CN106399762B - 一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法，该铝合金型材包括铝合金基体和陶瓷涂层，铝合金基体的原料包括：Cu、Si、Fe、Cr、Mg、Mn、Zn、Ti、Li、Ni、Zr、Y、W、V，其余为Al；陶瓷涂层的原料包括：SiC、Cr2O3、NiO、Cr3C2、Al2O3、Si3N4。本发明提出的高强度耐腐蚀铝合金型材，将陶瓷粉末等离子熔覆在铝合金基体表面，再经激光重熔，使得到的铝合金型材具有良好的强度、硬度、抗冲击韧性等力学性能，同时也具有耐腐蚀性与耐磨性好、使用寿命长等优点。

Description

一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法。
背景技术
由于铝合金具有很多优异的物理化学性能，因此被广泛应用到国民经济的各个领域。铝合金的表面暴露在大气中时，会在其表面覆盖一层很薄的自然氧化膜，但是由于其表面的自然氧化膜很容易被腐蚀，从而大大降低了铝合金材料的使用寿命。因此，通常会对铝合金型材进行表面处理，现有的铝合金型材表面处理工艺有阳极氧化、电解着色、电泳涂漆、粉末喷涂、氟碳漆喷涂、拉丝等，这些表面处理工艺均起到一定的耐腐蚀效果，但是随着人们对铝合金型材的性能要求的提高，现有的铝合金型材在耐腐蚀性与强度上还有待提高。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法，该铝合金型材具有良好的强度、硬度、抗冲击韧性等力学性能，同时也具有耐腐蚀性与耐磨性好、使用寿命长等优点。
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.35-0.65％、Si：0.16-0.21％、Fe：0.3-0.5％、Cr：0.4-0.7％、Mg：0.65-1％、Mn：0.2-0.5％、Zn：0.2-0.7％、Ti：0.1-0.35％、Li：0.1-0.2％、Ni：0.15-0.4％、Zr：0.06-0.18％、Y：0.04-0.15％、W：0.04-0.09％、V：0.06-0.12％，其余为Al。
具体实施方式中，Cu的质量分数还可以为0.38％、0.43％、0.48％、0.54％、0.62％，Si的质量分数还可以为0.175％、0.186％、0.195％、0.202％，Fe的质量分数还可以为0.35％、0.39％、0.42％、0.45％、0.48％，Cr的质量分数还可以为0.45％、0.52％、0.58％、0.64％、0.68％，Mg的质量分数还可以为0.72％、0.78％、0.85％、0.92％、0.97％，Mn的质量分数还可以为0.25％、0.35％、0.42％、0.48％，Zn的质量分数还可以为0.28％、0.36％、0.45％、0.54％、0.68％，Ti的质量分数还可以为0.16％、0.22％、0.28％、0.32％，Li的质量分数还可以为0.12％、0.15％、0.17％、0.185％，Ni的质量分数还可以为0.2％、0.25％、0.3％、0.36％、0.385％，Zr的质量分数还可以为0.09％、0.11％、0.13％、0.15％、0.165％，Y的质量分数还可以为0.06％、0.08％、0.1％、0.12％、0.135％，W的质量分数还可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％，V的质量分数还可以为0.08％、0.09％、0.1％、0.114％，其余为Al。
优选地，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末。
优选地，所述纳米陶瓷粉末的粒径为55-80nm。
优选地，所述纳米陶瓷粉末的原料按重量份包括：20-30份SiC、10-20份Cr2O3、15-25份NiO、12-20份Cr3C2、20-30份Al2O3、5-12份Si3N4。
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，经均匀化处理后得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后进行热处理得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在110-130℃保温5-6h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材。
优选地，在S1中，均匀化处理过程的具体步骤如下：将铝合金铸锭在450-470℃下均匀化处理2-3h，再在490-510℃下均匀化处理1.5-2.5h，然后在530-550℃下均匀化处理1-2h，得到初级铝合金铸锭。
优选地，在S2中，热处理的具体步骤如下：将挤压成型后的初级铝合金铸锭置于300-320℃下保温2-3h，再降温至220-240℃，保温3-4h，然后降温至150-165℃，保温6-7h，空冷至室温后得到铝合金基体。
优选地，等离子熔覆处理的工艺参数如下：同步送粉，离子气体流量为2-5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为6-9L/min，转移弧电压为20-35V，转移电流为80-120A，喷距为10-25mm，功率为1.8-3KW，扫描速度为5-10mm/s，等离子弧光斑直径为2-4mm，等离子熔覆层厚度为1.5-2.5mm。
优选地，激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2-3.5mm，扫描速度为5-8mm/s，功率为1.7-2.2KW。
优选地，激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2.5-3mm，扫描速度为6-7mm/s，功率为1.8-2.1KW。
本发明中通过控制Cr、Mn、V、W、Al的含量，为铝合金基体具有良好的力学性能奠定了基础；控制Y、Si、Zr、Ti、Li在铝合金基体中的含量，在制备铝合金基体的过程中具有良好的脱氧效果与细化晶粒作用，有效避免晶间腐蚀，降低了铝合金基体的开裂敏感性，改善铝合金基体的性能，其中，Zr、Li生成强化相Al3Zr、Al2CuLi，提高了铝合金基体的强度与韧性，Y、Si与Fe配合提高铝合金基体的抗疲劳性能；通过控制Al、Cu、Mg、Zn的含量，形成弥散分布的强化相Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2，各强化相协同作用，细化了铸态晶粒，提高铝合金基体的位错密度与再结晶温度，抑制了再结晶，提高了铝合金基体的拉伸强度、屈服强度、硬度、韧性等力学性能；在制备过程中，对铝合金铸锭进行均匀化处理过程中，在不同温度范围内设置均匀化处理时间，改善了强化相析出的大小与分布，提高了铝合金的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性与加工性能，降低变形抗力，避免非平衡凝固导致原料不均匀和非平衡凝固组织效应导致的非平衡组织与粗大析出相出现；随后将初级铝合金铸锭挤压成型后采用逐步降温的方式，通过控制温度与保温时间，使初级铝合金组织细化，阻止再结晶行为，防止挤压成型的铝合金基体出现开裂现象，进一步强化了铝合金型材的强度、韧性与耐腐蚀性能；在等离子熔覆过程中，由于纳米陶瓷粉末具有较大的比表面积，对能量吸收利用率高，通过合理设置等离子熔覆的各项参数，使SiC、Cr3C2在高温下部分分解的C与Al生成细针状的枝晶Al4C3，Si、Cr固溶在铝合金基体中，提高了陶瓷涂层的硬度及与铝合金基体的结合强度，Cr2O3、NiO、Al2O3配合，弥散分布在熔融铝合金表面微细亚晶粒之间，并一起构成胞状树枝晶结构，且纳米级的Cr2O3、B2O3、Al2O3在铝合金表面还起到弥散强化和细晶强化的作用，改善熔覆层的组织结构，使其具有良好的强度、硬度及抗冲击性能，纳米陶瓷粉末中SiC、Cr2O3、NiO、Cr3C2、Al2O3、Si3N4配合，彼此间具有增强效果，整体上提高了陶瓷涂层的强度、硬度、韧性等力学性能和耐腐蚀性；再经激光重熔，细化铝合金型材表面组织晶粒，改善陶瓷涂层的层状结构，提高铝合金表面的位错密度及陶瓷涂层与铝合金基体的结合强度，对铝合金型材的力学性能具有增强效果，提高铝合金型材的耐磨性与耐腐蚀性，延长了铝合金型材的使用寿命。本发明提出的高强度耐腐蚀铝合金型材，将纳米陶瓷粉末等离子熔覆在铝合金基体表面，再经激光重熔，使得到的铝合金型材具有良好的强度、硬度、抗冲击韧性等力学性能，同时也具有耐腐蚀性与耐磨性好、使用寿命长等优点。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.35％、Si：0.21％、Fe：0.3％、Cr：0.7％、Mg：0.65％、Mn：0.5％、Zn：0.2％、Ti：0.35％、Li：0.1％、Ni：0.4％、Zr：0.06％、Y：0.15％、W：0.04％、V：0.12％，其余为Al。
其中，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，其原料按重量份包括：20份SiC、20份Cr2O3、15份NiO、20份Cr3C2、20份Al2O3、12份Si3N4；
本发明还提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，经均匀化处理后得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后进行热处理得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在110℃保温6h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材。
实施例2
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.65％、Si：0.16％、Fe：0.5％、Cr：0.4％、Mg：1％、Mn：0.2％、Zn：0.7％、Ti：0.1％、Li：0.2％、Ni：0.15％、Zr：0.18％、Y：0.04％、W：0.09％、V：0.06％，其余为Al。
其中，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，其原料按重量份包括：30份SiC、10份Cr2O3、25份NiO、12份Cr3C2、30份Al2O3、5份Si3N4；
本发明还提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，经均匀化处理后得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后置于320℃下保温2h，再降温至240℃，保温3h，然后降温至165℃，保温6h，空冷至室温后得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在130℃保温5h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材。
实施例3
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.53％、Si：0.18％、Fe：0.41％、Cr：0.55％、Mg：0.82％、Mn：0.33％、Zn：0.45％、Ti：0.22％、Li：0.15％、Ni：0.28％、Zr：0.12％、Y：0.11％、W：0.065％、V：0.095％，其余为Al。
其中，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，其粒径为70nm，纳米陶瓷粉末的原料按重量份包括：25份SiC、15份Cr2O3、20份NiO、16份Cr3C2、25份Al2O3、8份Si3N4；
本发明还提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，将铝合金铸锭在460℃下均匀化处理2.5h，再在500℃下均匀化处理2h，然后在540℃下均匀化处理1.5h，得到初级铝合金铸锭。；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后置于310℃下保温2.5h，再降温至230℃，保温3.5h，然后降温至158℃，保温6.6h，空冷至室温后得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在110-130℃保温5-6h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材；其中，等离子熔覆处理的工艺参数如下：同步送粉，离子气体流量为3.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为7.5L/min，转移弧电压为28V，转移电流为100A，喷距为17mm，功率为2.4KW，扫描速度为7.5mm/s，等离子弧光斑直径为3mm，等离子熔覆层厚度为2mm；激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2.8mm，扫描速度为6.5mm/s，功率为1.95KW。
实施例4
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.42％、Si：0.195％、Fe：0.35％、Cr：0.65％、Mg：0.78％、Mn：0.45％、Zn：0.35％、Ti：0.28％、Li：0.12％、Ni：0.35％、Zr：0.12％、Y：0.12％、W：0.05％、V：0.09％，其余为Al。
其中，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，其粒径为55nm，纳米陶瓷粉末的原料按重量份包括：22份SiC、17份Cr2O3、17份NiO、18份Cr3C2、23份Al2O3、10份Si3N4；
本发明还提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，将铝合金铸锭在450℃下均匀化处理3h，再在490℃下均匀化处理2.5h，然后在530℃下均匀化处理2h，得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后置于300℃下保温3h，再降温至220℃，保温4h，然后降温至150℃，保温7h，空冷至室温后得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在110℃保温6h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材；其中，等离子熔覆处理的工艺参数如下：同步送粉，离子气体流量为2L/min，保护气体为氩气且氩气流量为6L/min，转移弧电压为35V，转移电流为120A，喷距为10mm，功率为1.8KW，扫描速度为5mm/s，等离子弧光斑直径为4mm，等离子熔覆层厚度为1.5mm；激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2mm，扫描速度为8mm/s，功率为1.7KW。
实施例5
本发明提出的一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.6％、Si：19.2％、Fe：0.45％、Cr：0.46％、Mg：0.84％、Mn：0.27％、Zn：0.67％、Ti：0.15％、Li：0.18％、Ni：0.2％、Zr：0.14％、Y：0.06％、W：0.08％、V：0.08％，其余为Al。
其中，所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，其粒径为80nm，纳米陶瓷粉末的原料按重量份包括：27份SiC、12份Cr2O3、22份NiO、14份Cr3C2、28份Al2O3、7.5份Si3N4；
本发明还提出了一种高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，将铝合金铸锭在470℃下均匀化处理2h，再在510℃下均匀化处理1.5h，然后在550℃下均匀化处理1h，得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后置于320℃下保温2h，再降温至240℃，保温3h，然后降温至165℃，保温6h，空冷至室温后得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在130℃保温5h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材；其中，等离子熔覆处理的工艺参数如下：同步送粉，离子气体流量为5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为9L/min，转移弧电压为20V，转移电流为80A，喷距为25mm，功率为3KW，扫描速度为10mm/s，等离子弧光斑直径为2mm，等离子熔覆层厚度为2.5mm；激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为3.5mm，扫描速度为5mm/s，功率为2.2KW。
对本发明实施例5中所述高强度耐腐蚀铝合金型材在常温常压下进行性能测试，与现有技术相比结果如下表所示：
现有技术 实施例5
屈服强度/MPa 276 318
拉伸强度/MPa 310 357
硬度/HRC 95 103.5
断裂延伸率1.6mm厚度/％ 12 13.4
通过上述表格可以看出，本发明所述高强度耐腐蚀铝合金型材与现有技术相比，在屈服强度、拉伸强度、硬度和断裂延伸率方面都得到了提升，表现出更加优异的性能，更适合于生产使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高强度耐腐蚀铝合金型材，其特征在于，其包括铝合金基体和陶瓷涂层，所述铝合金基体按质量分数包括以下成分：Cu：0.35-0.48％、Si：0.16-0.21％、Fe：0.3-0.5％、Cr：0.4-0.7％、Mg：0.65-1％、Mn：0.2-0.5％、Zn：0.45-0.7％、Ti：0.1-0.28％、Li：0.1-0.2％、Ni：0.15-0.4％、Zr：0.06-0.18％、Y：0.04-0.15％、W：0.04-0.09％、V：0.06-0.12％，其余为Al；
所述陶瓷涂层的原料为纳米陶瓷粉末，所述纳米陶瓷粉末的原料按重量份包括：20-30份SiC、10-20份Cr2O3、15-25份NiO、12-20份Cr3C2、20-30份Al2O3、5-12份Si3N4。
2.根据权利要求1所述高强度耐腐蚀铝合金型材，其特征在于，所述纳米陶瓷粉末的粒径为55-80nm。
3.一种如权利要求1或2所述高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，其特征在于，按照以下工艺进行制备：
S1、将原料进行熔炼后得到铝合金铸锭，经均匀化处理后得到初级铝合金铸锭；
S2、将初级铝合金铸锭进行挤压成型后进行热处理得到铝合金基体；
S3、将铝合金基体打磨后清洗，对铝合金基体表面进行等离子熔覆处理，得到陶瓷涂层，冷却至室温，再对其进行激光重熔，空冷至室温，然后在110-130℃保温5-6h，冷却至室温后得到所述高强度耐腐蚀铝合金型材。
4.根据权利要求3所述高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，其特征在于，在S1中，均匀化处理过程的具体步骤如下：将铝合金铸锭在450-470℃下均匀化处理2-3h，再在490-510℃下均匀化处理1.5-2.5h，然后在530-550℃下均匀化处理1-2h，得到初级铝合金铸锭。
5.根据权利要求3所述高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，其特征在于，在S2中，热处理的具体步骤如下：将挤压成型后的初级铝合金铸锭置于300-320℃下保温2-3h，再降温至220-240℃，保温3-4h，然后降温至150-165℃，保温6-7h，空冷至室温后得到铝合金基体。
6.根据权利要求3所述高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，其特征在于，等离子熔覆处理的工艺参数如下：同步送粉，离子气体流量为2-5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为6-9L/min，转移弧电压为20-35V，转移电流为80-120A，喷距为10-25mm，功率为1.8-3kW，扫描速度为5-10mm/s，等离子弧光斑直径为2-4mm，等离子熔覆层厚度为1.5-2.5mm。
7.根据权利要求3所述高强度耐腐蚀铝合金型材的制备方法，其特征在于，激光重熔的工艺参数如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2-3.5mm，扫描速度为5-8mm/s，功率为1.7-2.2kW。
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