CN112760577A - 同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法 - Google Patents

同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，一方面通过高能脉冲热轧大变形，将原材料通过较少轧制道次加工至指定厚度，以减少后续深冷轧制变形道次，减少液氮消耗并节约能源，缩短轧制周期。并且大变形量热轧利于愈合铸态材料内部的气孔、疏松等缺陷，改善AlCoCrFeNi高熵合金颗粒与铝基体界面的结合状态，提高复合材料的致密度。瞬时脉冲产生的电塑性效应以及热轧高温产生的固溶效应都促进溶质Cu原子的扩散，减少晶界脆性Al‑Cu相，增大基体的塑性变形能力。另一方面采用深冷轧制工艺，通过70‑90％的大变形量可大幅度增加基体内的位错密度，达到形变强化和细晶的效果，从而使复合材料板材强度和塑性得到进一步提高。

Description

同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的 方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料轧制技术领域，特别涉及一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法。
背景技术
铝基复合材料不仅具有铝合金低密度、良好的铸造和焊接性能以及稳定的低温性能，还具有增强相的高强、高弹性模量、耐磨耐腐蚀以及耐高温氧化等特点，因此在具有节能减重要求的汽车、高铁、飞机蒙皮等运输行业以及运载火箭、洲际导弹等军器制造行业具有广泛的应用前景。
目前通常采用室温轧制或高温热轧的方式制备铝基复合材料板材。但由于AlCoCrFeNi高熵合金增强相具有较高的强度和硬度，室温轧制时板材加工硬化明显，单道次变形量一般较小(<5％)，达到目标变形量所需道次较多，轧制时间长，能源消耗大，生产效率较低。并且2219铝合金作为基体材料，主要溶质Cu元素的质量分数为5.8-6.8％，超过了在铝基体内的最大溶解度，因此基体晶界上通常存在较多尺寸粗大的脆性Al-Cu析出相。室温变形时Al-Cu结晶相处极易产生应力集中，成为裂纹优先形核和扩展源，导致轧制过程出现开裂或崩裂等情况。而高温热轧减少了晶界上的脆性Al-Cu相，增加了材料塑性变形能力，但变形过程动态回复和再结晶发生较快，材料内累积位错密度低，变形后晶粒粗大，晶界平直，导致板材强度较低。
另一方面，目前国内外还未有关于铝基AlCoCrFeNi高熵合金复合材料高能脉冲热轧以及深冷成形方面的研究报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，结合高温变形条件下铝合金的塑性变形能力提升，高能脉冲电流促进原子扩散以及深冷成形工艺阻碍位错运动、提高材料变形抗力等工艺特点，采用高能脉冲热轧与深冷轧制变形结合的制备工艺，同时提高复合材料的塑性与强度，最终获得综合性能优良的铝基复合材料板材。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，包括如下步骤：
第一步：取采用金属铸造工艺制备的2219铝基AlCoCrFeNi高熵合金复合材料铸锭，置于均匀化退火炉内，随炉升温至460℃，保温10h进行均匀化退火，退火完成后随炉冷却至室温；
第二步：从均匀化退火态的铸锭上切割厚度为10-15mm的复合材料板材，置于电阻炉内随炉升温至510-530℃，保温0.5-1h；
第三步：保温时间结束后，取出板材并转移至轧机上进行单道次热轧，单道次最大变形量为40-65％，待轧辊咬入板材后，向板材两端施加高能脉冲电流；
第四步：将单道次热轧后的板材重新置于510-530℃电阻炉内保温15-20min；
第五步：重复第三步与第四步，直至板材厚度达到2mm±0.05mm，热轧结束并立即置于-150℃液氮深冷箱内保温15-20min；
第六步：将第五步结束后的板材置于电阻炉内随炉加热进行强化固溶处理；
第七步：待第六步完成后，立即取出板材并置于-150℃液氮深冷箱内进行深冷淬火，深冷箱淬火时间15-20min；
第八步：将板材从深冷箱内取出，立即置于轧机内进行深冷轧制，单道次变形量25-40％；
第九步：单道次深冷轧制后，将板材再次置于-150℃液氮深冷箱内保温，保温时间15-20min；
第十步：重复第八步与第九步，直至深冷轧制总变形量为75-95％，复合材料板材厚度达到设计尺寸后终止。
所述第三步、第七步和第八步中，转移时间均小于5s。
所述第三步中，高能脉冲电流的幅值为1500-3000A，频率为100-250Hz，占空比为5-15％，采用具备恒温模式的脉冲电源，将红外线测温装置安装在板材轧后出料口附近，设置报警温度为525-535℃，当温度超过设定温度后脉冲电源将发出警报并停止电流输出，轧辊选用陶瓷轧辊，且轧辊与传动轴之间安装有绝缘片，防止脉冲电流传导至轧机。
所述第六步中，固溶温度设置为535-541℃，保温时间1.5-3h。
所述第八步中，轧机上下辊和板材表面喷淋液氮进行深冷降温处理，液氮喷淋量为1-3.5L/min。
采用本发明方法后，复合材料铝基体内的Cu溶质溶解度提高20-35％，板材单次深冷轧制最大变形量增加至35-40％，成形后的极限抗拉强度提高25-40％，断裂延伸率提高75％以上。此方法简单高效，应用方便，节约电能及液氮消耗，提高了高强高塑性复合板材的成形效率。
附图说明
图1是本发明工艺流程图，其中(a)为脉冲热轧过程，(b)为深冷轧制过程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，一方面通过高能脉冲热轧大变形，将原材料通过较少轧制道次加工至指定厚度，以减少后续深冷轧制变形道次，减少液氮消耗并节约能源，缩短轧制周期。并且大变形量热轧利于愈合铸态材料内部的气孔、疏松等缺陷，改善AlCoCrFeNi高熵合金颗粒与铝基体界面的结合状态，提高复合材料的致密度。瞬时脉冲产生的电塑性效应以及热轧高温产生的固溶效应都促进溶质Cu原子的扩散，减少晶界脆性Al-Cu相，增大基体的塑性变形能力。另一方面采用深冷轧制工艺，通过70-90％的大变形量可大幅度增加基体内的位错密度，达到形变强化和细晶的效果，从而使复合材料板材强度和塑性得到进一步提高。
如图1中(a)和(b)所示，本发明的具体步骤如下：
第一步：取采用金属铸造工艺制备的2219铝基AlCoCrFeNi高熵合金复合材料铸锭，置于均匀化退火炉内，随炉升温至460℃，保温10h进行均匀化退火，退火完成后随炉冷却至室温；从均匀化退火态的铸锭上切割厚度为10-15mm的复合材料板材6，置于电阻炉内随炉升温至510-530℃，保温0.5-1h；
第二步：保温时间结束后，取出板材6并转移至轧机上进行单道次热轧，其中转移时间小于5s，单道次最大变形量为40-65％。轧机包括传动辊1、上轧辊2、下轧辊3以及机架4，轧制时板材6的两端连接高能脉冲电流，其中脉冲电流幅值为1500-3000A，频率为100-250Hz，占空比为5-15％。采用具备恒温模式的脉冲电源7，将红外线测温装置5安装在板材6轧后出料口附近，设置报警温度为525-535℃，当温度超过设定温度后脉冲电源7将发出警报并停止电流输出，上轧辊2和下轧辊3均选用陶瓷轧辊，且轧辊与传动轴之间安装有绝缘片，防止脉冲电流传导至轧机；
第三步：将单道次热轧后的板材6重新置于510-530℃电阻炉内保温15-20min；
第四步：重复第二步与第三步，直至复合板材6厚度达到2mm±0.05mm，热轧结束并立即置于-150℃液氮深冷箱内保温15-20min；
第五步：将第四步结束后的板材6置于电阻炉内随炉加热进行强化固溶处理，其中固溶温度设置为535-541℃，保温时间1.5-3h；
第六步：待第五步完成后，立即取出板材6并置于-150℃液氮深冷箱内进行深冷淬火，转移时间小于5s，深冷箱淬火时间15-20min；
第七步：将板材6从深冷箱内取出，立即置于轧机内进行深冷轧制，转移时间小于5s，单道次变形量25-40％，轧机上下辊和板材6的表面利用液氮喷嘴8喷淋液氮进行深冷降温处理，液氮喷淋量为1-3.5L/min，液氮喷嘴8连接液氮罐10，管路上设置四通阀9，控制将液氮喷向轧制前后的板材6的上下表面；
第八步：单道次深冷轧制后，将板材6再次置于-150℃液氮深冷箱内保温，保温时间15-20min；
第九步：重复第六步与第七步，直至深冷轧制总变形量为75-95％，板材6厚度达到设计尺寸后终止
在本发明的一个具体实施例中，将增强相质量分数为1.5％的2219铝基Al0.5CoCrFeNi高熵合金复合材料，厚度8mm，制备成厚度为0.2mm的高强复合材料板材，具体实施过程包括：
第一步：取厚度为8mm的均匀化退火态2219铝基AlCoCrFeNi复合材料铸锭，置于电阻炉内随炉升温至510℃，保温1h；
第二步：保温时间结束后，取出板材并转移至轧机上进行单道次热轧，其中转移时间小于5s，单道次变形量为50％，板材咬入轧机后时向材料两端施加高能脉冲电流，脉冲电流幅值为1500-3000A，频率为100-250Hz，占空比为5-15％。将红外线测温装置安装在轧机机架上，测点问设置在板材轧后出料口附近，预设报警温度为525℃，当超过设定温度后脉冲电源发出警报并停止电流输出；
第三步：第二步完成后将板材重新置于510℃电阻炉内保温20min；
第四步：重复第二步热轧过程，完成后将板材置于-150℃深冷箱内保温20min后取出，此时材料厚度为2±0.05mm；
第五步：将板材置于电阻炉内随炉加热进行强化固溶处理，其中固溶温度设置为540℃，保温时间2.5h；
第六步：强化固溶完成后，立即取出板材并置于-150℃液氮深冷箱内进行深冷淬火，转移时间小于5s，深冷箱淬火时间20min；
第七步：将板材从深冷箱内取出，立即置于轧机内进行深冷轧制，转移时间小于5s，单道次变形量40％，轧机上下辊和板材表面喷淋液氮进行深冷降温处理，液氮喷淋量为1.5L/min；
第八步：单道次深冷轧制后，将板材再次置于-150℃液氮深冷箱内保温，保温时间20min；
第九步：重复第六步与第七步过程3次，直至深冷轧制总变形量为87％，复合材料板材厚度为0.25±0.02mm终止。
此方法制备的2219铝基高熵合金复合材料板材具有较高的极限抗拉强度，比相同变形量下采用传统热轧方式获得的板材抗拉强度提高150MPa以上，比单一深冷轧制方式制备的板材抗拉强度提高了110MPa以上，增长率分别为36％和25％，断裂延伸率提高约75-140％。

Claims (7)

1.一种同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：取采用金属铸造工艺制备的2219铝基AlCoCrFeNi高熵合金复合材料铸锭，置于均匀化退火炉内，随炉升温至460℃，保温10h进行均匀化退火，退火完成后随炉冷却至室温；
第二步：从均匀化退火态的铸锭上切割厚度为10-15mm的复合材料板材，置于电阻炉内随炉升温至510-530℃，保温0.5-1h；
第三步：保温时间结束后，取出板材并转移至轧机上进行单道次热轧，单道次最大变形量为40-65％，待轧辊咬入板材后，向板材两端施加高能脉冲电流；
第四步：将单道次热轧后的板材重新置于510-530℃电阻炉内保温15-20min；
第五步：重复第三步与第四步，直至板材厚度达到2mm±0.05mm，热轧结束并立即置于-150℃液氮深冷箱内保温15-20min；
第六步：将第五步结束后的板材置于电阻炉内随炉加热进行强化固溶处理；
第七步：待第六步完成后，立即取出板材并置于-150℃液氮深冷箱内进行深冷淬火，深冷箱淬火时间15-20min；
第八步：将板材从深冷箱内取出，立即置于轧机内进行深冷轧制，单道次变形量25-40％；
第九步：单道次深冷轧制后，将板材再次置于-150℃液氮深冷箱内保温，保温时间15-20min；
第十步：重复第八步与第九步，直至深冷轧制总变形量为75-95％，复合材料板材厚度达到设计尺寸后终止。
2.根据权利要求1所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，所述第三步、第七步和第八步中，转移时间均小于5s。
3.根据权利要求1所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，所述第三步中，高能脉冲电流的幅值为1500-3000A，频率为100-250Hz，占空比为5-15％。
4.根据权利要求3所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，采用具备恒温模式的脉冲电源，将红外线测温装置安装在板材轧后出料口附近，设置报警温度为525-535℃，当温度超过设定温度后脉冲电源将发出警报并停止电流输出。
5.根据权利要求3所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，所述第三步中，轧辊选用陶瓷轧辊，且轧辊与传动轴之间安装有绝缘片，防止脉冲电流传导至轧机。
6.根据权利要求1所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，所述第六步中，固溶温度设置为535-541℃，保温时间1.5-3h。
7.根据权利要求1所述同时提高2219铝基AlCoCrFeNi复合材料板材强度与塑性的方法，其特征在于，所述第八步中，轧机上下辊和板材表面喷淋液氮进行深冷降温处理，液氮喷淋量为1-3.5L/min。
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