一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺制造技术

一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于：对于粉末冶金或搅拌铸造方法制备的复合材料坯锭，采用热挤压方法制备棒状或矩形锻坯；挤压时控制挤压温度和速度进而控制挤压材(锻坯)的微观组织；通过控制自由锻的温度、变形速率、终锻温度控制锻件组织与性能。本发明专利技术利于提高单道次锻压变形量，减少锻造裂纹，从而大幅提高锻造效率和成品率，并可锻造出不同形状产品。相比难变形金属常用的等温模锻工艺，本发明专利技术的方法成本更低且适用范围广泛。

Forging process for discontinuously reinforced aluminum matrix composite material

A discontinuously reinforced aluminum matrix composites prepared by forging process, which is characterized in that: the composite powder metallurgy or casting billets prepared by mixing method, using hot rod or rectangular billet extrusion process; extrusion temperature and extrusion speed control and control extrusion (forging) microstructure; through the control of free forging temperature, deformation rate and final forging temperature control and performance of forging structure. The invention is beneficial to increase the deformation amount of single pass forging and reduce the forging cracks, thereby greatly improving the forging efficiency and the finished product rate, and forging different shape products. Compared with the conventional isothermal die forging technology for hard deformed metals, the method of the invention has lower cost and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺
本专利技术涉及铝基复合材料领域，提供了一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺方法。
技术介绍
不连续增强铝基复合材料(简记为DRA)因具有轻质、高强、抗疲劳、抗高温蠕变、耐热、耐磨、减振及尺寸稳定等一系列优点，而且制造工艺简单，原材料价格低廉，因而成为国民经济发展和国防安全领域的重要结构材料。发达国家已成功地将DRA用于飞机、汽车、轨道交通等领域，并实现零部件的批量生产，取得显著的经济效益和社会效益(InternationalMaterialsReviews,vol.39,No.1(1994)p.1-23)。塑性成型加工是DRA的关键制备工序。自由锻简单的加工工艺和多样的产品形状和尺寸，使其成为重要的金属材料成型加工方法之一。然而，由于DRA中含有大量的硬质增强相，极大的降低了材料的塑性，使DRA变形加工十分困难。尤其在自由锻造时，锻坯没有模具约束，材料呈单向压应力、双向拉应力状态，变形时容易造成产品开裂。此外，自由锻压时处于非等温条件，给调控DRA复杂的组织如颗粒团聚、晶粒尺寸等带来极大困难。对于粉末冶金或搅拌铸造制备的DRA坯锭，由于材料未完全致密、增强相与铝基体界面结合不理想，塑性较低，直接进行自由锻，不仅道次变形量受到限制，而且极易产生开裂，降低了自由锻的效率与成材率，同时锻件性能也不够理想。综上，如何减少DRA自由锻造裂纹、调控变形组织并提高锻造效率是DRA自由锻件工业化生产的关键。然而，目前关于DRA自由锻造工艺的专利较少，仅有一项中国专利(ZL200910241853)涉及颗粒增强铝基复合材料的锻造工艺。该方法是在铝基复合材料坯锭外加钢包套，类似模锻原理，利用钢包套产生约束作用避免锻造裂纹的产生。但该工艺仅适于制备圆盘形的工件，对于其它形状如长方体工件，锻压时钢包套不能完全包覆锻坯，因而并不适用。另外，钢包套需要更大的锻造力，对设备的要求更高。最后，该工艺需要在锻造前加工包套模具，锻造后需机械加工去除包套，增加了产品的生产周期和成本。挤压变形可明显提高DRA的致密性、改善界面结合并调控颗粒分布，从而大幅度提高DRA的后续塑性加工工艺性。但DRA的变形组织比未增强铝合金复杂，挤压时常形成增强相富集带或贫增强相区，在后续锻造时，裂纹容易在增强相富集区形核，而且微观不均匀的组织给锻造组织调控带来困难，容易降低制品力学性能。因此需要调控挤压温度和速度来调控增强相分布均匀性。已有研究表明高温挤压时铝合金基体极易发生变形，而增强相的流动相对滞后，易导致增强相沿挤压方向发生偏聚，形成链状分布(塑性变形对喷射沉积7090Al/SiCp复合材料SiC分布及组织性能影响，孙有平，湖南大学博士学位论文，2009；挤压处理对SiCp/2014Al复合材料组织及性能的影响，刘小玉，吉林大学硕士学位论文，2015)。锻压变形中，存在增强相再分布和裂纹形核的问题。这与锻压温度、速度和道次变形率相关。已有研究表明高速下锻造，容易产生绝热剪切带，导致组织均匀性变差。而动态再结晶和动态回复温度下锻造易于改善增强相分布(Y.V.R.K.Prasad等，HotWorkingGuide，ASMInternationalMaterialsPark，Ohio44073-0002，ISBN-13:978-1-62708-091-0)。但自由锻为非等温、等应变速率条件，而且对大尺寸锻件，变形均匀性差异巨大，现有的资料数据并未给出自由锻件组织控制方法。综上所述，本专利技术提出一种适用于不同形状产品的自由锻工艺，用于DRA锻件的快速、高效与可控制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于DRA的锻件制备工艺。采用粉末冶金或搅拌铸造方法制备坯锭，采用热挤压方法制备锻坯，挤压时控制挤压温度和速度进而控制获得均匀的挤压材微观组织。采用优化微观组织的挤压材作为锻坯，进一步控制自由锻的温度和速度，实现DRA锻件的快速、高效与可控制备。该方法不容易产生锻造裂纹，能够大幅提高锻造效率和成品率，适用于不同形状的DRA锻件，并可采用常规的铝合金自由锻生产设备进行，生产成本低。本专利技术是通过以下工艺实现的：一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于，步骤如下：1.坯锭制备：采用粉末冶金或搅拌铸造方法制备DRA坯锭；2.锻坯制备：采用热挤压方法制备出DRA棒材或矩形材，挤压温度在300-400℃之间，挤压速度在0.2-0.8mm/s；3.自由锻造：锻坯在空气锤或液压机上自由锻造，每锻造一道次后进行退火，直至锻到所需尺寸。本专利技术在挤压时控制挤压温度和速度进而控制挤压材的微观组织，采用优化微观组织的挤压材制成锻坯，通过控制自由锻的温度、变形速率、终锻温度、大幅提高单道次变形量，减少锻造裂纹。本专利技术中，所述不连续增强铝基复合材料的铝合金基体为任意牌号的变形铝合金与非商用铝合金，增强相包括但不限于碳化硅、碳化硼、碳化钛、氮化铝、氧化铝、二硼化钛以及碳纳米管中的任何一种。陶瓷增强相颗粒尺寸为1.5-50μm，在复合材料中的体积含量为5-30％；碳纳米管等纳米碳增强相体积含量为0.5-10％。作为优选的技术方案，采用热挤压方法制备出DRA棒材或矩形材，其中棒材直径为50-450mm，矩形材边长为50-300mm，根据需要截成所需锻坯。作为优选的技术方案，所述自由锻造的工艺为：锻造温度在420-480℃之间，终锻温度不低于420℃；锻造变形速度为25-40mm/s，每道次锻造变形量20-35％。作为优选的技术方案，每锻造一道次后进行退火，退火温度在420-480℃之间，保温2-6小时。本专利技术的有益效果是：1.将DRA在较低温度和较慢速度范围内挤压，不仅可避免挤压裂纹的产生，而且铝基体的变形抗力较大，增强相在基体中的运动阻力大，不易形成团聚。2.挤压锻坯微观均匀性的改善，降低了锻造时裂纹在增强相团聚区域形核的可能性，有利于提高每道次的锻压变形率。3.较高的温度下锻造，材料塑性较好，有利于提高道次变形率。同时，规定在较高速度下锻造，能增加塑性变形所释放的热量，弥补自由锻时的温度下降，从而控制锻件的温度均匀性。4.控制终锻温度，可保持DRA始终在较窄温度区间变形，易于控制变形组织，而且高温下材料具有良好的塑性，不易产生微孔、裂纹等缺陷。综上，本专利技术所述方法可以在大变形量下锻造而降低缺陷形成，此外可控制组织(如颗粒团聚)，从而提高锻造效率、成品率以及锻件性能。另外，本专利技术可根据需要锻造成不同形状的产品。具体实施方式实施例1采用粉末冶金方法制备20vol.％SiCp/2009Al坯锭，采用热挤压方法制备棒材，尺寸为φ150×3000mm，挤压温度320℃，挤压速度0.2mm/s。将棒材截成φ150×300mm。在480℃保温3小时。采用500吨油压机自由锻造，沿300mm高度方向燉粗，变形速度30mm/s，每道次变形量35％，终锻温度430℃。锻造3道次，每道次之间在480℃保温3小时。工件的锻造尺寸为150×150×230mm。锻造工件表面无开裂。比较例1采用粉末冶金方法制备20vol.％SiCp/2009Al坯锭，坯锭尺寸为φ150×300mm。将坯锭在480℃保温3小时。采用500吨油压机自由锻造。沿300mm高度方向燉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于：采用粉末冶金或搅拌铸造方法制备DRA坯锭，然后采用热挤压方法制备棒状或矩形锻坯，锻坯在空气锤或液压机上自由锻造，每锻造一道次后进行退火，直至规定尺寸；其中，所述热挤压的挤压温度在300‑400℃之间，挤压速度在0.2‑0.8mm/s。

【技术特征摘要】
1.一种不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于：采用粉末冶金或搅拌铸造方法制备DRA坯锭，然后采用热挤压方法制备棒状或矩形锻坯，锻坯在空气锤或液压机上自由锻造，每锻造一道次后进行退火，直至规定尺寸；其中，所述热挤压的挤压温度在300-400℃之间，挤压速度在0.2-0.8mm/s。2.按照权利要求1所述不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于：所述不连续增强铝基复合材料的铝合金基体为任意牌号的变形铝合金与非商用铝合金，增强相为包括但不限于碳化硅、碳化硼、碳化钛、氮化铝、氧化铝、二硼化钛以及碳纳米管中的任何一种。3.按照权利要求1或2所述不连续增强铝基复合材料的锻件制备工艺，其特征在于：陶瓷增强相颗粒尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，马宗义，肖伯律，王全兆，倪丁瑞，张星星，刘振宇，薛鹏，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21