CN115584416B - 一种纳米金属间化合物复相强化铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米金属间化合物复相强化铝合金及其制备方法，它涉及强化铝合金及其制备方法。本发明要解决现铝合金析出相尺寸调控是通过热轧引入缺陷及调整合金的热处理工艺来实现的，但是该方法需要大变形量的热轧来引入位错，且热轧后需要较长时间的时效来达到合金峰值机械性能，耗能较高，耗时较长的问题。纳米金属间化合物复相强化铝合金按质量百分数由Cu、Mg、Mn、Ti和余量Al组成；方法：一、称取；二、铸造；三、均匀化；四、热轧；五、冷轧；六、固溶；七、时效。本发明用于纳米金属间化合物复相强化铝合金及其制备。
Description
技术领域
本发明涉及强化铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Cu-Mg-Mn合金属于高强铝合金，其比强度高，加工性能良好，广泛应用于车船、军工、航空航天等领域。
铝合金的性能主要取决于其内部析出相与基体之间的相互作用，析出相尺寸太小，产生的强化作用就弱，而析出相过大，又会对合金的性能造成损害，容易在基体与析出相的界面处产生应力集中，从而导致裂纹的产生，进而发生材料失效。传统的铝合金析出相尺寸调控一般是通过热轧引入缺陷及调整合金的热处理工艺来实现的，但是该方法需要大变形量的热轧来引入位错，且热轧后需要较长时间的时效来达到合金峰值机械性能，耗能较高，耗时较长，因此，需要一种能使合金较快达到峰值性能的合金处理方法，以减少加工耗时及能源消耗。
发明内容
本发明要解决现铝合金析出相尺寸调控是通过热轧引入缺陷及调整合金的热处理工艺来实现的，但是该方法需要大变形量的热轧来引入位错，且热轧后需要较长时间的时效来达到合金峰值机械性能，耗能较高，耗时较长的问题，进而提供一种纳米金属间化合物复相强化铝合金及其制备方法。
一种纳米金属间化合物复相强化铝合金，纳米金属间化合物复相强化铝合金按质量百分数由3.8％～5.2％的Cu、0.9％～1.5％的Mg、0.4％～0.9％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al组成。
一种纳米金属间化合物复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量百分数为3.8％～5.2％的Cu、0.9％～1.5％的Mg、0.4％～0.9％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金和铝钛硼细化剂，然后称取AlCe20合金及2#覆盖剂；
二、铸造：
将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金熔化，然后加入AlCe20合金、铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到Al-Cu-Mg铝合金铸锭；
三、均匀化：
将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
四、热轧：
将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为380℃～420℃、轧制总变形量为20％～40％、热轧4道次～8道次及每道次下压量为5％～10％的条件下进行轧制，得到热轧后的合金板材；
五、冷轧：
将热轧后的合金板材进行切边处理后，冷轧20道次～30道次，得到板材；
六、固溶：
将板材进行切边处理，然后固溶处理，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
七、时效：
在金属温度为190℃～210℃的条件下，时效处理1.5h～2.5h，得到纳米金属间化合物复相强化铝合金。
本发明的有益效果是：
一、本发明提供了一种在Al-Cu-Mg合金基体中析出纳米级金属间化合物的方法，纳米金属间化合物析出相可以有效钉扎晶界，从而起到细化晶粒、抑制再结晶的作用，大幅提高铝合金的强度，而晶粒细化不仅产生了强化作用，还提高了合金的韧性。
二、本发明通过热轧与冷轧相配合，引入大量位错，而且由于均匀化过程中形成的T相的存在，增加了热轧时的再结晶阻力，使得合金的晶粒细小，大量的晶界为后续S相与θ相提供了大量形核位点，可以有效促进金属间化合物析出。
三、本发明采用较高温度时效，190℃～210℃的时效温度提高了金属间化合物析出相的形核驱动力，而较短的时效保温时间(1.5h～2.5h)又保证析出相的尺寸不会过大，不会因为基体与析出相之间力学性能的不匹配而影响合金整体性能。
四、本发明制备的一种纳米金属间化合物复相强化铝合金的抗拉强度为485MPa～504MPa，屈服强度为405MPa～414MPa，延伸率为11.1％～12.4％。
附图说明
图1为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金的微观组织TEM照片；
图2为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中析出相S相的微观TEM照片；
图3为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金标尺1μm的微观TEM图像；
图4为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金标尺500nm的微观TEM图像；
图5为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金的拉伸曲线图；
图6为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中θ相的微观TEM图像；
图7为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中T相的微观TEM图像。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种纳米金属间化合物复相强化铝合金，纳米金属间化合物复相强化铝合金按质量百分数由3.8％～5.2％的Cu、0.9％～1.5％的Mg、0.4％～0.9％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al组成。
本实施方式的有益效果是：
一、本实施方式提供了一种在Al-Cu-Mg合金基体中析出纳米级金属间化合物的方法，纳米金属间化合物析出相可以有效钉扎晶界，从而起到细化晶粒、抑制再结晶的作用，大幅提高铝合金的强度，而晶粒细化不仅产生了强化作用，还提高了合金的韧性。
二、本实施方式通过热轧与冷轧相配合，引入大量位错，而且由于均匀化过程中形成的T相的存在，增加了热轧时的再结晶阻力，使得合金的晶粒细小，大量的晶界为后续S相与θ相提供了大量形核位点，可以有效促进金属间化合物析出。
三、本实施方式采用较高温度时效，190℃～210℃的时效温度提高了金属间化合物析出相的形核驱动力，而较短的时效保温时间(1.5h～2.5h)又保证析出相的尺寸不会过大，不会因为基体与析出相之间力学性能的不匹配而影响合金整体性能。
四、本实施方式制备的一种纳米金属间化合物复相强化铝合金的抗拉强度为485MPa～504MPa，屈服强度为405MPa～414MPa，延伸率为11.1％～12.4％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：纳米金属间化合物复相强化铝合金中杂质的总质量百分数＜0.05％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式一种纳米金属间化合物复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量百分数为3.8％～5.2％的Cu、0.9％～1.5％的Mg、0.4％～0.9％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金和铝钛硼细化剂，然后称取AlCe20合金及2#覆盖剂；
二、铸造：
将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金熔化，然后加入AlCe20合金、铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到Al-Cu-Mg铝合金铸锭；
三、均匀化：
将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
四、热轧：
将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为380℃～420℃、轧制总变形量为20％～40％、热轧4道次～8道次及每道次下压量为5％～10％的条件下进行轧制，得到热轧后的合金板材；
五、冷轧：
将热轧后的合金板材进行切边处理后，冷轧20道次～30道次，得到板材；
六、固溶：
将板材进行切边处理，然后固溶处理，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
七、时效：
在金属温度为190℃～210℃的条件下，时效处理1.5h～2.5h，得到纳米金属间化合物复相强化铝合金。
步骤一中所述的高精纯铝锭、纯镁锭的纯度为99.99％。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中所述的AlCe20合金的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为(0.001～0.003):1；步骤一中所述的2#覆盖剂的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为(0.004～0.005):1。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四之一不同的是：步骤二中所述的熔化具体是在炉温为750℃～800℃的条件下熔炼30min～50min；步骤二中所述的搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：在金属液温度为750℃～800℃及搅拌速度为50rpm～200rpm的条件下搅拌3min～5min，搅拌后静置10min～20min，然后重复搅拌及静置2次，在搅拌及静置完成后停止加热，在金属液温度为700℃～720℃的条件下除渣，最后待金属液温度为680℃～700℃时倒入提前预热至温度为200℃～300℃的模具中形成。其它与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤三中所述的均匀化处理具体是在铸锭温度为480℃～510℃的条件下，将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理18h～21h。其它与具体实施方式三至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤四中所述的加热处理具体是在炉温为600℃～620℃的条件下，保温3h～4h。其它与具体实施方式三至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤四中所述的热轧后的合金板材的厚度为25mm～30mm。其它与具体实施方式三至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤五中所述的板材厚度为15mm～20mm。其它与具体实施方式三至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤六中所述的固溶处理具体是按以下步骤进行：在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温100min～140min。其它与具体实施方式三至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种纳米金属间化合物复相强化铝合金，纳米金属间化合物复相强化铝合金按质量百分数由5.1％的Cu、1.3％的Mg、0.8％的Mn、0.04％的Ti和余量Al组成。
纳米金属间化合物复相强化铝合金中杂质的总质量百分数＜0.05％。
上述一种纳米金属间化合物复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量百分数为5.1％的Cu、1.3％的Mg、0.8％的Mn、0.04％的Ti和余量为Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金和AlMn10合金和铝钛硼细化剂，然后称取AlCe20合金及2#覆盖剂；
二、铸造：
将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金和AlMn10合金熔化，然后加入AlCe20合金、铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到Al-Cu-Mg铝合金铸锭；
三、均匀化：
在铸锭温度为510℃的条件下，将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理20h，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
四、热轧：
将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为380℃～420℃、轧制总变形量为30％、热轧5道次及每道次下压量为6％的条件下进行轧制，得到热轧后的合金板材；
五、冷轧：
将热轧后的合金板材进行切边处理后，冷轧20道次，得到板材；
六、固溶：
将板材进行切边处理，再加热至金属温度为510℃，在金属温度为510℃的条件下，保温100min，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
七、时效：
在金属温度为200℃的条件下，时效处理1.5h，得到纳米金属间化合物复相强化铝合金。
步骤一中所述的AlCu40合金中Cu的质量百分数为40％，所述的AlMn10合金中Mn的质量百分数为10％，所述的AlCe20合金中Ce的质量百分数为20％；步骤一中所述的铝钛硼细化剂为AlTi5B1，步骤一中所述的2#覆盖剂为KCl(40％)+MgCl2(45％)+BaCl2(15％)。
步骤一中所述的AlCe20合金的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为0.002:1；步骤一中所述的2#覆盖剂的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为0.004:1。
步骤二中所述的熔化具体是在炉温为750℃的条件下熔炼30min；步骤二中所述的搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：在金属液温度为750℃及搅拌速度为100rpm的条件下搅拌3min，搅拌后静置15min，然后重复搅拌及静置2次，在搅拌及静置完成后停止加热，在金属液温度为720℃的条件下除渣，最后待金属液温度为700℃时倒入提前预热至温度为200℃的模具中形成。
步骤三中所述的铣面是铣面至表面无明显缺陷为止。
步骤四中所述的加热处理具体是在炉温为600℃的条件下，保温3h。
步骤四中所述的热轧后的合金板材的厚度为25mm。
步骤五中所述的板材厚度为15mm。
本实施例制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金析出弥散的纳米级金属间化合物析出相，分别为S相、θ相及T相。
对实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金进行室温拉伸力学测试，拉伸速率5mm/min，加载方向沿着试样的轴线方向。测得实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金的抗拉强度为496MPa，屈服强度为405MPa，延伸率为11.6％。
图1为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金的微观组织TEM照片；通过图可观察到合金基体中分布着较多尺寸为纳米级的析出相，棒状的是θ相，球状或椭圆是S相，右边较粗的是T相。
图2为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中析出相S相的微观TEM照片；由图可知，S相的粒径在50nm～70nm之间。
图3为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金标尺1μm的微观TEM图像，图4为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金标尺500nm的微观TEM图像；通过图可观察到在合金基体中的缺陷附近分布着大量析出相，其中大部分沿晶界析出，钉扎晶界，可以有效提高合金的强度。
图5为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金的拉伸曲线图；合金的抗拉强度为496MPa，屈服强度为405MPa，延伸率为11.6％。
图6为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中θ相的微观TEM图像；粒径在20nm～50nm之间。
图7为实施例一制备的纳米金属间化合物复相强化铝合金中T相的微观TEM图像，由图可知，T相的长度在200nm～500nm之间，并且有S相依附于T相析出。
Claims (2)
1.一种纳米金属间化合物复相强化铝合金，其特征在于纳米金属间化合物复相强化铝合金按质量百分数由5.1％～5.2％的Cu、1.3％的Mg、0.4％～0.8％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al组成；
所述的一种纳米金属间化合物复相强化铝合金是按以下步骤制备的：
一、称取：
按质量百分数为5.1％～5.2％的Cu、1.3％的Mg、0.4％～0.8％的Mn、0.02％～0.04％的Ti和余量Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金和铝钛硼细化剂，然后称取AlCe20合金及2#覆盖剂；
二、铸造：
将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu合金和AlMn合金熔化，然后加入AlCe20合金、铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到Al-Cu-Mg铝合金铸锭；
三、均匀化：
将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
四、热轧：
将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为380℃～420℃、轧制总变形量为20％～40％、热轧4道次～8道次及每道次下压量为5％～10％的条件下进行轧制，得到热轧后的合金板材；
五、冷轧：
将热轧后的合金板材进行切边处理后，冷轧20道次～30道次，得到板材；
六、固溶：
将板材进行切边处理，然后固溶处理，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
七、时效：
在金属温度为190℃～210℃的条件下，时效处理1.5h～2.5h，得到纳米金属间化合物复相强化铝合金；
步骤一中所述的AlCe20合金的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为(0.001～0.003):1；步骤一中所述的2#覆盖剂的质量与Cu、Mg、Mn、Ti和Al的总质量比为(0.004～0.005):1；
步骤二中所述的熔化具体是在炉温为750℃～800℃的条件下熔炼30min～50min；步骤二中所述的搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：在金属液温度为750℃～800℃及搅拌速度为50rpm～200rpm的条件下搅拌3min～5min，搅拌后静置10min～20min，然后重复搅拌及静置2次，在搅拌及静置完成后停止加热，在金属液温度为700℃～720℃的条件下除渣，最后待金属液温度为680℃～700℃时倒入提前预热至温度为200℃～300℃的模具中；
步骤三中所述的均匀化处理具体是在铸锭温度为480℃～510℃的条件下，将Al-Cu-Mg铝合金铸锭均匀化处理18h～21h；
步骤四中所述的加热处理具体是在炉温为600℃～620℃的条件下，保温3h～4h；
步骤四中所述的热轧后的合金板材的厚度为25mm～30mm；
步骤五中所述的板材厚度为15mm～20mm；
步骤六中所述的固溶处理具体是按以下步骤进行：在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温100min～140min。
2.根据权利要求1所述的一种纳米金属间化合物复相强化铝合金，其特征在于纳米金属间化合物复相强化铝合金中杂质的总质量百分数＜0.05％。
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| 朱敏主编.工程材料.冶金工业出版社,2018,第233-235页. * |
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