CN116837258B - 双球形颗粒增强的Al-Mg系合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双球形颗粒增强的Al‑Mg系合金及其制造方法。所述Al‑Mg系合金包括Al合金基体、Ti相和TiAl3相，所述Al合金基体包括α‑Al以及稀土元素和Mg，所述Ti相为固溶有Al和V的α‑Ti固溶体，所述Ti相和所述TiAl3相中的每个大体呈球形。根据本发明的双球形颗粒增强的Al‑Mg系合金，通过包括近球形的Ti相和TiAl3相，能够同步优化合金的组织形貌并提升合金的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种双球形颗粒增强的Al-Mg系合金。
背景技术
Al-Mg系合金是最耐腐蚀的铝合金，其密度低，强度和韧性较高，切削加工性能好，适用于制造腐蚀介质作用下承受载荷的零件，如海洋船舶部件、机器壳体等。
然而，Al-Mg系合金不能通过热处理强化，其力学的提升受到制约。此外，Al-Mg系合金的结晶温度范围较宽，流动性较差，且易热裂，凝固组织中的粗大树枝晶会进一步阻碍力学性能的提升。
发明内容
本发明提供一种能够提高Al-Mg系合金的力学性能的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金。
根据本发明的实施例，提供一种双球形颗粒增强的Al-Mg系合金，所述Al-Mg系合金包括Al合金基体、Ti相和TiAl3相，所述Al合金基体包括α-Al以及稀土元素和Mg，所述Ti相为固溶有Al和V的α-Ti固溶体，所述Ti相和所述TiAl3相中的每个大体呈球形。
可选地，所述Ti相和所述TiAl3相中的每个的球形的长轴与短轴的比为1.0至1.5。
可选地，所述Ti相中固溶的Al元素的含量相对于所述Ti相的总含量为1.5wt％-6.8wt％，所述Ti相中固溶的V元素的含量相对于所述Ti相的总含量为1.0wt％-4.5wt％。
可选地，所述稀土元素包括La和Ce中的至少一种。
可选地，所述Ti相与所述Al合金基体的界面上形成有反应过渡层TiAl3。
可选地，稀土元素的至少一部分分布在所述TiAl3相与所述Al合金基体的界面上。
可选地，基于所述Al-Mg系合金的总重量，所述Ti相的含量为0.2wt％-5wt％，所述TiAl3相的含量为0.2wt％-6wt％。
可选地，所述Ti相的尺寸小于150μm，所述TiAl3相的尺寸小于20μm。
可选地，所述Al-Mg系合金还包括Mn、Si和Fe中的至少一种。
可选地，基于所述Al-Mg系合金的总重量，Mg的含量为4.5wt％-9.5wt％，稀土元素的总含量为0.05wt％-0.25wt％。
根据本发明的另一方面，提供一种双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法，所述制造方法包括：向熔炼炉内加入铝，加热熔化并调整熔体温度至750℃-1100℃；向熔炼炉内加入钛，待完全反应后，向熔炼炉内添加稀土元素并调整熔体温度至730℃-850℃；向熔炼炉中加入镁；调整熔体温度至730℃-800℃，加入Ti-6Al-4V颗粒，保温1min～3min后进行浇注。
可选地，在向熔炼炉中加入镁的步骤中：向熔炼炉中加入硅、Al-Mn中间合金和Al-Fe中间合金中的至少一种。
可选地，所述Ti-6Al-4V颗粒的粒度为1μm～150μm。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金，通过包括近球形的Ti相和TiAl3相，能够同步优化合金的组织形貌并提升合金的力学性能。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法，原料成本低、工艺装备简单、绿色环保，产业化潜力高。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的实施例的Al-Mg系合金的微观图像；
图2是使用扫描电子显微镜和电子探针对根据本发明的实施例的Al-Mg系合金中的TiAl3相进行分析的图。
具体实施方式
在下文中，将描述本公开的实施例。然而，本公开可按照许多不同的形式例示并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将要把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
应理解的是，当在说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其列举存在所陈述的材料和/或成分，但不排除存在或添加一种或更多种其它材料和/或成分。
双球形颗粒增强的Al-Mg系合金
图1是根据本发明的实施例的Al-Mg系合金的微观图像，图2是使用扫描电子显微镜和电子探针对根据本发明的实施例的Al-Mg系合金中的TiAl3相进行分析的图。以下，结合图1和图2对根据本发明的实施例的Al-Mg系合金的构成进行分析。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金可包括Al合金基体、Ti相和TiAl3相，Al合金基体包括α-Al以及稀土元素和Mg，Ti相为固溶有Al和V的α-Ti固溶体，Ti相和TiAl3相中的每个大体呈球形。
根据本发明的实施例，Ti相与TiAl3相均为近球形，在材料受力承载过程中，产生应力集中的倾向小，且能够有效阻碍位错运动并传递载荷，提高材料的力学性能。此外，Ti相的耐蚀性好，强度高，TiAl3相的强度和断裂韧性高，且与Al基体晶格匹配度极高。球形TiAl3相不仅能够起到增强相作用，还可通过包晶反应以及直接形核有效细化α-Al的晶粒尺寸，改善α-Al的枝晶形貌，提高流动性，减少或消除缩松缩气孔以及浇不足等铸造缺陷。这是提高合金力学性能和服役性能的重要保障。因此，根据本发明的实施例的Al-Mg系合金通过包括双球形颗粒的Ti相和TiAl3相，能够同步优化合金的组织形貌并提升合金的力学性能。
以下，将对根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金进行详细描述。
根据本发明的实施例，双球形颗粒增强的Al-Mg系合金可包括Al合金基体以及Ti相(如图1所示)和TiAl3相(如图2所示)。如图1和图2所示，Ti相和TiAl3相中的每个大体呈球形。Ti相和TiAl3相中的每个大体呈球形是指与板状、条状、枝晶状相比，Ti相和TiAl3相大致呈球形形状，也就是说，Ti相和TiAl3相可能不具有几何意义上精确的球形形状。作为示例，Ti相和TiAl3相中的每个大体呈球形可指Ti相和TiAl3相中的每个的球形的长轴与短轴的比为1.0至1.5。其中，在如图1和图2所示的微观图像中，长轴是指Ti相颗粒或TiAl3相颗粒的最大尺寸，短轴是指Ti相颗粒或TiAl3相颗粒的最小尺寸。
根据本发明的实施例，Al合金基体包括α-Al以及Mg和稀土元素。根据本发明的实施例，基于Al-Mg系合金的总重量，Mg的含量可以为4.5wt％-9.5wt％。
作为示例，稀土元素可包括La和Ce中的至少一种。除此之外，稀土元素还可包括Nd、Pr等。作为示例，稀土元素可以以混合稀土的形式被引入，即，在制造Al-Mg系合金时，可加入混合稀土。稀土元素可用于在TiAl3颗粒长大的过程中起到变质作用，使其由不规则块状变为圆整的球状。
根据本发明的实施例，为了有效地将TiAl3颗粒由不规则块状变为圆整的球状基于Al-Mg系合金的总重量，稀土元素的总含量可以为0.05wt％-0.25wt％。
根据本发明的实施例，Ti相可以为固溶有Al和V的α-Ti固溶体，从而可提高其在铝熔体中的化学稳定性和热稳定性，为保持球形结构提供基础。根据Al-Mg系合金的具体成分，Ti相中还可固溶其它元素，而不限于仅固溶Al和V。
根据本发明的实施例，Ti相中固溶的Al元素的含量相对于Ti相的总含量为1.5wt％-6.8wt％，Ti相中固溶的V元素的含量相对于Ti相的总含量为1.0wt％-4.5wt％。
根据本发明的实施例，如图1所示，Ti相与Al合金基体的界面上形成有反应过渡层TiAl3。反应过渡层TiAl3能够降低Ti相与Al基体的界面能，提高界面结合强度，有利于载荷传递，进而提高合金力学性能。
根据本发明的实施例，如图1所示，Ti相的尺寸可小于150μm。然而，本发明不限于此。
根据本发明的实施例，基于Al-Mg系合金的总重量，Ti相的含量可以为0.2wt％-5wt％。当Ti相的含量小于0.2wt％时，提升合金的力学性能的效果可能不足。当Ti相的含量大于5wt％时，Ti相的尺寸可能会增大。
图2示出了TiAl3相的形貌和成分分析。从图2可看出，稀土元素的至少一部分分布在球形TiAl3与Al合金基体的界面上。稀土元素可以在TiAl3长大过程中起到变质作用，使其由不规则块状变为圆整的球状。
如图2所示，TiAl3相的尺寸小于20μm。可选地，TiAl3相的尺寸可小于10μm。
根据本发明的实施例，基于Al-Mg系合金的总重量，TiAl3相的含量为0.2wt％-6wt％。当TiAl3相的含量小于0.2wt％时，提升合金的力学性能的效果可能不足。当TiAl3相的含量大于6wt％时，TiAl3相的尺寸可能会增大。
根据本发明的实施例，Al-Mg系合金还可包括Mn、Si和Fe中的至少一种。此外，Al-Mg系合金还可根据需要包括其它元素，本发明对此不做具体限制。作为示例，基于Al-Mg系合金的总重量，Si的重量比可以为0.9wt％-1.5wt％，Mn的重量比可以0.1wt％-0.5wt％，Fe的重量比可以为0.1wt％-0.4wt％，然而本发明不限于此。
双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法
以下，将描述根据本发明的实施例的双球形颗粒增强铝合金材料的制造方法。然而，应理解的是，根据本发明的实施例的双球形颗粒增强铝合金材料不受以下描述的制造方法的限制，通过其它方法制造的具有以上描述的结构的铝合金材料也在本公开的保护范围内。
根据本发明的另一实施例，还可提供一种双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法。双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法可包括：向熔炼炉内加入铝，加热熔化并调整熔体温度至750℃-1100℃；向熔炼炉内加入钛，待完全反应后，向熔炼炉内添加稀土元素并调整熔体温度至730℃-850℃；向熔炼炉中加入镁；调整熔体温度至730℃-800℃，加入Ti-6Al-4V颗粒，保温1min～3min后进行浇注。
具体地，首先向熔炼炉内加入铝(例如，纯铝)，加热熔化并调整熔体温度至750℃-1100℃。
然后，向熔炼炉内加入钛(例如，海绵钛)，待完全反应后，添加稀土元素，并迅速调整熔体温度至730℃-850℃。在降温过程中TiAl3相开始析出，添加稀土元素能够变质其形貌，由不规则块状变为圆整的球状，迅速降温可为TiAl3相的尺寸细小和弥散分布提供条件。
稀土元素可包括La和Ce中的至少一种。除此之外，稀土元素还可包括Nd、Pr等。作为示例，可以以混合稀土的形式加入。稀土元素可用于在TiAl3颗粒长大的过程中起到变质作用，使其由不规则块状变为圆整的球状。
接下来，向熔炼炉中加入镁(例如，纯镁)。基于Al-Mg系合金的总重量，Mg的含量可以为4.5wt％-9.5wt％。
在该步骤中，还可向熔炼炉中加入硅(例如，纯硅)、Al-Mn中间合金和Al-Fe中间合金中的至少一种。作为示例，基于Al-Mg系合金的总重量，Si的重量比可以为0.9wt％-1.5wt％，Mn的重量比可以0.1wt％-0.5wt％，Fe的重量比可以为0.1wt％-0.4wt％，然而本发明不限于此。
最后，调整熔体温度至730℃-800℃，加入Ti-6Al-4V颗粒，保温1min-3min后进行浇注。Ti-6Al-4V颗粒还可被称为TC4颗粒，为固溶Al和V的Ti颗粒。Ti-6Al-4V颗粒的粒度可以为1μm～150μm。在保温过程中，Ti-6Al-4V颗粒与铝合金熔体发生界面反应生成TiAl3过渡层，提高球形Ti与铝基体的界面结合强度。如果保温时间小于1min，则过渡层可能生成不充分，影响界面结合，如果保温时间大于3min，则反应可能过度，破坏球形结构。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法，原料成本低、工艺装备简单、绿色环保，产业化潜力高。制备得到的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的晶粒细小，组织均匀、铸造缺陷少，强韧性高，耐蚀性能好，适用范围广。
以下，描述根据本发明的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法的三个具体实施例。
实施例1
按照重量百分比为5.0wt％的Mg，0.9wt％的硅，0.25wt％的锰，1.0wt％的海绵钛，2.5wt％的TC4颗粒(粒度为60μm-120μm)，0.15wt％的混合稀土，余量为Al，准备以下原材料：纯铝、海绵钛、TC4颗粒、混合稀土、纯镁、纯硅、Al-Mn中间合金。
然后，向熔炼炉中加入准备好的纯铝，加热熔化并调整熔体温度至950℃，添加海绵钛，待完全反应后，添加混合稀土，并迅速调整熔体温度至760℃。
接下来，向上述熔体中加入纯镁、纯硅、Al-Mn中间合金，待完全溶解后，调整熔体温度至740℃。
然后，向上述熔体中添加TC4颗粒，保温1.5min。
最后，浇注得到双球形颗粒增强铝合金材料。
实施例2
按照重量百分比为4.5wt％的Mg，1.5wt％的硅，0.4wt％的锰，0.2wt％的Fe，1.6wt％的海绵钛，3.5wt％的TC4颗粒(粒度为10μm-30μm)，0.2wt％的混合稀土，准备以下原材料：纯铝、海绵钛、TC4颗粒、混合稀土、纯镁、纯硅、Al-Mn中间合金、Al-Fe中间合金。
然后，向熔炼炉中加入准备好的纯铝，加热熔化并调整熔体温度至1020℃，添加海绵钛，待完全反应后，添加混合稀土，并迅速调整熔体温度至780℃。
接下来，向上述熔体中加入纯镁、纯硅、Al-Mn中间合金、Al-Fe中间合金，待完全溶解后，调整熔体温度至740℃。
然后，向上述熔体中添加特定粒度的TC4颗粒，保温2min。
最后，浇注得到双球形颗粒增强铝合金材料。
实施例3
按照重量百分比为9.5wt％的Mg，0.1wt％的Fe，0.8wt％的海绵钛，1.6wt％的TC4颗粒(粒度为40μm-80μm)，0.1wt％的混合稀土，准备以下原材料：纯铝、海绵钛、TC4颗粒、混合稀土、纯镁、Al-Fe中间合金等。
然后，向熔炼炉中加入准备好的纯铝，加热熔化并调整熔体温度至900℃，添加海绵钛，待完全反应后，添加稀土，并迅速调整熔体温度至740℃。
接下来，向上述熔体中加入纯镁、Al-Fe中间合金，待完全溶解后，调整熔体温度至735℃。
然后，向上述熔体中添加特定粒度的TC4颗粒，保温1min。
最后，浇注得到双球形颗粒增强铝合金材料。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金，通过包括近球形的Ti相和TiAl3相，能够同步优化合金的组织形貌并提升合金的力学性能。
根据本发明的实施例的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法，原料成本低、工艺装备简单、绿色环保，产业化潜力高。
尽管已经参照实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (13)
1.一种双球形颗粒增强的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Al-Mg系合金包括Al合金基体、Ti相和TiAl3相，所述Al合金基体包括α-Al以及稀土元素和Mg，所述Ti相为固溶有Al和V的α-Ti固溶体，所述Ti相和所述TiAl3相中的每个大体呈球形。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Ti相和所述TiAl3相中的每个的球形的长轴与短轴的比为1.0至1.5。
3.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Ti相中固溶的Al元素的含量相对于所述Ti相的总含量为1.5wt％-6.8wt％，所述Ti相中固溶的V元素的含量相对于所述Ti相的总含量为1.0wt％-4.5wt％。
4.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述稀土元素包括La和Ce中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Ti相与所述Al合金基体的界面上形成有反应过渡层TiAl3。
6.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述稀土元素的至少一部分分布在所述TiAl3相与所述Al合金基体的界面上。
7.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，基于所述Al-Mg系合金的总重量，所述Ti相的含量为0.2wt％-5wt％，所述TiAl3相的含量为0.2wt％-6wt％。
8.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Ti相的尺寸小于150μm，所述TiAl3相的尺寸小于20μm。
9.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，所述Al-Mg系合金还包括Mn、Si和Fe中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的Al-Mg系合金，其特征在于，基于所述Al-Mg系合金的总重量，Mg的含量为4.5wt％-9.5wt％，稀土元素的总含量为0.05wt％-0.25wt％。
11.一种根据权利要求1所述的双球形颗粒增强的Al-Mg系合金的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
向熔炼炉内加入铝，加热熔化并调整熔体温度至750℃-1100℃；
向熔炼炉内加入钛，待完全反应后，向熔炼炉内添加稀土元素并调整熔体温度至730℃-850℃；
向熔炼炉中加入镁；
调整熔体温度至730℃-800℃，加入Ti-6Al-4V颗粒，保温1min～3min后进行浇注。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在向熔炼炉中加入镁的步骤中：
向熔炼炉中加入硅、Al-Mn中间合金和Al-Fe中间合金中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述Ti-6Al-4V颗粒的粒度为1μm～150μm。
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