
实施例9-12
一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，与实施例6的不同之处在于，步骤(3)中的重熔时间分别为60min、70min、90min与100min。
对实施例6和9-12所得异质结构2024铝合金的硬域与软域的体积分数以及微观硬度分布如图4所示，可以看出，随着重熔时间逐渐增加，两域体积分数的差异先减小后保持不变，两域间硬度的差异逐渐减小。单轴拉伸的测试结果曲线图和实施例6和实施例9-12与其他加工方法制得的产品的性能对比图如图5所示，可以看出，力学性能在实施例6重熔时间为80min达到最佳，其抗拉强度、屈服强度与延伸率分别为455MPa、291MPa和8.65％。通过与不同加工方法制备的2024Al合金的抗拉强度和延伸率的对比，进一步阐明了本文制备异质结构2024Al合金优异的力学性能。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将铝粉与钛粉在保护气氛下球磨后经真空热压，再经重熔后置于触变模具中进行触变成形，即得所述异质结构铝合金；
所述真空热压具体包括以下步骤：
将球磨后的粉末5min升温至300℃，并加压至224MPa，然后保温保压35min；
所述重熔温度为645-675℃，重熔时间为60-100min。
2.根据权利要求1所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝粉为2024铝合金粉末，且平均粒径为8.7μm；
所述钛粉为纳米钛粉，且平均粒径为50nm。
3.根据权利要求1所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝粉与钛粉的质量比为96.5:3.5。
4.根据权利要求1所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氩气。
5.根据权利要求1所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，所述球磨速度为135rpm/min，球磨时间为8h，球磨介质与原料的质量比为5:1。
6.根据权利要求1所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法，其特征在于，所述触变模具温度为250℃，所述触变成形压力为196MPa，保压时间为20s。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种异质性可调的异质结构铝合金的制备方法制备得到的异质结构铝合金。
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