CN109735746A - 一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，具体步骤如下：S1.将铝合金铸锭置于加热炉，在400℃–600℃温度下保温1‑5小时，进行均质化处理后，将待轧制均质试样放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温5‑30分钟；S2.采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，对轧辊温度控制在‑50℃–0℃之间，随后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行1‑3道次大压下量深冷控轧，每道次变形压下量为20‑90％，获得铝合金板材。本发明解决了单相铝合金高温热稳定性差、难以实现超塑性的难题，显著提高了单相铝合金的热稳定性，同样适用于多元铝合金、镁合金、铜合金等。

Description

一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法。

背景技术

铝合金作为工业应用中最广泛的一类有色金属结构材料，具有密度低、比强度高等优点。近年来，采用大变形加工方法制备细晶超塑性铝合金的研究逐渐增多。但是，由于所获得的超细晶/纳米晶铝合金通常具有高密度非平衡晶界，中高温退火或热变形时很容易转变成平衡状态的粗晶。因此，目前，对超塑性铝合金的研究主要集中于含有弥散细小第二相的合金或硬质细颗粒均匀分布于基体的复合材料。本发明给出一种提高二元单相及多元铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，制备的合金由多尺度混晶组织组成，并在晶界处存在溶质原子偏聚和团簇，合金热稳定性明显提高。高温变形时，一方面，发生在粗晶内的动态再结晶通过消耗储存能从而降低细晶粒长大的驱动力；另一方面，偏聚和团簇在晶界处的溶质原子既能有效降低晶界能量从而提高晶界稳定性，又能钉扎晶界从而抑制晶粒长大，巧妙的解决了单相铝合金高温热稳定性差的难题，促进了铝合金在一定温度下的超塑性变形。该制备方法工艺简单、可靠，适用于加工大尺度工业样品，效率高，易于推广，非常适用于制备具有超塑性的铝合金，同时适用于镁合金、铜合金等。

近年来，关于提高铝合金热稳定性的研究主要集中在通过添加金属元素如钪、锆等形成弥散细小第二相颗粒，从而有效钉扎位错、抑制高温加热/变形时晶粒长大。例如，专利201310078494.0公布了“一种高热稳定性的变形铝合金的制备方法”，该专利通过添加锆和铒元素，二者结合形成弥散细小的具有良好的抗粗化性能的Al₃(Er、Zr)复合相，从而提高铝合金热稳定性。但是，通过添加贵重金属锆、铒等提高合金热稳定性则大大增加了合金成本。

目前，关于超塑性铝合金板材的制备主要集中在常规热轧上。例如，专利201610283633.7公布了“一种超塑性铝合金板材及其制备方法”，该专利将高温热轧与中温热轧相结合，制备出铝合金的板材的横向延伸率为235～245％，纵向延伸率为252～264％。但是，该制备方法效率低，仅轧制前加热保温时间就长达6-8小时。

发明内容

本发明的目的是为了解决单相铝合金高温热稳定性差、难以实现超塑性的难题，从而提供一种提高单相铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，该发明显著提高了单相铝合金的热稳定性，同样适用于多元铝合金、镁合金、铜合金等。

本发明的技术方案是这样实现的：

技术方案1：一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，包括高温均质处理结合液氮深冷处理及深冷轧制两个步骤，具体步骤如下：

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将铝合金铸锭置于加热炉，在400℃–600℃温度下保温1-5小时，进行均质化处理；随后，将待轧制均质试样放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温5-30分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，对轧辊温度控制在-50℃–0℃之间，随后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行1-3道次大压下量深冷控轧，每道次变形压下量为20-90％，获得铝合金板材。

技术方案2：在技术方案1的基础上，进一步做如下改进，步骤S1中所述高温均质化处理温度为450℃-550℃，时间为2-4小时；所述的试样及钢板在液氮环境下保温时间为10-20分钟。

技术方案3：在技术方案1的基础上，进一步做如下改进，步骤S2中所述每道次变形压下量为50-85％。

技术方案4：在技术方案1的基础上，进一步做如下改进，所述的铝合金选自Al-7Mg(wt.％)、Al-9Mg(wt.％)、Al-10Sn(wt.％)、Al-10Zn(wt.％)、Al-9Mg-0.7Mn(wt.％)、Al-9Mg-0.5Cu(wt.％)中的一种。

技术方案5：在技术方案1的基础上，进一步做如下改进，所述铝合金可以替换为镁合金或铜合金。

本发明具有以下优点：1)该制备方法采用高温均质处理结合液氮深冷手段处理样品，实现溶质原子在基体内维持超饱和高固溶状态；

2)通过大压下量深冷钢板辅助轧制引入非均匀变形，促进混晶组织形成；利用轧制过程中形成的高密度空位及位错等晶体缺陷促使溶质原子沿非平衡晶界富集，该溶质偏聚有效降低晶界能量并钉扎晶界，提高合金晶粒组织热稳定性；

3)高温超塑性变形中，发生在粗晶内的动态再结晶通过消耗储存能从而降低细晶粒长大的驱动力；同时，溶质偏聚可稳定基体细晶组织，利于晶界转动，最终实现超塑性；

4)该制备方法与大变形加工方式(如等通道转角挤压和高压扭转)相比，更适用于生产大尺寸工业材料，效率高，易于推广应用；

5)该制备方法适用于二元单相及多元铝合金，亦可用于制备其他镁合金、铜合金等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例2制备的Al-9Mg(wt％)合金的高温拉伸曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-7Mg(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-7Mg合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行1道次大压下量深冷控轧，压下量为84％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

实施例二

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-9Mg(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-9Mg(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，总压下量为84％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

经检测，该制得的Al-9Mg(wt.％)合金在275℃退火24小时后仍维持亚结构组织，在中高温拉伸时，获得的断裂延伸高于400％，其高温拉伸曲线如图1所示。

实施例三

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-10Zn(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在470℃保温2小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-10Zn(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，总压下量为82％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

实施例四

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-10Sn(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在550℃保温2小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-10Sn(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，总压下量为83％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

实施例五

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-9Mg-0.7Mn(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-9Mg-0.7Mn(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，压下量为85％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

实施例六

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-9Mg-0.5Cu(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-9Mg-0.5Cu(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，压下量为83％，获得了具有高热稳定性及超塑性的铝合金板材。

对比例一

S1.高温均质处理：将Al-9Mg(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，将均质化Al-9Mg(wt.％)合金放置在两块合金钢板之间；

S2.室温轧制：将试样和钢板一起进行2道次大压下量室温控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，总压下量为83％。

经检测，该方法制得的Al-9Mg(wt.％)合金中高温断裂延伸率低于200％。

对比例二

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将Al-9Mg(wt.％)合金铸锭置于加热炉，在500℃保温3小时，进行均质化退火处理；随后，仅将均质化Al-9Mg(wt.％)合金置于液氮环境下保温10分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，使轧辊处于深冷状态，后将经过深冷处理的试样进行2道次大压下量深冷控轧，前后每道次压下量分别为70％和50％，总压下量为85％，该制备流程未采用钢板辅助轧制。

经检测，该方法制得的Al-9Mg(wt.％)合金中高温断裂延伸率低于250％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，其特征在于：包括高温均质处理结合液氮深冷处理及深冷轧制两个步骤，具体步骤如下：

S1.高温均质处理结合液氮深冷处理：将铝合金铸锭置于加热炉，在400℃–600℃温度下保温1-5小时，进行均质化处理；随后，将待轧制均质试样放置在两块合金钢板之间，并一起置于液氮环境下保温5-30分钟；

S2.深冷轧制：采用经液氮冷却的氩气对轧辊进行降温，对轧辊温度控制在-50℃–0℃之间，随后将经过深冷处理的试样和钢板一起进行1-3道次大压下量深冷控轧，每道次变形压下量为20-90％，获得铝合金板材。

2.根据权利要求1所述一种提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述高温均质化处理温度为450℃-550℃，时间为2-4小时；所述的试样及钢板在液氮环境下保温时间为10-20分钟。

3.根据权利要求1所述的提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述每道次变形压下量为50-85％。

4.根据权利要求1所述的提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，其特征在于：所述的铝合金选自Al-7Mg(wt.％)、Al-9Mg(wt.％)、Al-10Sn(wt.％)、Al-10Zn(wt.％)、Al-9Mg-0.7Mn(wt.％)、Al-9Mg-0.5Cu(wt.％)中的一种。

5.根据权利要求1所述的提高铝合金热稳定性及超塑性的制备方法，其特征在于：所述铝合金可以替换为镁合金或铜合金。