一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，首先在传统挤压铝合金(Al‑Mg‑Si系合金)的基础上提高Mg、Si元素的含量并加入Cu来进行微合金化处理，然后采用混合盐法制备TiB

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法
本专利技术涉及一种高强韧铝合金型材的制备方法，具体地说是一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，属于高性能铝基材料

技术介绍
随着汽车、通讯、轨道交通、航空航天等行业发展，要求铝合金产品具有大型、复杂、薄壁等特点。传统的铝合金材料局限于其较低的硬度和耐磨性、高线性膨胀系数和大体积收缩率已经不能满足性能要求，而铝基复合材料可以弥补这方面的缺点。复合材料中的增强相可以提高基体的硬度、耐磨性等缺点，这方面具有巨大的实际意义及综合价值。有些铝基复合材料已经在卫星、飞机等高端领域得到一定的应用，但传统的铝基复合材料仍然存在一定的问题。传统的外加颗粒制备方法获得的颗粒尺寸一般较大，难以加入，润湿性差，且与基体结合强度低，容易发生团聚偏析等问题，而原位法可以避免这方面的缺点。原位增强合金的增强相直接在熔体内形成，增强相的尺寸相对较低，而且增强相与基体直接全面接触，所以不存在润湿性的问题，结合强度也相对较高，因此原位增强铝合金的强韧性相比传统铝合金都有了很大的提高。经过数十多年的发展，已研究出许多较成功的纳米原位增强材料制备的新技术，如自蔓延高温合成技术、混合盐反应法、反应喷射沉积、反应机械合金化等，但由于增强相易团聚或偏聚，严重制约了纳米原位增强材料的广泛应用。铝合金型材中Al-Mg-Si系属于可热处理强化合金，材料的性能与微观组织结构，尤其与热处理过程中形成的析出相密切相关，微合金化及热处理工艺优化可调控析出相的类型、数量、尺寸及分布，获得高强韧的铝合金。因此，基于纳米原位/析出相调控机制研发的高强韧铝合金型材是行业发展趋势，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，旨在提供一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法。本专利技术获得的高强韧铝合金型材具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，可广泛应用于汽车、通讯、轨道交通、航空航天等领域。同时，产品具有国际市场竞争力，推广应用价值巨大，市场前景广阔。本专利技术基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，首先在传统挤压铝合金(Al-Mg-Si系合金)的基础上提高Mg、Si元素的含量并加入Cu来进行微合金化处理，然后采用混合盐法制备TiB2和Mg2Si多元增强原位增强铝合金并进行挤压处理，最后利用Cu调控GP区或β″前驱相的析出强化效果，得到高强韧的铝合金型材。本专利技术提高了传统挤压铝合金(Al-Mg-Si系合金)中的Mg、Si元素含量，从而在TiB2异质形核核心作用下形成足够的Mg2Si强化相，Mg2Si和TiB2配合可实现大体积分数的弥散增强。本专利技术在设计合金成分时添加了适量的Cu，利用Cu调控GP区或β″前驱相的析出强化效果。Cu的加入会促进GP区或β″前驱相的析出，并进入到GP区或β″前驱相，显著改变早期相的形貌。本专利技术添加Cu是利用Cu来调控时效过程的析出相的形貌和数量，而不是利用Cu引起固溶强化增强合金强度。含Cu合金时效过程中的早期析出相的数量密度和体积分数更高，而析出相的尺寸更细小，合金强度更高，从而获得高强韧的铝合金型材。本专利技术在传统挤压铝合金(Al-Mg-Si系合金)的基础上设计了合金成分，按质量百分比构成如下表1：表1合金成分(质量分数，％)本专利技术基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，包括如下步骤：步骤1：TiB2和Mg2Si多元原位增强铝合金的制备1a、首先将配比量的纯铝放在石墨坩埚中，坩埚放置于配置有电磁搅拌装置的电阻炉中加热，设置电阻炉加热温度为760℃，电磁搅拌频率0-10Hz；其他待加入合金在400℃环境下预热。1b、在铝熔体熔化温度达到760℃时，扒渣处理，随后用钟罩将已预热的Al-Si、Al-Mg合金压入铝熔体中。1c、待Al-Si、Al-Mg合金完全熔化后，控制炉温，待熔体温度达到760℃时，将已预热的Al-Cu、Al-Zn、Al-Mn、Al-Cr合金加入铝熔体中，进行微合金化处理。1d、待加入合金完全熔化后，电阻炉继续升温，同时保持电磁搅拌，搅拌频率0-10Hz。1e、设置电阻炉温度为800-850℃，采用旋转喷吹法对铝合金熔体进行除气处理，混合盐粉末随吹气过程加入炉内，气体净化剂选用N2；通过电机驱动旋转喷头，使得净化气体带着混合盐粉末在旋转喷头产生的剪切力作用下喷入铝熔体，可获得极其细小的气泡，通过旋转喷头的机械搅拌作用，使得气泡带着粉末高度弥散地分布在铝熔体中；在800-850℃下保温20-40分钟，保温过程中伴随着电磁搅拌。1f、保温结束后，在750℃扒渣，然后将熔体浇铸到预热铸铁模具中，随后开模取样；铸态试样经冷加工成挤压棒材，随后进行挤压处理。步骤2：时效硬化将步骤1中制备的TiB2和Mg2Si多元原位增强铝合金挤压棒材以1-10℃/min的升温速率升至560℃并保温10h，随后以1-20℃/min的降温速率降至180℃进行时效处理4h，最后得到高强韧的铝合金型材。步骤1中使用的坩埚和模具需要预先刷涂涂料，涂料的组成按质量百分比构成为：氧化锌15-25％、水玻璃8-15％、表面活性剂1-3％、余量为水。步骤1e中，混合盐的成分为K2TiF6、KBF4、Na3AlF6和CeO2。K2TiF6、KBF4在铝合金熔体中反应生成TiB2；Na3FAl6为助熔剂，可以加快原位反应过程；CeO2为分散剂，可以调控生成的TiB2的分布状态。其中K2TiF6、KBF4按化学计量比1:2的比例加入，添加量按制备TiB2的质量分数来计算，Na3AlF6添加量为基体合金质量的1-3％，CeO2添加量为基体合金质量的0.1-0.5％。将混合盐的各组分按配比量混合研磨后放入烘干机中200℃烘干5-10个小时；烘干后置于球磨机中混料10-40小时，保证混合均匀。本专利技术采用混合盐反应法合成原位增强铝合金，混合盐组成为K2TiF6、KBF4、Na3FAl6和CeO2。合金熔炼时采用旋转喷吹法对铝合金熔体进行除气处理，事先进行研磨、混粉处理过得到混合盐粉末随吹气精炼过程加入炉内，气体净化剂选用N2。通过电机驱动旋转喷头，使得净化气体带着混合盐粉末在旋转喷头产生的剪切力作用下喷入铝熔体，可获得极其细小的气泡，通过旋转喷头的机械搅拌作用，使得气泡带着粉末高度弥散地分布在铝熔体中。此外，为了控制TiB2颗粒团聚状况，在原位合成的过程中引入了电磁搅拌。电磁搅拌可以细化晶粒，减少团聚，夹渣现象也得到一定的控制。此外，由于分散剂CeO2的分散作用，TiB2颗粒团聚状况能够得到进一步地改善。同时，在Al-Mg-Si系铝合金中Mg2Si作为增强相，但增强相的数量较低，原位合成的TiB2加入可以给Mg2Si提供形核核心，Mg2Si和TiB2配合可实现大体积分数的弥散增强。但传统的Al-Mg-Si合金的Mg、Si含量不高，本专利技术在传统挤压铝合金(Al-Mg-Si系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，其特征在于：/n首先在传统挤压铝合金的基础上提高Mg、Si元素的含量并加入Cu来进行微合金化处理，然后采用混合盐法制备TiB

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米原位/析出相调控机制的高强韧铝合金型材的制备方法，其特征在于：
首先在传统挤压铝合金的基础上提高Mg、Si元素的含量并加入Cu来进行微合金化处理，然后采用混合盐法制备TiB2和Mg2Si多元增强原位增强铝合金并进行挤压处理，最后利用Cu调控GP区或β″前驱相的析出强化效果，得到高强韧的铝合金型材。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述高强韧铝合金型材的合金成分按质量百分比构成如下：





3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：TiB2和Mg2Si多元原位增强铝合金的制备
1a、首先将配比量的纯铝放在石墨坩埚中，坩埚放置于配置有电磁搅拌装置的电阻炉中加热，设置电阻炉加热温度为760℃，电磁搅拌频率0-10Hz；其他待加入合金在400℃环境下预热；
1b、在铝熔体熔化温度达到760℃时，扒渣处理，随后用钟罩将已预热的Al-Si、Al-Mg合金压入铝熔体中；
1c、待Al-Si、Al-Mg合金完全熔化后，控制炉温，待熔体温度达到760℃时，将已预热的Al-Cu、Al-Zn、Al-Mn、Al-Cr合金加入铝熔体中，进行微合金化处理；
1d、待加入合金完全熔化后，电阻炉继续升温，同时保持电磁搅拌，搅拌频率0-10Hz；
1e、设置电阻炉温度为800-850℃，采用旋转喷吹法对铝合金熔体进行除气处理，混合盐粉末随吹气过程加入炉内，在800-850℃下保温20-40分钟，保温过程中伴随着电磁搅拌；
1f、保温结束后...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏勇，陈健，张帅博，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34