CN1216166C - 粉末冶金法制备高强度铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用粉末冶金方法制造高强度铝合金制品工艺。该工艺用预制的原子百分比含量为Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂的合金粉末在模具中热压成型而获得抗压强度大于820MPa的高强度铝合金制品，其合金粉末粒度≤40μm、压制压力为1GPa-1.6GPa、压制温度为480℃-530℃。所说的Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂合金粉末是由熔炼的中间合金在氩气保护下采用超声波雾化法制取。本工艺简单，操作方便，压制温度在一定范围内容易控制。采用本发明技术方案制备的铝合金的硬度和强度明显优于传统的高强铝合金。

Description

粉末冶金法制备高强度铝合金

技术领域

本发明涉及一种用粉末冶金方法制造高强度铝合金制品工艺。

背景技术

本世纪七十年代以来，科学技术在生产和生活的各个领域获得突飞猛进的发展。特别是航空航天等高新技术的发展，对材料的各种性能提出了一系列的新要求。其中主要包括：要求材料的比刚度、比强度高、耐腐蚀、耐磨损。随着科学技术的发展，各国汽车工业向安全、环保、节能方向发展，其中最主要的措施之一是使用铝合金减轻汽车自重。

目前提高铝合金的强度主要有以下几种方法：1、合金化方法：在铝合金中添加Cu、Zn、Mg等合金元素来增强合金强度；2.塑性变形法；3.组织非晶化法，包括组织为非晶相或纳米晶、α-Al基体分布纳米尺寸金属间化合物粒子、α-Al基体分布纳米尺寸准晶相。

通过合金化方法目前在实验室中可获得最高强度740MPa的铝合金，实际应用的铝合金最高强度为540MPa，用合金化方法进一步提高铝合金强度很困难。而用冷塑性变形方法来提高合金强度受形状和尺寸的制约，而且合金的塑性急剧下降，并且不稳定。第三种方法目前取得了很大的进展，可获得比传统方法更高强度的铝合金。在近几年的研究中，各种高含Al量(Al≥85％)非晶合金合金条带，其表现出了优异的综合机械性能：拉伸断裂强度＞1000MPa、良好的弯曲韧性、耐腐蚀。1987年出现了第一份Al基非晶合金报告，合Al量85-90at％的合金由于其化合物具有优良的韧性和高强度而引起广泛的注意。1988年以来Inoue等人分别研究Al-Ln-TM系非晶态合金。制取的合金条带的拉伸强度超过1000MPa，最高可达1250MPa，是普通高强度Al合金强度的2倍。

非晶态高强铝合金的形成方法主要是熔体急冷法，需要极高冷却速度来抑制晶体的生成，从而得到非晶态，所以形成的非晶态合金的形态至少在一个方向上尺寸很小，如薄膜，条带，粉末。这些形态在一定程度上限制了非晶态合金的应用，尤其是在工程材料方面。尽管非晶态合金有很高的强度，比强度和良好的耐腐蚀性，但是难以制成机器零件。

发明内容

本发明的目的是提供一种粉末冶金法制备高强度铝合金工艺，采用该工艺可获得抗压强度大于820MPa的高强度铝合金制品。

本发明高强度铝合金的制造工艺特点是：用预制的原子百分比含量为Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂的合金粉末在模具中热压成型而获得抗压强度大于820MPa的高强度铝合金制品，其合金粉末粒度≤40μm、压制压力为1GPa-1.6GPa、压制温度为480℃-530℃。

合金成分的选择：

合金的成分设计主要考虑材料的成本和性能。性能主要是指其力学性能(σ_b、HRC、耐磨性)。从降低合金成本考虑，合金的铝含量应大于85％(原子百分数)，同时应该含有一定量的镍或锰和镧系等元素形成非常细小的强化相。本发明通过大量实验，将上述两种合金作为优选组分。

合金粉末的制备：

采用纯度为99.9％的Al，Ni，Mn，99％La和Ce分别按原子百分比混合，在电弧炉中熔炼成中间合金，然后在氩气保护下采用超声波雾化法制取合金粉术，气体冷却速度约为10³K/s制取的合金粉末粒度为小于40μm。

压制工艺的确定：1、温度的选择：是获得致密的块体合金的前提，压制时要发生表面熔化才能获得致密的合金，即压制温度高于0.8Tm(Tm合金熔点)。而只有发生粉末表面熔化，压制合金的致密度才能很高。压制温度应在480℃-530℃。2、压力选择：压制条件下压力产生应力集中，破坏合金粉末表面的氧化铝膜(由于合金粉末制备和储备中形成)，使得合金粉末的新鲜表面相互接触，同时合金粉末发生表面熔化所产生的液相填充粉末粒子之间的空隙。压力不小于1GPa时能获得致密的块体合金制品。

压制铝合全的密度和空隙率的测量。

压制试样的密度测定采用阿基米德法在精度为十万分之一的光电天平上进行。合金的空隙率(δ)由下式计算：

                                  δ＝(ρ_tρ_m)/ρ_t

ρ_t和ρ_m；分别为合金的计算理论密度和测量密度。测量结果显示，合金的密度随着压制温度的增加而增加。在较低温度下压制，合金的空隙大而且组织中仍保持粉木颗粒形状。随着温度的增加，组织密度增加。压制块体合金的空隙率可低于2％。

组织与性能：

压制合金的显微组织在低于200℃压制合金组织仍保留粉末的原有球状形貌。随着压制温度的增加，仍可见粉末的形貌(参阅图2)。只有压制温度为320℃时，粉末的形貌消失，组织中没有明显的空隙(参阅图3)。温度高于粉末发生表面熔化温度(即0.8Tm)，得到完全再结晶的枝晶组织。温度进一步增加，合金的微观组织相同，合金为细小的再结晶组织(参阅图4)。

X衍射结构分析分析结果，AlLaNi合金组织为α-Al，La₃Al，LaNi，Al₃Ni，La3Al_II化合物和Al₂O₃，AlMnCe合金由α-Al，MnAl₆，Al₄Ce化合物和Al₂O₃组成。合金的强化主要为这些金属间化合物和氧化物的贡献(参阅图5)

研制的合金最高硬度可达到HRc31，抗压强度可达到950MPa。耐磨性高于105铝合金(见应用实例1和2)。

采用本发明技术方案制备的铝合金具有以下效果：

1.本发明技术方案的制备高强度铝合金的工艺简单操作方便，压制温度在一定范围内容易控制。

2、采用本发明技术方案制备的铝合金的硬度和强度明显优于传统的高强铝合金。

附图说明

图1是压制装置示意图。

图2是280℃压制合金的光学显微照片。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。

图3是320℃压制合金的光学显微照片。(a)AlMnCe合金，(b)AlLaNt合金。

图4是500℃压制合金电子显微照片。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。

图5是合金X射线衍射曲线。(a)AlMnCe合金，(b)AlLaNi合金。

图6是压制合金的空隙度与压制温度的关系曲线。

图7是压制合金的抗压强度与压制温度的关系曲线。

图8是不同压制温度下所获压制合金的耐磨性曲线。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。

具体实施方式

应用实施例1：

用Al₈₆La₁₀Ni₄(原子百分数)合金粉末，压力为1.2GPa压制合金，压制工艺装置简示如图1。

当温度低于200℃时压制不能形成块体合金，合金的空隙率随着压制温度增加而增加。高于773K下压制，合金的空隙率小于3％(参阅图6所示)。合金的硬度最高可达HRC31，合金的抗压强度最高达950MPa(参阅图7)。合金的耐磨性是105铝合金的2倍(参阅图8(a))。

在不同的温度下压制Al₈₆La₁₀Ni₄合金性能见表1。

            表1压制Al₈₆La₁₀Ni₄合金性能测试结果

压制温度	维氏硬度Hv	洛氏硬度HRC	空隙率％	抗压强度MPa
					480℃	371	27	3.12	900
520℃	362	31	2.57	950
					530℃	252	26	1.59	890

应用实施例2：

采用Al₉₀Mn₈Ce₂(原子百分数)冶金粉末压制合金。

低于473K压制不能形成块体合金，压制合金的空隙率随着压制温度增加而增加。高于500℃下压制，合金的空隙率小于1％(参阅图6所示)，合金的硬度最高可达HRC26，合金的抗压强度最高达895MPa(参阅图7)。合金的耐磨性是105铝合金的3倍(参阅图8(b))。

在不同的温度下压制Al₉₀Mn₈Ce₂合金性能见表2。

         表2压制Al₉₀Mn₈Ce₂合金性能测试结果

压制温度	维氏硬度Hv	洛氏硬度HRC	空隙率％	抗压强度Mpa
					480℃	235	18	0.94	825
520℃	268	26	0.81	895
					530℃	258	24	0.80	820

上述实施例所用的Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂合金粉末均是由熔炼的中间合金在氩气保护下采用超声波雾化法制取，粉末粒度≤40μm。

Claims (2)

1.粉末冶金法制备高强度铝合金工艺，其特征在于用预制的原子百分比含量为Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂的合金粉末在模具中热压成型而获得抗压强度大于820MPa的高强度铝合金制品，其合金粉末粒度≤40μm、压制压力为1GPa-1.6GPa、压制温度为480℃-530℃。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备高强度铝合金工艺，其特征在于所说的Al₈₆La₁₀Ni₄或Al₉₀Mn₈Ce₂合金粉末是由熔炼的中间合金在氩气保护下采用超声波雾化法制取。

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