超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米晶体金属材料领域，具体地说是一种超硬、超稳定、耐腐蚀的纳米晶铝合金及制备方法。按重量百分比计，纳米晶铝合金组成为：5～6％Mg，其余为Al和杂质元素。利用表面机械碾磨技术在材料表面制备晶粒尺寸小于100nm的低能晶界纳米结构，其微观结构由拉长的纳米5～80nm晶粒组成，纳米晶的晶界主要是由低能重位点阵构成。本发明专利技术制备的Al‑Mg合金材料，维氏硬度可达2.67GPa，在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度i

【技术实现步骤摘要】
超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金及制备方法
本专利技术涉及纳米晶体金属材料领域，具体地说是一种超硬、超稳定、耐腐蚀的纳米晶铝合金及制备方法。
技术介绍
铝合金具有低的密度、高的比强度及较好的成型性能等特点，被广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。铝合金在经济和技术上的地位显著，因而随着人类文明的进步和科学技术的发展，发展轻质高强铝合金已成为必然趋势，对我国经济可持续发展具有重要意义。铝合金强度低是当前发展新型高强铝合金，拓展其应用领域所面临的巨大挑战。提高铝合金的强度本质在于阻碍位错的运动，通常强化铝合金的方法有两种。第一种方法是合金化+时效处理：通过适当的时效处理工艺(峰值时效)，在粗大的晶粒内部引入高密度、弥散分布的纳米尺度析出相，通过析出相来最大限度的阻碍位错的运动。然而，时效处理往往易造成晶界析出相的链状分布，从而严重降低铝合金的点蚀和局部腐蚀抗力，在高Zn、Mg和Cu含量的合金中这种现象尤为显著。20世纪前半叶，随着析出强化和峰值时效制度的发现诞生第一代高强铝合金。7075-T6铝合金是其中典型代表。Adler等人(参考文献1:P.N.Adler等，MetallTrans.1972；3:3191-3200)研究7075铝合金的力学性能与抗腐蚀性能。实验结果表明，通过峰值时效处理(T651)工艺，虽然7075铝合金的抗拉强度可达530MPa，但是由于大量第二相在晶界附近呈链状分布，从而使得该合金容易发生晶间应力腐蚀开裂，严重限制它的应用前景。T73过时效处理技术的发现，使得晶界析出相不连续分布，改善铝合金的应力腐蚀抗力，但是其耐蚀性能仍然较差。此外，过时效还会会引起晶内第二相粗化，从而使得其强度相对于峰值时效态降低10～15％。晶粒细化强化是第二种实现铝合金强化的方法：基于著名的Hall-Petch关系(σy＝σ0+kyd-1/2，材料的强度与晶粒尺寸平方根倒成正比)，通过严重塑性变形或其它方式，在材料晶粒内部引入高密度的晶界，将其微观结构尺寸细化至微米或者纳米量级，利用大量存在的晶界限制或钉扎位错的运动，从而实现铝合金的强化。然而，当铝合金的晶粒尺寸细化至亚微米量级(0.1～1μm)时，进一步增加塑性变形量晶粒不再细化，形成典型的三维等轴状超细晶结构，且通常由高密度的高能大角晶界组成，从而使得纳米结构材料热稳定性变差，往往呈现出强度-热稳定性倒置的关系。此外，由于晶界处的晶格畸变较大，能量较高，可以提供异质形核的核心基底。通过塑性变形引入的高密度高能晶界，往往会加速析出相在晶界的链状分布。超细结构铝合金长时间暴露在70～150℃的温度下时，第二相迅速沿着晶界大量析出并且长大粗化。在腐蚀介质中第二相会溶解并导致选择性的沿着晶界腐蚀攻击，从而导致晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。因此，超细结构铝合金往往不能使用在具有热负荷或者含有腐蚀介质的区域。由此可见，如何保证铝合金高强度性能的前提下提高其热稳定性和耐蚀性能，以满足工程应用对铝合金综合性能提出更高要求，是轻质高强铝合金领域的研究难点和热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超硬、超稳定、耐腐蚀纳米晶铝合金及制备方法，通过大应变高速剪切变形处理获得低能重位点阵(CSL)晶界纳米结构，显著提高材料硬度以及热稳定性。同时，低能重位点阵晶界纳米结构能够有效的抑制时效过程中晶间平衡相的析出，从而使得纳米结构铝合金具有优异的抗腐蚀性能。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，Al-Mg合金的晶粒细化到小于百纳米尺度。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，按重量百分比计，Al-Mg合金的成份为：5～6％Mg，其余为Al和杂质元素，杂质元素的总含量低于0.05％。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，纳米晶的晶界包含低能重位点阵，其中，低能重位点阵体积比例为20～50％。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，低能重位点阵主要包括Σ3，Σ9，Σ11界面，低能重位点阵晶界结构能量≤0.2J/m2。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，在室温条件下，Al-Mg合金材料维氏硬度HV范围为2.0～2.67GPa；纳米晶起始粗化温度范围为200～215℃，在0.6mol/L的NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度icorr≤1μA/cm2。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，Al-Mg合金利用表面机械碾磨处理技术，经高应变速率及高应变梯度剪切变形处理，得到具有低能晶界结构的超硬超稳定耐腐蚀铝合金材料；其中，剪切变形的应变为10～60，高应变速率的取值范围为102s-1～105s-1，高应变梯度的取值范围为0.05～2μm-1，变形温度为-196℃～25℃。所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，在表面机械碾磨处理时，控制被加工的轴类工件旋转速度为50～2000rpm，硬质球的直径为4～20mm，硬质球压入回转工件深度为5～100μm，刀头的推进速度为5～20mm/min，表面机械碾磨处理道次不低于2次。本专利技术具有如下优点及有益效果：1、具有优异的综合性能。本专利技术利用表面机械碾磨处理技术(SMGT)，通过精确控制低温、高应变速率和高应变梯度在一定范围内，制备出具有高密度低能晶界的纳米结构铝合金材料，该材料在保证铝合金高强度性能的前提下同时提高其热稳定性和耐蚀性能，解决了目前高性能铝合金领域亟待解决的技术难题。本专利技术制备的纳米晶铝合金材料具有非常高的室温硬度，维氏硬度可达2.67GPa，其硬度是相应粗晶样品的4倍，远高于用其它传统变形方法制备的变形铝合金的硬度。本专利技术的材料具有非常好的热稳定性，纳米晶起始粗化温度高达215℃，其晶粒长大温度比传统三维等轴状超细晶高90℃，打破纳米晶材料硬度-热稳定性倒置关系。同时，本专利技术的材料在70～150℃长时间时效处理后仍然具有优异的抗腐蚀性能，在0.6mol/LNaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度为icorr≤1μA/cm2，是传统三维等轴状超细晶的1/8倍，适用于制造在含氯离子的苛刻腐蚀环境中使用的超硬和耐热铝合金。2、应用性强。本专利技术的材料具有非常高的硬度(强度)，同时也具有优异的抗腐蚀性和热稳定性。因此，这种超硬超稳定耐腐蚀的纳米结构铝合金材料对轮船、汽车、飞机等的研发制造具有重要价值。3、制备工艺简单，效率高。本专利技术利用传统的机床对金属材料进行结构性能改进，成本较低，具有广泛的工业应用前景。附图说明图1为经过表面机械碾磨处理后铝合金棒典型的纳米晶结构对应的透射电镜照片(a)、晶粒尺寸统计图(b)及取向差统计图(c)。图2为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒纳米晶晶界的高分辨率透射电子显微镜照片。图3为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒典型的三维超细晶结构的透射电镜照片(a)、晶粒尺寸统计图(b)及取向差统计图(c)。图4为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，Al-Mg合金的晶粒细化到小于百纳米尺度。/n

【技术特征摘要】
1.一种超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，Al-Mg合金的晶粒细化到小于百纳米尺度。


2.按照权利要求1所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，按重量百分比计，Al-Mg合金的成份为：5～6％Mg，其余为Al和杂质元素，杂质元素的总含量低于0.05％。


3.按照权利要求1所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，纳米晶的晶界包含低能重位点阵，其中，低能重位点阵体积比例为20～50％。


4.按照权利要求3所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，低能重位点阵主要包括Σ3，Σ9，Σ11界面，低能重位点阵晶界结构能量≤0.2J/m2。


5.按照权利要求1所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，在室温条件下，Al-Mg合金材料维氏硬度HV范围为2.0～2.67GPa；纳米晶起...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀艳，徐伟，张波，斯晓，卢柯，
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