技术领域：
本发明涉及大大尺寸铝合金板材制备领域，具体的涉及一种低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法。
背景技术：
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铝合金具有许多特点：质轻，比强度和比刚度高，导热导电性好，无磁性与电磁屏蔽特性，良好的热加工性和切割性能，对环境无不良影响等，而成为理想的结构材料。早期铝合金被广泛地应用于航空航天轻量化，而随着时代的进步和发展，它在各行各业中的应用越来越广泛，特别是在建筑、化工、汽车、船舶、潜艇、仪器仪表、电子、通信等领域的应用日益广泛，用量比例也越来越大。
铝合金属比较软并且化学性质比较活泼，在25℃时其标准电极电位是-1.66v，当与比它活泼的金属相接触时，铝会作为阳极而被腐蚀。大气中铝合金表面会氧化产生一层氧化膜，提供一定保护作用，但这种自然氧化膜层非常薄，通常不超过4nm，且不均匀、多孔、易破损、耐蚀性差，不足以抵抗恶劣条件的侵蚀，在550℃以上工作温度下机械性能会变差。
随着宇航、电子及军工等尖端科学技术高速发展，工业中各种零件构件对铝合金的要求更为苛刻，在要求材料性能稳定的同时，还要求材料具有大尺寸、质轻、耐磨、耐蚀、抗震、耐高温等优良综合性能，显然单纯的小尺寸金属材料已经不能满足要求。
中国专利(201510157528.4)公开了一种铝合金高筒件的制备工艺，包括以下工艺流程：准备原材料→下料→加热→锻造→机加工→加热→马架扩孔→加热→芯轴拔长→加热→平端面→加热→马架扩孔→加热→平端面→加热→辗环→热处理→机加工，该发明通过热模锻轧及优化的热处理方法，成型后的高筒件机次品率明显减少。但是热锻处理时对设备要求高，能耗大。
技术实现要素：
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本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，该方法制得的铝合金板材尺寸大成本低，性能好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理10-40min，匀速提出，90-100℃下固化0.5-2h；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述铝合金铸锭的成分为cu3-6％、si15-30％、mg1-4％，其余为al。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为(0.01-0.04)：50。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述大直径环轧筒坯的外径为1-2m，壁厚为150-300mm；所述大直径旋压筒坯的外径为1.5-3m，壁厚为50-150mm。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述温强力变薄旋压处理的温度为200-400℃，道次减薄率为25-45％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为50-86％。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述中间退火处理的温度为400-500℃，保持时间为3h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为25-45％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为300-550℃，保持时间为2-3h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述固溶处理的条件为500-550℃下处理1-3h，所述时效处理的条件为150-180℃下处理8-10h。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为3-7m，板长为4-6m，板厚为2-4mm。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n41-2份，氟树脂18-32份，羟基有机硅树脂10-20份，羧甲基纤维素0.5-3份，固化剂0.06-1份组成。
本发明具有以下有益效果：
(1)首先，本发明采用钛酸酯偶联剂对铝合金铸锭进行表面处理，从而在铝合金表面形成一层薄膜，薄膜与铝合金基体表面形成ti-o-al共价键，以及分子内部的ti-o-ti键，没有成键的组分可以与耐磨涂层中的活性基团发生键合，有效提高了涂层与基体的结合力；且钛酸酯偶联剂中的长碳键烷烃基，比较柔软，能和涂层中的有机聚合物进行弯曲缠结，而其分子中的羟基、氨基、环氧基等可以与涂层中的纳米粒子表面的活性基团发生反应，提高了纳米颗粒与有机基体的相容性，使得涂层更加均匀，性能更优异。
(2)其次，本发明采用局部加载省力成形的方法对钛酸酯偶联剂处理后的铝合金铸锭进行环轧和旋压处理，并对处理后的筒坯进行固溶、时效处理，制得的铝合金板材宽度可达7m，避免了采用无缝焊制备铝合金薄板成本高，质量差的问题。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理10min，匀速提出，90℃下固化0.5h；其中，铝合金铸锭的成分为cu3％、si15％、mg1％，其余为al；钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为0.01：50；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
其中，温强力变薄旋压处理的温度为200℃，道次减薄率为25％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为50％；所述中间退火处理的温度为400℃，保持时间为3h；所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为25％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为300℃，保持时间为3h；所述固溶处理的条件为500℃下处理1h，所述时效处理的条件为150℃下处理8h；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材；
其中，高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为3m，板长为4m，板厚为4mm；
耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n41份，氟树脂18份，羟基有机硅树脂10份，羧甲基纤维素0.5份，固化剂0.06份组成。
实施例2
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理40min，匀速提出，100℃下固化2h；其中，铝合金铸锭的成分为cu6％、si30％、mg4％，其余为al；钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为0.01：50；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
其中，温强力变薄旋压处理的温度为400℃，道次减薄率为25％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为75％；所述中间退火处理的温度为500℃，保持时间为3h；所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为45％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为550℃，保持时间为3h；所述固溶处理的条件为550℃下处理1h，所述时效处理的条件为180℃下处理10h；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材；
其中，高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为7m，板长为6m，板厚为2mm；
耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n42份，氟树脂32份，羟基有机硅树脂20份，羧甲基纤维素3份，固化剂1份组成。
实施例3
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理20min，匀速提出，95℃下固化1h；其中，铝合金铸锭的成分为cu4％、si15％、mg2％，其余为al；钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为0.02：50；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
其中，温强力变薄旋压处理的温度为250℃，道次减薄率为30％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为60％；所述中间退火处理的温度为450℃，保持时间为3h；所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为30％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为350℃，保持时间为2.3h；所述固溶处理的条件为510℃下处理1.5h，所述时效处理的条件为160℃下处理8.5h；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材；
其中，高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为4m，板长为4m，板厚为4mm；
耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n41.2份，氟树脂20份，羟基有机硅树脂15份，羧甲基纤维素1份，固化剂0.5份组成。
实施例4
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理30min，匀速提出，95℃下固化1.5h；其中，铝合金铸锭的成分为cu5％、si25％、mg3％，其余为al；钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为0.03：50；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
其中，温强力变薄旋压处理的温度为300℃，道次减薄率为40％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为80％；所述中间退火处理的温度为450℃，保持时间为3h；所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为35％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为400℃，保持时间为2.6h；所述固溶处理的条件为520℃下处理2h，所述时效处理的条件为170℃下处理9h；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材；
其中，高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为5m，板长为4m，板厚为3mm；
耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n41.4份，氟树脂25份，羟基有机硅树脂14份，羧甲基纤维素2份，固化剂0.5份组成。
实施例5
低成本制备表面涂有耐磨层的大尺寸铝合金板材的方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金铸锭抛光处理，并用依次用碱液、去离子水清洗，干燥后将其放入滴加有钛酸酯偶联剂的去离子水中，常温浸泡处理35min，匀速提出，100℃下固化1.5h；其中，铝合金铸锭的成分为cu5％、si25％、mg3％，其余为al；钛酸酯偶联剂与铝合金铸锭的质量比为0.03：50；
(2)将上述处理后的铝合金铸锭加热后，在锻造机上冲孔、扩孔和拔长处理，得到大直径环轧筒坯；并将制得的环轧筒坯在环轧机上环轧成大直径旋压筒坯；
(3)在大型强力数控旋压机上对上述制得的大直径旋压筒坯进行多道次温强力变薄旋压成形，并进行中间退火处理，之后在大型强力数控旋压机上进行多道次冷强力变薄旋压成形，最后依次进行抛光、固溶时效、时效处理，得到超大直径薄壁筒体，并将其剖开展平制得超大尺寸铝合金薄板；
其中，温强力变薄旋压处理的温度为350℃，道次减薄率为35％；多道次温强变薄旋压的总减薄率为70％；所述中间退火处理的温度为450℃，保持时间为3h；所述冷强力变薄旋压的道次减薄率为40％；多道次冷强力变薄旋压成形之间进行中间退火处理，所述中间退火处理的温度为500℃，保持时间为2.8h；所述固溶处理的条件为530℃下处理2.5h，所述时效处理的条件为170℃下处理9h；
(4)用大型喷涂机在上述制得的超大尺寸铝合金薄板上喷涂一层耐磨层，制得高耐磨大尺寸铝合金板材；
其中，高耐磨大尺寸铝合金板材板宽为6m，板长为5m，板厚为3mm；
耐磨涂层以重量份计，由纳米si3n41.6份，氟树脂30份，羟基有机硅树脂18份，羧甲基纤维素2.5份，固化剂1份组成。
对比例1
铝合金铸锭不采用钛酸酯偶联剂预处理，其他制备条件和实施例5相同。
对比例2
铝合金铸锭采用钛酸酯偶联剂处理时，二者质量比为：铝合金铸锭：钛酸酯偶联剂＝50：0.5，其他制备条件和实施例5相同。
对比例3
在多道次冷强力变薄旋压成形过程中不进行中间退火，其他制备条件和实施例5相同。
对比例4
耐磨涂层中不包括纳米si3n4，其他制备条件和实施例5相同。
下面对上述制得的大尺寸铝合金板材进行性能测试。
1、耐磨性测试
用自制的销盘式薄膜涂层磨损试验机测定了薄膜的摩擦学性能。试验参数为：试验载荷36n，盘的转速为50r/min，对磨件材料为高速钢，硬度62hrc以上，采用失重法测量磨损量，称量仪器使用精度为0.01mg的l-200sm分析天平。
测试结果显示：磨损机运行1h时，实施例1-实施例5的铝合金板材的磨损量仅为0.01-0.05mg，对比例1-3的磨损量为0.15-0.3mg，对比例4的磨损量为3.6mg。从该结果可以看出，本发明在表面涂层中加入适量的纳米氮化硅可以有效提高涂层的耐磨性能；且铝合金的加工工艺条件也对其表面耐磨性有一定的改善。
2、涂层与基体的结合力
本实验采用兰州大学的ws-2000型划痕试验仪可以进行定量分析。划痕试验仪由两部分组成一是工作台，可以根据不同的需要改变参数对试样进行划痕试验；二是主机部分，主要负责分析处理通过工作台上的传感器搜集信息，并输出结果。
划痕试验仪的工作方式主要有声发射和摩擦力两种，这两种工作方式的原理大致相同，只是采集的信号分为声发射信号和摩擦力信号而己。一般说来，声发射信号稳定但抗干扰能力较差而摩擦力信号抗干扰能力强但曲线变化不明显，所以最好把这两种方式结合起来。其简单的工作原理如下：用120°的锥形金刚石压头压在薄膜表面缓慢划动，并连续不断的增加载荷，当载荷增加到一定的数值时，薄膜开始破裂，此时传感器会同时收到破裂时的声发射信号和摩擦力变化数据，传到主机上进行处理，这时的载荷即为临界载荷，用lc表示。一般认为lc含有结合力的成分，但不一定能完全代表结合力的大小，通常用下列公式来进行运算：
τc＝k(hv)a/(r2-a2)；
a＝lc/(hv)1/2
τc-膜层结合力(mpa)；lc-临界载荷(n)；hv-基体硬度(mpa)
r-划针半宽(mm)；a-划痕半宽(mm)；k-修正系数(0.2-1.0)
测试结果显示：实施例1-5涂层与铝合金基体的结合力为37.8-41.5n，而对比例1-对比例3的涂层与基体的结合力仅为13.5-16.7n，对比例4的涂层与基体的结合力为25.4n。