一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，具体工艺为将铝合金进行传统处理与电脉冲处理相结合的处理方式。该方法具有瞬时快速、高能量、强冲击、极端非平衡、多功能性等特点，通过调整脉冲电流处理参数，循环次数、方式和控冷技术结合可实现铝合金的固溶、时效、再结晶等处理效果，得到不同的组织结构和强韧性配合，满足多种不同服役条件的要求。与传统的固溶后人工时效的试样相比，经过本专利处理方法处理过的铝合金，可在较短时间内析出数量更多，且尺寸更小的纳米级析出相，其综合力学性能在毫秒量级内就可得到极大的提高，显著提高了工作效率。该方法可用于铝合金的强韧化等领域。

A Method of Strengthening and Toughening Aluminum Alloy Based on Pulse Current

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法
本专利技术涉及材料加工和制备
，主要应用于各种工业铝合金的强韧化处理。
技术介绍
铝合金具有良好的强度和塑性，兼具优良的焊接性能和耐腐蚀性，广泛应用于汽车、轨道交通及航空航天等领域，根据强化方式可分为热处理强化型铝合金和不可热处理强化型铝合金。不可热处理强化铝合金型主要通过细化晶粒，控制再结晶来提高强度，而可热处理强化铝合金除上述机制外，还可通过析出强化来有效提高强度。然而工业技术的不断发展，对铝合金的加工及制备提出了高效率，短流程的要求，对铝合金力学性能的要求也越来越高。传统的热处理方式虽然具有较为成熟的工艺模式，但是由于处理时间长，工艺复杂，不利于工业生产的效率。同时，铝合金的机械性能对温度也非常敏感，传统热处理很难有效地控制温度的稳定性。因此，开发一种高效并能提高铝合金的综合力学性能的新工艺是铝合金发展的必然趋势。作为一种广泛应用的细化晶粒的方法，形变与热处理相结合的方式可以通过动态再结晶，可有效地提高铝合金的力学性能。然而，由于铝基体的层错能较高，对于热处理工艺参数和材料的要求都很苛刻。其他的先进技术，如等通道角挤压等，可以提供一种利用大变形量来制备超细晶材料的方法。然而对于铝合金来说，在获得超细晶结构的同时，会引入很多缺陷，不利于塑性的提高。且由于该方法操作难度较大，目前还很难应用于工业生产。高能瞬时电脉冲处理是一种在极短时间内，以电-热-力三场耦合的形式使材料的组织和力学性能发生显著改变的处理方式。目前，该技术在材料内部疲劳裂纹的自修复，结构弛豫，组织细化，液态金属的凝固等方面已经具有广泛的应用。同时，脉冲电流在同时提高金属的强度和塑性方面的工作也得到了证实。因此，应用高能瞬时脉冲电流对铝合金进行处理，对高效并能提高铝合金的综合力学性能具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：(1)将铝合金处理至可用于后续处理的初始态组织，如固溶态，轧制态，均质态，退火态，时效态等。(2)在附加约束和控制冷却的情况下，选用合适的处理时机，将铝合金进行任意次数及次序的传统处理(固溶，时效，再结晶，形变处理等)与一定参数的脉冲电流处理(电流密度，作用时间，循环方式和次数)相结合的方式，如：传统固溶+电脉冲时效，电脉冲固溶+传统人工时效，传统固溶+电脉冲处理+传统人工时效，传统固溶+形变处理+电脉冲处理+传统人工时效等方式。优选地，步骤(1)中，铝合金可为6061铝合金，其成分质量百分比含量为：0.88％Mg，0.64％Si，0.43％Fe，0.24％Cu，0.13％Cr，Al余量。优选地，步骤(1)中，铝合金可为2024铝合金，其成分质量百分比含量为：4.42％Cu，1.49％Mg，0.51％Mn，Al余量。优选地，步骤(1)中，铝合金可为7075铝合金，其成分质量百分比含量为：5.63％Zn，2.35％Mg，1.64％Cu，Al余量。优选地，步骤(2)中，电流密度应为107A/m2～108A/m2的数量级，处理时间应为毫秒量级。优选地，步骤(2)中，冷却介质为水或空气。优选地，步骤(2)中，脉冲电流循环次数可为1-10次，循环间隔冷却介质为水或空气。本专利技术一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，原理为：利用脉冲电流的焦耳热效应、电迁移效应及响应速度快、能量利用率高等优点。在极短时间内，大量有一定漂移速度的电子流与原子实高速冲击，使铝合金内部位错密度增加，析出数量密度更多尺寸更小的纳米级析出相，且析出的纳米相与位错相互缠结，阻碍了时效过程中位错的湮灭，使位错强化和析出强化的贡献更为突出，使铝合金的抗拉强度更为优异，同时可使铝合金发生快速再结晶，快速减小铝合金的晶粒尺寸，而缠结的位错使析出相的析出长大受各向同性的影响，而生长为球状，使铝合金的塑性得到明显提高。因此，电脉冲处理的三场耦合作用可将析出强化、位错强化的效果放大，最终通过优化工艺参数，实现铝合金的超高强韧化。本专利技术一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，与传统的处理相比，具有以下的有益效果：脉冲电流可在较短时间内析出数量密度更多，且尺寸更小的纳米级析出相，其综合力学性能在毫秒量级内就可得到极大的提高，显著提高了工作效率。通过选用适当的合金初始组织状态、合适的电脉冲处理时机，可得到不同的组织结构和强韧性配合，满足多种不同服役条件要求。脉冲电流处理可实现瞬时快速且合金外部，芯部同时加热的过程，而传统处理则是合金外部先受热，芯部后受热的过程。与传统处理相比，脉冲电流处理使合金的加热过程更为均匀。附图说明图1为本专利技术一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法的流程示意图。图2为本专利技术中各实施例处理后铝合金的应力应变曲线的示意图，具体数值列于表1中。图3为本专利技术中实施例1的组织形貌图。其中(a)为固溶态，(b)为固溶+电脉冲试样，(c)为(b)中析出相Al5FeSi的高分辨图像，(d)为固溶+人工时效试样，(e)为固溶+电脉冲+人工时效试样，(f)为(d)中析出相Mg2Si的高分辨图像，(g)为(e)中析出相Mg2Si的高分辨图像。图4为本专利技术中实施例2的组织形貌图。其中(a)为固溶+人工时效试样，(b)为固溶+电脉冲试样，(c)为固溶+电脉冲试样中团簇结构的原子分布图，(d)为固溶+电脉冲试样中团簇结构的团簇分布图。图5为本专利技术中实施例3的组织形貌图。其中(a)为轧制态试样的背散射电子衍射图，(b)为轧制+电脉冲试样的背散射电子衍射图，(c)为轧制态试样的组织形貌图，(d)为轧制+电脉冲试样的组织形貌图，(e)为固溶+人工时效试样的组织形貌图，(f)为轧制+电脉冲试样的组织形貌图。图6为本专利技术中实施例4的组织形貌图。其中(a)、(c)为固溶态试样，(b)、(d)为固溶+电脉冲试样。图7为本专利技术中实施例5的组织形貌图。其中(a)为固溶态试样，(b)为电脉冲试样，(c)为(a)中晶粒尺寸分布直方图，(d)为(b)中晶粒尺寸分布直方图，(e)为固溶+人工时效试样，(f)为电脉冲+人工时效试样具体实施方式实施例1制备高强度的6000系铝合金。本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：步骤一、获取6061铝合金板材，其成分质量百分比含量为：0.88％Mg，0.64％Si，0.43％Fe，0.24％Cu，0.13％Cr，Al余量。步骤二、将6061铝合金板材进行实验前的预处理。将市售轧制态的6061铝合金用电火花线切割机床切割成130mm*200mm*10mm,用电阻炉对其进行510℃,5小时的去应力退火并随炉冷却到室温。步骤三、将6061铝合金加工成合适的尺寸。将退火后的6061铝合金用电火花线切割机床切割成65mm*10mm*3mm的片状试样。步骤四、将6061铝合金进行传统处理与电脉冲处理相结合的处理方式a.将去应力退火后的6061铝合金用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温。b.将a中的6061铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50HZ,电流密度为6.643*107A/m2,处理时间为240ms,试样有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，其特征在于：该方法基于焦耳热效应，电子风冲击，电迁移等效应，通过电‑热‑力三场耦合的方式，配合附加约束，控制冷却的方法，选用适当的合金初始组织状态、合适的电脉冲处理时机，对铝合金施加一定参数的脉冲电流处理，包括：电流密度、作用时间，循环次数和方式，冷却方式等。对于非时效强化铝合金，电脉冲处理可通过细化晶粒、改变位错组态、控制再结晶等实现强化；对于可时效强化铝合金，除上述机制外，还可通过改变其析出相尺寸、形貌、分布及析出次序和过程等实现强化。

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，其特征在于：该方法基于焦耳热效应，电子风冲击，电迁移等效应，通过电-热-力三场耦合的方式，配合附加约束，控制冷却的方法，选用适当的合金初始组织状态、合适的电脉冲处理时机，对铝合金施加一定参数的脉冲电流处理，包括：电流密度、作用时间，循环次数和方式，冷却方式等。对于非时效强化铝合金，电脉冲处理可通过细化晶粒、改变位错组态、控制再结晶等实现强化；对于可时效强化铝合金，除上述机制外，还可通过改变其析出相尺寸、形貌、分布及析出次序和过程等实现强化。2.根据权利要求1中所述的一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，其特征在于所选用的铝合金为任意一种工业用铝合金。3.根据权利要求1中所述的电-热-力三场耦合的方式，其特征是指瞬时高能的电场超快速升温的焦耳热场，，附加约束的应力场(热压应力，相变应力，磁致压缩力)相结合的方式。4.根据权利要求1中所述的附加约束，控制冷却的方式，其特征是指在试样的两端附加从无约束到施加任意大小的拉、压或扭转力的约束；控制冷却是指在脉冲电流处理后选用合适的冷却方式(冷却介质包括水、油、空气、液氮及各种可用于冷却的单一介质或复...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇光，王艺橦，潘栋，徐晓峰，种雪颖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22