CN116422726B - 一种高强度耐腐蚀的铝合金管道及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金管道技术领域，具体为一种高强度耐腐蚀的铝合金管道及其制备方法。本发明所使用的铝合金原料中主要添加Mg、Si等元素，适量添加微量元素Sr和Mn，特别添加稀土元素Pr、Ce和Nd，通过调整原料配比以及添加一些微量元素和稀土元素来提升铝合金管道的强度和耐腐蚀性能。此外，本发明还针对铝合金进行表面处理，利用等离子体化学气相沉积技术生长Si‑B‑N薄膜，由Si、B、N组成的Si‑B‑N陶瓷材料，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀等优异的物理性能，所以将此薄膜沉积在铝合金表面能够有效提升铝合金大的耐高温性能、耐磨性能和耐腐蚀性能。因此本项目所提供的技术方案具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金管道技术领域，具体是一种高强度耐腐蚀的铝合金管道及其制备方法。
背景技术
铝是一种可再生资源，地壳中铝含量非常丰富，铝和铝废料可以回收和精炼，节能又减少污染。此外，铝及铝合金具有较高的热强度和导电性，良好的耐腐蚀性和良好的低温力学性能，符合现代科学技术和高新技术工程发展的需要，是航空航天、化工、交通等行业的重要建筑材料之一。但是，铝合金管在使用过程中肯定会接触到腐蚀性环境，例如盐雾，湿气和局部冷凝水。在腐蚀和负载介质的共同作用下，铝合金容易受到晶间腐蚀、烧蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳等腐蚀损伤，从而损坏铝合金管道。铝及铝合金在大多数碱性介质中容易发生全面均匀腐蚀，即表面氧化膜完全溶解且均匀地侵蚀基体；在大多数酸性介质中容易发生局部侵蚀，即表面氧化层局部破坏，基质或基质的各个阶段和部分由于各种电化学作用而被选择性溶解。
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种高强度耐腐蚀的铝合金管道及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐腐蚀的铝合金管道及其制备方法，以解决现有技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将铝合金原料混合，升温熔炼至铝合金原料完全熔化，得到铝合金溶液；
步骤二：在所述铝合金溶液中加入细化剂、精炼剂，浇注成型，静置后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：对所述铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧，热轧进行三个道次的冷轧，冷轧后退火处理；
步骤四：对步骤三得到的铝合金管坯毛料外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，沉积后将铝合金拉拔成型和清洗，制备得到一种高强度耐腐蚀的铝合金管道。
较为优化地，步骤一中，熔炼条件为730-780℃加热40-60min。
较为优化地，步骤一中，铝合金原料包括：以质量分数计，Mg：0.8-1.6％，Si：2.0-2.4％，Sr：0.06-0.08％，Mn：0.5-1.0％，稀土：0.3-1.2％，Al余量；稀土中包括稀土元素Pr、Ce和Nd，质量分数比为2：1：6。
较为优化地，步骤二中，静置条件为：100-150MPa压力下静置2-3h。
较为优化地，步骤三中，热轧处理为400-450℃保温3-5小时，冷轧处理为150-200℃保温1-3h，退火处理为在240-280℃保温1-3h。
较为优化地，步骤四中，所述Si-B-N薄膜的制备方法为：以铝合金板材为基底，加热至基底温度为300-350℃，气压为0.5-1.0Pa；通入50-60sccm的氮气和5-10sccm的氩气，调节气压在75-85Pa；再对基底表面进行等离子清洗，清洗时间为10-16min；通入乙硼烷和硅烷，进行PCVD沉积，在铝合金板材表面形成Si-B-N薄膜。
较为优化地，步骤四中，乙硼烷为氢气载气，浓度为2-4％，硅烷为氮气载气，浓度为5-9％。
较为优化地，步骤四中，所述拉拔成型的工艺参数为：加工率控制在6％～25％，拉伸速度为100～1000mm/min。
较为优化地，步骤四中，清洗条件为：超声条件下去离子水洗5-7min。
本发明的有益效果：
铝合金的主要合金元素有硅、铜、镁、锌等，不同的合金元素及其用量对合金组织性能有不同的影响。本发明通过调整原料配比，添加一些微量元素和稀土元素，提高铝合金管道的强度和耐腐蚀性。在铝合金中添加Mg元素用量为0.8-1.6％，可以提高合金材料的抗拉强度；在铝合金中添加微量元素Sr的用量为Sr：0.06-0.08％，不仅可以提高合金的抗拉强度，还可以细化组织，增强合金的耐腐蚀性；在铝合金中添加Mn元素用量为0.5-1.0％，可以提高合金的抗拉强度；在铝合金中添加稀土的用量为0.3-1.2％，本发明设定稀土元素Pr、Ce和Nd的质量分数比为2：1：6，在该比例下稀土元素之间相互作用，可以加强弥散强化的效果，此外多种稀土元素偏聚在晶界与氧化物层发生反应，生成细小、弥散的稀土元素氧化物，可以强化晶界，提高铝合金的综合力学性能。
针对铝合金在腐蚀环境中容易发生腐蚀损伤的问题，除了通过调整铝合金的化学成分来提高其耐腐蚀性外，还广泛采用表面处理方法来提高铝合金的耐腐蚀性和耐磨性。本发明采用等离子体化学气相沉积技术在铝合金管道表面生长Si-B-N薄膜。将铝合金管道放入反应装置中，通入反应气体氮气、乙硼烷和硅烷，在铝合金管道表面进行等离子体化学气相沉积，形成一层Si-B-N陶瓷膜。由于氮化硅和氮化硼均为优异的陶瓷材料，因此在铝合金表面制备由Si、B、N组成的Si-B-N陶瓷膜可以增强铝合金的耐高温、耐磨性和耐腐蚀性。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
精炼剂，采购自河南港润科技有限公司，编号为GR13812722；细化剂，采购自江西省华贝安实业有限公司，牌号为shengyuan。
实施例1：步骤一：将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Pr：0.2％，Ce：0.1％，Nd：0.6％，Al余量，在780℃加热60min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，150MPa下静置3h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：450℃保温5小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；200℃保温3h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，350℃反应3h；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，使用偏压调控的容性耦合等离子体装置对基底外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，先加热装置至基底温度为350℃，气压1.0Pa；然后向装置内通60sccm的氮气和10sccm的氩气，调节气压在85Pa；再开启射频电源和偏压电源进行放电，利用氮-氩等离子体对基底表面进行16min清洗；再通乙硼烷和硅烷进行PCVD沉积，乙硼烷为氢气载气，浓度为4％，硅烷为氮气载气，浓度为9％；沉积结束后，关闭射频和偏压电源、硼烷和硅烷供气和加热器，继续通入氮气和氩气保护样品，等待装置冷却后，关闭氮气和氩气供气和真空系统，取出样品；
S2：采用拉拔设备对S1得到的样品进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在25％，拉伸速度为1000mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S3：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗7min，获得成品。
实施例2：步骤一：预热加热炉，325℃加热1.5h；将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Pr：0.2％，Ce：0.1％，Nd：0.6％，Al余量，在755℃加热50min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，125MPa下静置2.5h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：425℃保温4小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；175℃保温2h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，300℃反应2h；制备得到铝合金板材；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，使用偏压调控的容性耦合等离子体装置对基底外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，先加热装置至基底温度为325℃，气压0.75Pa；然后向装置内通60sccm的氮气和10sccm的氩气，调节气压在80Pa；再开启射频电源和偏压电源进行放电，利用氮-氩等离子体对基底表面进行13min清洗；再通乙硼烷和硅烷进行PCVD沉积，乙硼烷为氢气载气，浓度为4％，硅烷为氮气载气，浓度为9％；沉积结束后，关闭射频和偏压电源、硼烷和硅烷供气和加热器，继续通入氮气和氩气保护样品，等待装置冷却后，关闭氮气和氩气供气和真空系统，取出样品；
S2：采用拉拔设备对S1得到的样品进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在15％，拉伸速度为900mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S3：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗6min，获得成品。
实施例3：步骤一：预热加热炉，300℃加热1h；将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Pr：0.2％，Ce：0.1％，Nd：0.6％，Al余量，在730℃加热40min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，100MPa下静置2h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：400℃保温3小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；150℃保温1h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，250℃反应1h；制备得到铝合金板材；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，使用偏压调控的容性耦合等离子体装置对基底外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，先加热装置至基底温度为300℃，气压0.5Pa；然后向装置内通60sccm的氮气和10sccm的氩气，调节气压在75Pa；再开启射频电源和偏压电源进行放电，利用氮-氩等离子体对基底表面进行10min清洗；再通乙硼烷和硅烷进行PCVD沉积，乙硼烷为氢气载气，浓度为4％，硅烷为氮气载气，浓度为9％；沉积结束后，关闭射频和偏压电源、硼烷和硅烷供气和加热器，继续通入氮气和氩气保护样品，等待装置冷却后，关闭氮气和氩气供气和真空系统，取出样品；
S2：采用拉拔设备对S1得到的样品进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在5％，拉伸速度为800mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S3：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗5min，获得成品。
对比例1：将步骤一铝合金原料中三种稀土元素去掉，其余与实施例1相同，具体步骤如下：步骤一：将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Al余量，在780℃加热60min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，150MPa下静置3h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：450℃保温5小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；200℃保温3h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，350℃反应3h；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，使用偏压调控的容性耦合等离子体装置对基底外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，先加热装置至基底温度为350℃，气压1.0Pa；然后向装置内通60sccm的氮气和10sccm的氩气，调节气压在85Pa；再开启射频电源和偏压电源进行放电，利用氮-氩等离子体对基底表面进行16min清洗；再通乙硼烷和硅烷进行PCVD沉积，乙硼烷为氢气载气，浓度为4％，硅烷为氮气载气，浓度为9％；沉积结束后，关闭射频和偏压电源、硼烷和硅烷供气和加热器，继续通入氮气和氩气保护样品，等待装置冷却后，关闭氮气和氩气供气和真空系统，取出样品；
S2：采用拉拔设备对S1得到的样品进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在25％，拉伸速度为1000mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S3：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗7min，获得成品。
对比例2：将步骤一中铝合金原料的成分中稀土元素的比例从2：1：6变为4：1：6，其余与实施例1相同，具体步骤如下：步骤一：预热加热炉，350℃加热2h；将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Pr：0.4％，Ce：0.1％，Nd：0.6％，Al余量，在780℃加热60min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，150MPa下静置3h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：450℃保温5小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；200℃保温3h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，350℃反应3h；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，使用偏压调控的容性耦合等离子体装置对基底外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，先加热装置至基底温度为350℃，气压1.0Pa；然后向装置内通60sccm的氮气和10sccm的氩气，调节气压在85Pa；再开启射频电源和偏压电源进行放电，利用氮-氩等离子体对基底表面进行16min清洗；再通乙硼烷和硅烷进行PCVD沉积，乙硼烷为氢气载气，浓度为4％，硅烷为氮气载气，浓度为9％；沉积结束后，关闭射频和偏压电源、硼烷和硅烷供气和加热器，继续通入氮气和氩气保护样品，等待装置冷却后，关闭氮气和氩气供气和真空系统，取出样品；
S2：采用拉拔设备对S1得到的样品进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在25％，拉伸速度为1000mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S3：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗7min，获得成品。
对比例3：将步骤四中S1：在铝合金表面制备Si-B-N薄膜去掉，其余与实施例1相同，具体步骤如下：步骤一：将高强度耐腐蚀铝合金原料装入加热炉中，铝合金原料以质量分数计，Mg：1.6％，Si：2.4％，Sr：0.06％，Mn：1.0％，Pr：0.2％，Ce：0.1％，Nd：0.6％，Al余量，在780℃加热60min，得到铝合金溶液；
步骤二：以质量份数计，在铝合金溶液中加入5份细化剂细化晶粒，再加入25精炼剂充分反应除气除渣；将熔炼好的金属液浇注到已经预热的坩埚中，150MPa下静置3h后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：450℃保温5小时，对铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧；200℃保温3h，进行三个道次的冷轧；冷轧后对合金进行退火处理，350℃反应3h；
步骤四：铝合金管道的制备：
S1：采用拉拔设备对步骤三得到的铝合金管坯毛料进行多模拉拔处理，每一模的道次加工率控制在25％，拉伸速度为1000mm/min，制备得到成型的铝合金管道；
S2：将S2制备得到的铝合金管道在超声条件下去离子水洗7min，获得成品。
检测试验：
取实施例1-3和对比例1-3进行性能测试；屈服强度测试：测定下屈服强度，采用标准GB/T228.1—2010，将样品裁剪成矩形状，应变速率为0.00025s-1～0.0025s-1，应力速率为2-20MPa/s，通过拉力拉伸测定屈服强度。抗拉强度测试：采用标准GB/T228.1—2010，将样品裁剪成矩形状，在应变速率不大于0.008s-1的条件下通过拉力拉伸测定抗拉强度。腐蚀性能测试：通过电化学腐蚀评估材料的腐蚀行为，采用GAMRY稳压器分析在NaCl溶液中的动电位极化和电化学阻抗谱，将表面积为1cm2的试样在NaCl溶液中浸泡0.5h，然后采用重量损失法计算试样的腐蚀速率。实验数据如下表：
结论：实施例1-实施例3用量不变，只修改部分反应参数。由实验数据可知，铝合金管道的各项性能并无明显波动变化。对比例1：将步骤一中铝合金原料的成分之一0.2％稀土元素Pr去掉，其余与实施例1相同，由实验数据可知，屈服强度和抗拉强度都产生了下降，材料的强度变差，腐蚀速率无明显变化。对比例2：将步骤一中铝合金原料的成分之一稀土元素Pr用量增加一倍，使稀土元素的比例从2：1：6变为4：1：6，其余与实施例1相同，由实验数据可知，屈服强度和抗拉强度都有所提升，但是强度变化不明显，因此得以验证在铝合金原料中添加稀土元素Pr、Ce和Nd的比例在2：1：6时，能够较好的增强铝合金的屈服强度和抗拉强度，提升铝合金的力学性能；腐蚀速率则无明显变化。对比例3：将步骤四中S1：在铝合金表面制备Si-B-N薄膜去掉，其余与实施例1相同，由实验数据可知，屈服强度和抗拉强度无明显变化，但是腐蚀速率上升，说明材料的耐腐蚀性能下降。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将铝合金原料混合，升温熔炼至铝合金原料完全熔化，得到铝合金溶液；其中铝合金原料包括：以质量分数计，Mg：0.8-1.6％，Si：2.0-2.4％，Sr：0.06-0.08％，Mn：0.5-1.0％，稀土：0.3-1.2％，Al余量；稀土中包括稀土元素Pr、Ce和Nd，质量分数比为2：1：6；
步骤二：在所述铝合金溶液中加入细化剂、精炼剂，浇注成型，静置后形成铝合金管坯毛料；
步骤三：对所述铝合金管坯毛料进行五个道次的热轧，热轧进行三个道次的冷轧，冷轧后退火处理；
步骤四：对步骤三得到的铝合金管坯毛料外表面进行Si-B-N薄膜的等离子化学气相沉积，沉积后将铝合金拉拔成型和清洗，制备得到一种高强度耐腐蚀的铝合金管道。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤一中，熔炼条件为730-780℃加热40-60min。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤二中，静置条件为：100-150MPa压力下静置2-3h。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤三中，热轧处理为400-450℃保温3-5小时，冷轧处理为150-200℃保温1-3h，退火处理为在240-280℃保温1-3h。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述Si-B-N薄膜的制备方法为：以步骤三得到的铝合金管坯毛料为基底，加热至基底温度为300-350℃，气压为0.5-1.0Pa；通入50-60sccm的氮气和5-10sccm的氩气，调节气压在75-85Pa；再对基底表面进行等离子清洗，清洗时间为10-16min；通入乙硼烷和硅烷，进行PCVD沉积，在铝合金板材表面形成Si-B-N薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤四中，乙硼烷为氢气载气，浓度为2-4％，硅烷为氮气载气，浓度为5-9％。
7.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述拉拔成型的工艺参数为：加工率控制在6％-25％，拉伸速度为100-1000mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀的铝合金管道的制备方法，其特征在于，步骤四中，清洗条件为：超声条件下去离子水洗5-7min。
9.一种高强度耐腐蚀的铝合金管道，其特征在于：根据权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到。
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