一种超高强度铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属材料制备加工技术领域，特别涉及一种超高强度铝合金材料及其制备方法。所述超高强度铝合金材料由基体和强化粒子组成，所述基体中晶粒呈超细等轴晶粒结构存在；所述强化粒子均匀弥散分布于晶界处；所述基体中，单颗晶粒的尺寸为100‑500纳米，所述强化粒子尺寸为100‑200纳米。其制备方法为：以铝合金为处理对象；经高应变速率的强剪切变形，得到所述超高强度铝合金材料；所述高应变速率的取值范围为1000每秒‑100000每秒；所述强剪切变形的真应变为2‑10。本发明专利技术将铝合金细晶强化机制和弥散强化机制相结合，得到了性能优越的成品。同时本发明专利技术具有工艺简单，操作方便，制备时间短，经济实用的优势。

A Ultra-high Strength Aluminum Alloy Material and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of preparation and processing of non-ferrous metal materials, in particular to an ultra-high strength aluminum alloy material and a preparation method thereof. The ultra-high strength aluminium alloy material is composed of a matrix and strengthening particles, in which the grains are in ultrafine equiaxed grain structure; the strengthening particles are evenly dispersed at grain boundaries; in the matrix, the size of a single grain is 100 to 500 nanometers, and the size of the strengthening particles is 100 to 200 nanometers. The preparation method comprises the following steps: taking aluminium alloy as the processing object; obtaining the ultra-high strength aluminium alloy material through high strain rate strong shear deformation; taking the range of the high strain rate from 1000 to 100000 per second; and the true strain of the strong shear deformation is 2 to 10. The invention combines the fine grain strengthening mechanism of aluminum alloy with the dispersion strengthening mechanism, and obtains the product with superior performance. At the same time, the invention has the advantages of simple process, convenient operation, short preparation time, economy and practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种超高强度铝合金材料及其制备方法
本专利技术属于有色金属材料制备加工
，特别涉及一种超高强度铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
铝合金是一种具有良好综合性能的金属材料，然而其强度较低，因此发展超高强度铝合金是铝合金发展的主要方向之一。超高强铝合金具有质量轻，强度高，机加性能优越，耐腐蚀性能良好等优点，被广泛应用于航空航天和军事、民用工业。铝合金强韧化的机制主要包括固溶强化、时效强化、第二相强化和细化晶粒强化几种。目前，能使铝合金的强度和韧性同时提升的方法是细化晶粒。当晶粒细化到超细级(即，晶粒尺寸为100纳米-1微米)时，材料具有特殊的物理、化学和力学性能。由于合金中的晶粒被显著细化，各种宏观和微观偏析受到抑制，同时可以使铝合金中第二相粒子更均匀的分布在超细等轴晶的晶界处，能够起到钉扎位错和有效的阻碍位错运动的作用，进而提高铝合金的强度，而不降低其塑性。目前关于超高强度铝合金制备加工主要有以下三种途径：一)采用成分设计配套固溶时效热处理，如：闻继尧提出的“一种高强度铝合金”(申请号：CN201710313493.8)，范维强等人提出的“制备高强度硬铝合金的热处理工艺”(申请号：CN201710555104.2)；二)采用制备非晶的方法，张济山等人提出的“一种喷射沉积高硅铝合金的方法”(申请号：CN00124660.7)，徐凯提出的“一种可快速降温的铝合金喷射沉积设备”(申请号：CN201520433813.X)；三)采用剧变形配套热处理方法，如XuCheng等人利用等通道转角挤压技术在473K下制备了晶粒尺寸为300纳米的7034铝合金，ZhaoYonghao等人利用低温轧制技术制备了晶粒尺寸为100纳米的7075铝合金，中国专利CN1459512公开了一种利用等通道转角挤压加固溶时效处理的方法制备2000系和7000系的亚微米级铝合金。第三种方案制备高强铝合金效果，根据专利(CN1459512)中的实例分析，得到的2224铝合金平均晶粒尺寸为300纳米，抗拉强度为620MPa；7050铝合金平均晶粒尺寸为300纳米，抗拉强度为680MPa。以上三种途径制备高强度铝合金各有优势，采用了固溶强化、时效强化、第二相强化和细化晶粒强化等铝合金强韧化的机制。但是，往往需要较长的周期来制备高强度铝合金。
技术实现思路
为了制备出高性能的铝合金，专利技术人课题组在铝合金高速率变形机制研究中，发现了铝合金在高速率变形样品中，生成剪切带(该剪切带的宽度一般为100-200微米、长度一般为2.5毫米)。剪切带内中会在几十个微秒时间内形成超细等轴晶粒(参见BingfengWangetal.Adiabaticshearlocalizationanditsmicrostructureinultrafinegrainedaluminumalloy,MaterialsScienceandEngineeringA,2016)。基于此发现，专利技术人依据旋转动态再结晶理论为技术原型，提出了本专利技术，同时，通过实验参数的优化还实现了在样品由微纳尺寸向毫米级、厘米级、分米级别的跨越。本专利技术一种超高强度铝合金材料；所述超高强度铝合金材料由基体和强化粒子组成，所述基体中晶粒呈超细等轴晶粒结构存在；所述强化粒子均匀弥散分布于晶界处；所述基体中，单颗晶粒的尺寸为100-500纳米，所述强化粒子尺寸为100-200纳米。所述超高强度铝合金材料的长和/或宽和/或高的尺寸大于500微米。经优化后，可得到当量直径大于等于1厘米，长度大于等于50厘米的成品。本专利技术一种超高强度铝合金材料；其屈服强度为400-420MPa，抗拉强度为800-850MPa。本专利技术一种超高强度铝合金材料的制备方法：其方案为：以铝合金为处理对象；经高应变速率的强剪切变形，得到所述超高强度铝合金材料；所述高应变速率的取值范围为1000每秒-100000每秒；所述强剪切变形的真应变为2-10。高应变速率的强剪切变形时，控制处理对象的冷却速度大于等于5K/s、优选为5-30K/s。严格控制冷却速度，为得到宏观尺寸的超高强度铝合金材料提供了必要条件。冷却速度控制不当，将得不到质量稳定优良的宏观尺寸的超高强度铝合金材料。作为优选方案，本专利技术一种超高强度铝合金材料的制备方法；所述铝合金选自2系列铝合金、5系列铝合金、6系列铝合金、7系列铝合金中的至少一种。作为优选方案，本专利技术一种超高强度铝合金材料的制备方法；以铝合金为处理对象；经等通道挤压，得到所述超高强度铝合金材料；所述等通道挤压时，控制挤压杆的推进速度大于9米/秒；优选为9-26米/秒。作为优选方案，本专利技术一种超高强度铝合金材料的制备方法；所述铝合金的表面糙度Ra值为1.6～0.8。作为优选方案，本专利技术一种超高强度铝合金材料的制备方法；等通道挤压所用模具与铝合金接触面的糙度Ra值为1.6～0.8。在应用时，挤压杆的加载方式为冲击加载或液压传动加载。所述冲击加载包括气枪缸体冲击加载、爆炸冲击加载中的至少一种。采用冲击加载时，所用冲头的速度优选为25-100米/秒，冲头撞击挤压杆的压力为0.8-3.0GPa。在应用时，等通道挤压的两个通道之间的角度为90-120°。考虑到，挤压杆的推进速度较高，作为优选方案，其所用模具的结构优选为CN201420400215.8所设计的结构。当然，能保证按设计条件参数运作的前提下，其他结构的等通道挤压模具也是用于本专利技术。由于挤压杆的推进速度较高，所以设计了特殊的待挤压样品；当待挤压样品为圆柱时，长径比为(8-15)：1、优选为10:1。当当待挤压样品为长条形时，长条样的长：宽：高＝(20-50)：(1-10)：1。本专利技术严格控制高应变速率的取值范围为1000每秒-100000每秒；所述强剪切变形的真应变为2-10，是因为：原始晶粒在适当的高应变速率的强剪切变形下发生动态再结晶，晶粒得到超细化，同时产生大量位错缠结结构，大量的晶界和位错缠结为第二相的析出提供了形核位置，使第二相粒子弥散分布在晶界处。本专利技术制备效率高，大大缩短高性能铝合金制备的周期。原理和优势本专利技术将铝合金细晶强化机制和弥散强化机制相结合，通过制备工艺的严格控制，取得了超乎预料的效果，具体表现在：所得宏观产品的屈服强度为400-420MPa，抗拉强度为800-850MPa。本专利技术获得的超高强铝合金，与传统方法加工出的超高强铝合金相比，其特点与优点在于：1)本专利技术中超高强铝合金的制备加工方法，着眼于细晶粒强化和第二相强化，是铝合金强韧化快速的根本方法，可以应用于除了纯铝以外的各体系铝合金。2)本专利技术的超高强铝合金制备加工方法，其微结构特征为：基体中晶粒呈超细等轴晶粒结构(100-500纳米)存在、纳米尺寸的第二相粒子弥散分布在晶界处。该微观结构能有效的阻碍位错迁移，从而同步提高铝合金的强度和韧性，使铝合金具有优良的综合力学性能。3)本专利技术的超高强铝合金制备加工方法，相较于合金成分优化、准静态剧变形方法加固溶时效等材料强韧化技术，生产效率高、能耗低，具有经济实用的成本优势。附图说明图1为本专利技术所设计的材料微观结构示意图。图2为实施例1中6061铝合金变形过程中的应力-应变关系图。图3为实施例1所得铝合金成品的微观结构图。具体实施方式实施例1：取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高强度铝合金材料；其特征在于：所述超高强度铝合金材料由基体和强化粒子组成，所述基体中晶粒呈超细等轴晶粒结构存在；所述强化粒子均匀弥散分布于晶界处；所述基体中，单颗晶粒的尺寸为100‑500纳米，所述强化粒子尺寸为100‑200纳米；所述超高强度铝合金材料在三维空间上至少有一维的尺寸大于等于500微米。

【技术特征摘要】
1.一种超高强度铝合金材料；其特征在于：所述超高强度铝合金材料由基体和强化粒子组成，所述基体中晶粒呈超细等轴晶粒结构存在；所述强化粒子均匀弥散分布于晶界处；所述基体中，单颗晶粒的尺寸为100-500纳米，所述强化粒子尺寸为100-200纳米；所述超高强度铝合金材料在三维空间上至少有一维的尺寸大于等于500微米。2.根据权利要求1所述的一种超高强度铝合金材料；其特征在于：所述超高强度铝合金材料的屈服强度为400-420MPa，抗拉强度为800-850MPa。3.一种如权利要求1或2所述的超高强度铝合金材料的制备方法；其特征在于：以铝合金为处理对象；经高应变速率的强剪切变形，得到所述超高强度铝合金材料；所述高应变速率的取值范围为1000每秒-100000每秒；所述强剪切变形的真应变为2-10，高应变速率的强剪切变形时，控制处理对象的冷却速度大于等于5K/s。4.根据权利要求3所述的一种超高强度铝合金材料的制备方法；其特征在于：所述铝合金选自2系列铝合金、5系列铝合金、6系列铝合金、7系列铝合金中的至少一种。5.根据权利要求3所述的一种超高强度铝合金材料的制备方法；其特征在于：以铝合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪冰峰，马睿，刘岚逸，周冰清，黄小霞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43