CN112375999A - 一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其中，所述方法包括以下步骤：1）初始材料固溶处理：经固溶处理使初始合金材料的组织达到过饱和固溶状态；2）时效预析出：待固溶处理后的铝合金材料冷却至室温后，进行时效处理；3）轧制变形处理：对时效处理的铝合金材料冷却至室温后进行冷水保护的多道次轧制变形；低温退火处理：对轧制变形的铝合金材料进行低温退火处理。本发明方法是一种可产业化生产纳米板材的加工方法，通过大塑性变形和退火处理构筑了纳米晶和纳米析出物的复合结构，在提高材料成形性的同时，显著提升材料的强度和塑韧性。

Description

一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法

技术领域

本发明涉及一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，属于 材料加工技术领域。

背景技术

铝合金因其重量轻、资源丰富和良好的可加工性等，在汽车工业、航空航天 等领域广泛应用。目前现有的传统热处理方式已经无法满足工业发展的需求。细 化组织已被证明是改善铝合金材料性能的有效手段。因此，为了生产高质量的铝 合金，细化铝合金材料变得尤为重要。

近年来，细化组织的研究主要集中在大塑性变形技术(Severe plasticdeformation,SPD)，如等通道挤压(ECAP)、累积叠轧(ARB)、高压扭转(HPT) 等。利用大塑性变形技术可以制备获得铝合金纳米结构材料，使其具有高强度、 高硬度、高扩散速率等优异的力学和物理性能。但要实现铝合金纳米结构材料的 规模化生产和工业化应用还存在一定难度，主要原因在于：(1)纳米材料的塑性 韧性及热稳定性有待改善；(2)能够实现工业化生产的方法很少。如等通道挤压 和高压扭转难以生产大尺寸的样品，累积叠轧过程中板材容易发生分离，使这些 方法难以在工业上实现批量化生产。

析出强化型的2系和7系铝合金是应用最为普遍的铝合金，该类型铝合金在 T6状态(固溶处理后人工时效状态)下由于强度、硬度较高，室温成形性较差， 不适合室温冷轧。而采用固溶态进行冷轧时，由于轧制热易于产生动态析出，也 会显著降低该类材料的室温成形性。目前，有方案采用液氮轧制的方法来改善析 出强化高强铝合金的成形性，但液氮轧制时待加工板材需经过液氮浸泡预处理， 或者直接在液氮中轧制，该工艺方法能耗高、实现性差。

发明内容

基于上述，本发明提供一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理 方法，该方法简单易行，在加工设备和板材尺寸上不受限制。并且采用该方法处 理的铝合金板材不仅具有超细晶/纳米晶的细晶组织状态，而且具有较高的强度 和较好的拉伸塑性。

本发明的技术方案是：一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理 方法，其中，所述方法包括以下步骤：

1)初始材料固溶处理：经固溶处理使初始合金材料的组织达到过饱和固溶 状态；

2)时效预析出：待固溶处理后的铝合金材料冷却至室温后，进行时效处理；

3)轧制变形处理：对时效处理的铝合金材料冷却至室温后进行冷水保护的 多道次轧制变形；

4)低温退火处理：对轧制变形的铝合金材料进行低温退火处理。

可选的，步骤1)中，固溶处理的温度为520～560℃，保温时间为13～16h； 步骤2)中，时效处理的温度为130～160℃，时间为1～3h；步骤4)中，低温退 火处理的温度为100～160℃，时间为10～25h。

可选的，所述铝合金为2000系铝合金板材。

可选的，所述铝合金为Al-Cu-Mn合金。

可选的，步骤1)中在540℃保温14h。

可选的，步骤2)中在140℃时效2h。

可选的，步骤3)中，总轧制变形量控制在变形量控制在70％～90％。

可选的，步骤3)中轧制变形量为铝合金厚度变化量/铝合金的初始厚度。

可选的，所述轧制次数为6次以上。

可选的，步骤4)中低温退火温度为130℃，处理时间为20h。

本发明的有益效果是：本发明首先利用固溶处理获得单相组织，采用多道次 轧制累积大的塑性变形量，实现铝合金材料的纳米化。这一工艺取代了目前多采 用的液氮轧制，利用多道次轧制，累积大变形并实现显著降低轧制变形热的目的， 从而抑制轧制过程中的动态析出，改善了析出强化铝合金的轧制成形性。此后， 采用合理的低温退火工艺，在抑制晶粒长大的同时获得纳米级的第二相组织，从 而构筑了复合纳米结构，进一步提升铝合金纳米板材的强度和塑性。

具体来说，采用本发明方法对2xxx系铝合金板材进行处理时，一方面固溶 处理后的预时效会在基体中产生大量的亚稳相，这些亚稳相通常是由数十个或上 百个原子的原子团簇组成。在轧制变形过程中，上述偏聚的溶质原子对位错的运 动和交互作用会产生一定的影响。此外，这些溶质原子对位错的钉扎作用能有效 降低变形过程中动态回复的发生，使合金在变形后具备大量的位错密度。另一方 面，通常传统的加工方式中，大量的机械能在变形过程中会以热能的形式释放掉， 但本发明中由于变形过程中的水冷和原子团簇的作用，使更多的能量以缺陷的形 式保留在基体内部。变形后的低温退火使位错通过滑移、攀移和累积在基体内形 成了超细晶和纳米晶。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

1、本发明方法是一种可产业化生产纳米板材的加工方法，通过大塑性变形 和退火处理构筑了纳米晶和纳米析出物的复合结构，在提高材料成形性的同时， 显著提升材料的强度和塑韧性。

2、本发明工艺流程简单且操作方便，省时省力，具有良好的可推广性。

3、相比传统细化晶粒的技术，本发明可适用于各种尺寸产品的生产制造， 具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例的形变热处理工艺流程图；

图2为本发明实施例铝合金板组织图；

图3为本发明实施例板材内部晶粒统计图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本 发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于 充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本 领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下 面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领 域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只 是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及 /或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本发明一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方 法，该方法包括以下步骤：

1)将初始厚度为5mm的Al-Cu-Mn合金板材在540℃保温14h，使其达到过 饱和固溶态；

2)将步骤1)中固溶处理后的板材在160℃进行预时效处理，时间为1h；

3)将步骤2)中预时效处理后的板材水冷至室温后进行冷水保护的10道轧 制变形，变形量为90％；

4)将步骤3)中变形后的板材在100℃进行低温退火处理，时间为20h。

实施例2

请参阅图1，本发明一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方 法，该方法包括以下步骤：

1)将初始厚度为5mm的Al-Cu-Mn合金板材在560℃保温13h，使其达到过 饱和固溶态；

2)将步骤1)中固溶处理后的板材在130℃进行预时效处理，时间为3h；

3)将步骤2)中预时效处理后的板材水冷至室温后进行冷水保护的10道轧 制变形，变形量为70％；

4)将步骤3)中变形后的板材在160℃进行低温退火处理，时间为25h。

实施例3

请参阅图1，本发明一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方 法，该方法包括以下步骤：

1)将初始厚度为5mm的Al-Cu-Mn合金板材在520℃保温16h，使其达到过 饱和固溶态；

2)将步骤1)中固溶处理后的板材在140℃进行预时效处理，时间为2h；

3)将步骤2)中预时效处理后的板材水冷至室温后进行冷水保护的10道轧 制变形，变形量为80％；

4)将步骤3)中变形后的板材在160℃进行低温退火处理，时间为10h。

对实施例1至3制得的细晶状态样品进行组织观察，观察面为样品表面，通 过砂纸水磨平整，用线切割切取200μm的薄片，然后再对样品进行离子减薄和 冲孔，在透射电子显微镜下观察其相应的组织形貌。经统计，本工艺方法处理好 后的Al-Cu-Mn合金的晶粒尺度可以细化至约200nm。图2左侧图为实施例1的 组织图，图2右侧图为实施例2的组织图，图3左侧图为实施例1内部晶粒统计 图，图3右侧图为实施例1内部晶粒统计图。

下面设计试验对本发明的机理进行验证说明：

一、试验说明

1、材料

材料为211ZX铝合金，是在中国有色金属标准委员会注册的新牌号(GB/T 29434-2012)，该型铝合金具有高强、高韧、高硬度、优异的耐腐蚀性能，目前 已经被广泛应用在航空航天领域，如在中国贵州平塘500米口径射电天文望远镜 上，该合金被加工为反射单元面板。211ZX铝合金中铜是主要的合金元素，并添 加了少量的锰、稀土以及R元素，其化学成分如表1所示。

表1 211ZX铝合金的化学成分

2、试验

设计四种不同的加工和热处理工艺，如表2所示。

表2 211ZX铝合金的形变热处理工艺

	固效处理	轧制变形处理	低温退火处理
				1#	540℃14h		160℃10h/T6
2#	540℃14h	2道次轧制，变形量1.04	-
				3#	540℃14h	10道次轧制，变形量2.04	100℃25h
4#	540℃14h	10道次轧制，变形量2.04	160℃25h

3、检测

为了研究固溶、轧制和低温退火工艺对211XZ铝合金组织演化的影响，采 用OM/XRD/TEM分别观察了铝合金微观形貌、析出相等组织特征的变化，并利 用MTS8501拉伸试验机进行不同试样的力学性能测试，通过对固溶强化、位错 强化、细晶强化和析出强化的定量计算，揭示复合纳米结构对211ZX铝合金强 度的贡献，并借助位错密度、析出相演化特征和应***化指数深入分析了复合纳 米结构对211ZX铝合金板材拉伸塑性的影响。

二、分析

1、复合纳米结构微观组织演变

对固溶态材料进行2道次和10个道次的轧制后，发现2道次轧制后，受 211ZX铝合金室温轧制成形性的限制，轧制表面出现了宏观裂纹和轧制缺陷，对 轧后的组织进行微观结构分析，发现了尺寸不等的析出物，显然轧制热诱发的析 出物显著降低了该材料的室温成形性。

将轧制10个道次后的材料沿RD-TD和RD-ND面分别取样进行微观组织观 察，对比固溶状态可以看出，原始晶粒尺寸为150μm的等轴晶，在累积变形后 晶粒被拉长为层状结构，在RD-TD面层与层的界面较为平直，而在RD-ND面 能够观察到S形的切变条带。在211ZX合金中，由于多道次轧制降低了变形热， 铜元素将以固溶原子的形式显著抑制交滑移，因此加速板材内部的组织变形和变 形缺陷的累积，从而形成了剪切带。

2、时效硬化行为及力学性能

211ZX铝合金为时效强化型铝合金，为提升固溶-冷轧后的板材强度，需进 一步进行时效处理。在本试验中，通过透射电镜分析，可明确多道次累积轧制后 的板材已细化至纳米级别。由于纳米结构在热力学上处于亚稳状态，在适当的外 界条件下，其界面往往会通过迁移等方式发生晶粒长大，而纳米结构材料一旦发 生晶粒长大，将失去其本征的优异性能。因此，本试验采用长时低温退火处理， 力图避免晶粒长大对强度的影响。通过时效硬化曲线处理可知在100℃进行长时 热处理，合金的硬度不降并有小幅提升，在25h时出现峰值。而在温度较高的 160℃时效处理时，合金的硬度先是略微升高，之后随着时效时间的延长缓慢下 降。结合RD方向板材进行的室温单轴静态拉伸实验，可知经过固溶-轧制-100℃时效处理的板材具有最高拉伸强度，其抗拉强度为607MPa，远高于T6热处理 板材的478MPa。此外，该状态下板材的均匀延伸率较固溶轧制大塑性变形后纳 米晶的延伸率提高了5％，这表明低温长时退火处理不仅提高了纳米板材的强度， 也改善了纳米材料的拉伸塑性。

3、复合纳米结构的特点及形成机制

对纳米晶的形成机制进行研究，可知当变形量增大到一定程度后，因位错的 增值、塞积、交互作用将形成各种高密度的位错组态。观察固溶-冷轧样品的TEM 图，可以发现大量位错缠结并以位错胞的形式存在，统计位错胞的直径在 0.2～0.8μm，等轴状的胞与胞之间有稠密的位错墙。在TEM图片中也观察到大 量棒状的第二相，其尺寸在0.2～0.5μm，EDS显示主要成分为Al、Cu和Mn。 有文献表明该相为T相(Al20Cu2Mn3)，T相具有高的热力学稳定性，只在较高 温度和高温剧烈变形时才会分解。在T相附近，能观察到大量的位错缠结和位 错胞，且胞的尺寸较基体中位错胞的尺寸更细小，显然T相有利于位错胞的形 成和组织的细化。研究表明第二相会影响组织细化过程中的塑性变形行为，具有 亚微米间距尺寸的第二相可以作为位错源发射位错，促进位错的增值。在211ZX 铝合金中，由于T相尺寸较大且与基体界面存在非共格性，因此位错不易于穿 过最终导致了位错的大量增值，并最终促进位错胞的形成和组织的细化。利用 XRD和TEM分析，可知多道次累积轧制已经将组织细化至纳米级别。通过对轧 制变形后XRD衍射峰宽化特征的分析，采用Williamson-Hall法线性拟合，可以 计算获得轧制后的平均晶粒尺寸为200nm。大变形组织低温退火后，可见面密度 较大的纳米级析出相，析出相尺寸在10nm左右，HRTEM表明析出相主要为θ′ 相，在TEM图片中，并未发现第二相在晶界位置偏聚和长大，第二相析出表现 为晶内位错形核。

通过对轧制-热处理工艺的设计和控制，最终可以获得超细晶、纳米晶、位 错网状结构和高密度纳米析出相组成的复合纳米结构。借助TEM图分析，可以 明确变形过程中T相能促进位错增值、位错胞的形成和细化，经过退火后，T相 周围也更易于形成晶粒细小的纳米晶。因此，T相在211ZX铝合金中对组织细 化具有促进作用。同时，冷轧变形引入的晶内位错结构能够促进第二相在纳米晶 内的析出，位错等缺陷促进了析出形核位置的数量，并促进了纳米晶内的纳米第 二相析出。

4、复合纳米结构的强化机制

铝合金的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化和析出强化。对于 固溶-轧制-低温退火的211ZX铝合金板材，Cu、Mn元素的固溶，轧制过程中的 位错增值、晶粒的纳米化以及弥散分布的析出相均会对该合金板材的强度做出贡 献，以下将对四种强化机制进行定量计算。

采用经典的Hall-Petch公式计算细晶强化的贡献：

Δ_gb＝σ₀+K₁d^-1/2 (1)

式中，σ₀是由晶体结构确定的剪切应力，取决于纯Al的晶体结构和位错密度， 而是霍尔-佩奇斜率，D是有效晶粒尺寸。在本试验中，σ₀和k₁分别为20MPa和0.04 MPa/m-1/2。因此，低温退火后合金的Δ_gb计算值为102.51MPa。

位错对强度的贡献可用以下公式来计算：

Δσ_d＝MαGbρ^1/2 (2)

式中，M为平均取向因子，对于面心立方金属来说，取值为3.06；α为常 数，取值为0.27；G是剪切模量，取值为26.2GPa；b为伯格矢量，取值为0.286； 根据XRD测试，可以计算出轧制-退火态组织的位错密度ρ为5.9*1014m-2，故 位错增值导致的强度贡献为150.24MPa。对于固溶强化，有研究表明，变形试 样在后续的退火过程中不断消耗过饱和固溶体中的溶质原子产生析出相，在达到 峰时效时，样品几乎失去了固溶强化效果。通过时效硬化曲线可以看出，变形试 样在100℃退火25h时的硬度最大，可认为达到峰时效状态，可认为低温退火态 样品的值为0。析出相对强度的贡献可用以下公式来计算：

式中x为析出相的平均直径，l是析出相之间的平均间距。由TEM和 HRTEM可知两者分别为7.56nm和30.81nm。因此，低温退火态试样的值为 156.28MPa。

通过以上模型计算可知，虽然后续的低温退火使位错发生回复，但残存的位 错仍然具有一定的强化作用。此外，在位错回复和固溶强化效果消失的情况下， 轧制-退火态试样强度的提高主要归因于析出强化、位错强化和细晶强化。

5、复合纳米结构对塑性的影响机制

对于纳米材料而言，通常采用拉伸均匀延伸率和形***化指数来表征其塑性 变形的能力。本使用中经过轧制-长时低温退火态组织均匀延伸率较轧制态也有 了显著提高。结合本试验中的工艺，低温长时退火不可避免产生位错的回复，导 致位错密度的降低。通过XRD曲线上衍射峰的宽化特征，计算2#和3#试样的 位错密度分别为8.7*1014m-2和5.9*1014m-2，发现退火后位错密度稍有降低， 这有利于改善冷轧变形后材料的加工硬化能力。此外，对比2#和3#，发现长时 低温退火后，集体中出现了大量纳米级的析出相，因此可以判断析出相对塑性变 形和形***化能力有影响显著。

通过对拉伸前后断口附近取样进行TEM分析，能直观发现析出相对塑性变 形的影响机制。低温退火后，TEM图片显示冷轧纳米晶中析出了大量的纳米级 第二相，该相的尺寸为50nm以下，选区衍射斑点显示析出相主要为亚稳的θ″ 和θ′。在TEM高分辨图片中，能发现两相与基体界面具有共格关系。申请人 对比了4#样品中未变形区域和变形区域的微观组织形态，可以发现第二相附近 有稠密的位错组织，且第二相的形状发生扭曲，析出相的边界趋于模糊，这表明 位错与析出相产生了强烈的交互作用。通过对(200)晶面的反傅里叶变换获得晶 格图，发现在弥散的第二相附近，位错密度显著增加，这表面第二相能显著增加 纳米晶材料的应***化能力。

通过以上分析，可知低温长时退火导致位错的回复，以及弥散分布的纳米析 出物对形变位错的增值产生重要影响，两者均能提高合金的塑性和形***化能 力，其中纳米析出物对塑性的影响显著。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求 为准。

Claims (10)

1.一种在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其中，所述方法包括以下步骤：

1)初始材料固溶处理：经固溶处理使初始合金材料的组织达到过饱和固溶状态；

2)时效预析出：待固溶处理后的铝合金材料冷却至室温后，进行时效处理；

3)轧制变形处理：对时效处理的铝合金材料冷却至室温后进行冷水保护的多道次轧制变形；

4)低温退火处理：对轧制变形的铝合金材料进行低温退火处理。

2.根据权利要求1所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其中，

步骤1)中，固溶处理的温度为520～560℃，保温时间为13～16h；

步骤2)中，时效处理的温度为130～160℃，时间为1～3h；

步骤4)中，低温退火处理的温度为100～160℃，时间为10～25h。

3.根据权利要求2所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，所述铝合金为2000系铝合金板材。

4.根据权利要求3所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，所述铝合金为Al-Cu-Mn合金。

5.根据权利要求2所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，步骤1)中在540℃保温14h。

6.根据权利要求2所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，步骤2)中在140℃时效2h。

7.根据权利要求1所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，步骤3)中，总轧制变形量控制在变形量控制在70％～90％。

8.根据权利要求7所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，步骤3)中轧制变形量为铝合金厚度变化量/铝合金的初始厚度。

9.根据权利要求1所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，所述轧制次数为6次以上。

10.根据权利要求2所述的在铝合金材料中获得复合纳米结构的形变热处理方法，其特征在于，步骤4)中低温退火温度为130℃，处理时间为20h。

Images