CN113369456B - 一种高性能铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能铝合金的制备方法，属于铝合金的制备技术领域，所述制备方法包括以下步骤：两种不同化学成分的铝合金粉末球磨混合均匀，压制成预置坯，将所述预置坯在铝合金半固态温度下进行部分重熔，结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可得到所述高性能铝合金，本发明通过晶粒尺寸异质性和晶粒化学成分异质性相结合，在塑性变形过程中引起材料非均匀塑性变形，有效抑制应变局域化并提供额外的加工硬化能力，能在提高铝合金强度的同时增加其塑性，进而获得良好的强度和塑性匹配。

Description

一种高性能铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金的制备技术领域，特别是涉及一种高性能铝合金的制备方法。
背景技术
铝合金由于密度低、耐腐蚀性强、易导热导电、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点，在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业等领域得到了广泛的应用。然而大部分牌号的铝合金，如Al-Mg-Si系列铝合金强度中等，在很大程度上限制了其作为结构材料在工业中的大规模应用。常用提高铝合金强度的方法是晶粒细化和加入增强体复合化，前者在将晶粒尺寸降低至亚微米甚至纳米级别时，由于晶粒内部空间限制不能有效存储位错，导致塑性急剧下降；后者通过增强体承载载荷和引入额外位错产生强化，但增强体(一般为微米级)易在变形过程中形成裂纹源造成材料过早失效，致使塑性下降严重。即上述两种技术虽能在很大程度上提升铝合金的强度，但以牺牲塑性为代价，如何在提高铝合金强度的同时，保持甚至提升其塑性是材料研究者所面临的主要挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于晶粒尺寸异质性和晶粒化学成分异质性相结合的粉末触变成形技术制备高性能铝合金的方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高性能铝合金的制备方法，包括以下步骤：两种不同化学成分的铝合金粉末球磨混合均匀，压制成预置坯，将所述预置坯在铝合金半固态温度下进行部分重熔，结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可得到所述高性能铝合金。
进一步地，所述球磨时间为0.5h-4h，球料比为(4-6):1，转速为100r/min-120r/min。
进一步地，所述压制成预置坯的温度为150℃-320℃。
进一步地，所述压制成预置坯的压力为200MPa-400MPa。
进一步地，所述半固态温度为460℃-680℃，触变成形的液相率为20％-40％，部分重熔温度为580℃-640℃。
进一步地，所述部分重熔时间为40min-120min。
进一步地，模具预热温度为150℃-350℃。
本发明还提供由所述的制备方法制备得到的高性能铝合金。
本发明通过引入特定的结构异质性引起材料非均匀塑性变形，有效抑制应变局域化并提供额外的加工硬化能力，进而获得良好的强度和塑性匹配。提出一种利用晶粒尺寸异质性和晶粒化学成分异质性相结合来同时提高铝合金材料强度和塑性的材料强韧化思路及相应的制备方法，以解决在提高铝合金强度的同时，提升其塑性的问题。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明所制备材料组织由粗晶加细晶构成，其中粗晶为未熔化的初生相颗粒，细晶是从液相凝固而来的二次凝固组织，该法制备的铝合金材料具有晶粒尺寸异质性(粗晶+细晶)；
(2)利用粉末触变成形方法的混粉步骤将不同化学成分的铝合金粉末颗粒混合在一起，能够获得晶粒化学成分异质性；
(3)在本发明中，细晶由于晶界强化等因素表现出较高的硬度，而粗晶硬度较低；溶质元素含量多的组织由于固溶强化等因素表现出较高的硬度，而溶质元素含量少的组织硬度较低。由于组织软、硬不同使得在拉伸过程中材料不同区域的变形顺序不同：软的组织先变形，硬的组织后变形，进而在软/硬组织界面处产生大量的几何必须位错以协调不同程度的变形，有效抑制应变局域化并提供额外的加工硬化能力，极大地延缓颈缩的发生，使得该合金具有良好的强度和塑性匹配；
(4)利用粉末表面的氧化物薄膜增加晶粒的热稳定性，提高所制备铝合金异质结构的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中50wt.％A1铝合金+50wt.％A2铝合金材料经过640℃重熔40min后的触变成形光学照片；
图2为实施例1中50wt.％A1铝合金+50wt.％A2铝合金材料经过640℃重熔40min后的不同元素面分布图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明提供一种高性能铝合金的制备方法，包括以下步骤：两种不同化学成分的铝合金粉末球磨混合均匀，真空热压机压制成预置坯，将预置坯放入真空炉在铝合金半固态温度下进行部分重熔，加热结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可得到具有不同尺寸和化学成分的高性能铝合金。
根据以上的制备方法，球磨时间为0.5h-4h，球料比为(4-6):1，转速为100r/min-120r/min。
根据以上的制备方法，压制成预置坯的温度为150℃-320℃。
根据以上的制备方法，压制成预置坯的压力为200MPa-400MPa。
根据以上的制备方法，半固态温度为460℃-680℃，触变成形的液相率为20％-40％，加热温度为580℃-640℃。
根据以上的制备方法，部分重熔时间为40min-120min。
根据以上的制备方法，模具预热温度为150℃-350℃。
本发明还提供由上述制备方法制备得到的高性能铝合金。
实施例1
将50wt.％Al-1.0Mg-0.6Si(wt.％，简记作A1铝合金)+50wt.％Al-13.3Zn-3.7Si(wt.％，简记作A2铝合金)铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，300℃压制成预置坯，预置坯压力为290MPa，将预置坯在640℃进行部分重熔40min，结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为346MPa，断裂延伸率为16.6％。本实施例制备得到的高性能铝合金的触变成形光学照片见图1，不同元素面分布图见图2。由图1可知，该合金的组织是由粗晶+细晶组成；由图2可知，该合金中粗、细晶区存在化学成分差异，即用粉末触变成形技术制备的混合铝合金材料存在晶粒尺寸异质性和晶粒化学成分异质性。
实施例2
将50wt.％A1铝合金+50wt.％A2铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，150℃压制成预置坯，预置坯压力为200MPa，将预置坯在608℃进行部分重熔75min，结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为331MPa，断裂延伸率为15.4％。
实施例3
将50wt.％A1铝合金+50wt.％A2铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，320℃压制成预置坯，预置坯压力为400MPa，将预置坯在580℃进行部分重熔120min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为302MPa，断裂延伸率为14.8％。
实施例4
将50wt.％A1铝合金+50wt.％Al-4.4Cu-1.5Mg(wt.％，简记作A3铝合金)铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，300℃压制成预置坯，预置坯压力为290MPa，将预置坯在640℃进行部分重熔40min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为324MPa，断裂延伸率为14.7％。
实施例5
将50wt.％A1铝合金+50wt.％Al-4.4Cu-1.5Mg(wt.％，简记作A3铝合金)铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，150℃压制成预置坯，预置坯压力为200MPa，将预置坯在608℃进行部分重熔75min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为315MPa，断裂延伸率为14.2％。
实施例6
将50wt.％A1铝合金+50wt.％Al-4.4Cu-1.5Mg(wt.％，简记作A3铝合金)铝合金粉末球磨混合均匀，球磨时间为2h，球料比为5:1，转速为100r/min，320℃压制成预置坯，预置坯压力为400MPa，将预置坯在580℃进行部分重熔120min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，即可得到高性能铝合金，本实施例制备得到的高性能铝合金的抗拉强度为308MPa，断裂延伸率为13.6％。
对比例1
将100wt.％A1铝合金粉末在300℃压制成预置坯，预置坯压力为290MPa，将预置坯在640℃进行部分重熔40min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，此时该合金的综合力学性能相对较低(抗拉强度为246MPa，断裂延伸率为13.8％)。
对比例2
将100wt.％A3铝合金粉末在300℃压制成预置坯，预置坯压力为290MPa，将预置坯在640℃进行部分重熔40min，加热结束后取出放入300℃预热好的模具中进行触变成形，此时该合金的综合力学性能相对较低(抗拉强度为289MPa，断裂延伸率为8.9％)。
由上述测试结果分析可得：相比于单一的A1(或A3)铝合金，利用基于晶粒尺寸异质性和晶粒化学成分异质性相结合的粉末触变成形技术制备高性能铝合金(50wt.％A1+50wt.％A2，50wt.％A1+50wt.％A3)是可行的。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：两种不同化学成分的铝合金粉末球磨混合均匀，压制成预置坯，将所述预置坯在铝合金半固态温度下进行部分重熔，结束后取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可得到所述高性能铝合金；
两种不同化学成分的铝合金粉末为50wt.％Al-1.0Mg-0.6Si铝合金粉末、50wt.％Al-13.3Zn-3.7Si铝合金粉末和50wt.％Al-4.4Cu-1.5Mg铝合金粉末中的两种；
所制备高性能铝合金组织由粗晶加细晶构成，其中粗晶为未熔化的初生相颗粒，细晶是从液相凝固而来的二次凝固组织。
2.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为0.5h-4h，球料比为(4-6):1，转速为100r/min-120r/min。
3.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，所述压制成预置坯的温度为150℃-320℃。
4.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，所述压制成预置坯的压力为200MPa-400MPa。
5.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，所述半固态温度为460℃-680℃，触变成形的液相率为20％-40％，部分重熔温度为580℃-640℃。
6.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，所述部分重熔时间为40min-120min。
7.根据权利要求1所述的一种高性能铝合金的制备方法，其特征在于，模具预热温度为150℃-350℃。
8.一种高性能铝合金，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
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GR01 Patent grant
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