专利名称：一种制备变形铝合金半固态浆料的方法
技术领域：
本发明涉及半固态铝合金浆料制备技术领域，特别提供了一种不经搅拌直接制备高强变形铝合金半固态浆料的方法。该方法不仅适用于难度较大的变形铝合金半固态浆料的制备，还可用于铸造铝合金，镁合金和其它合金体系半固态浆料的制备。
背景技术：
通常，铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铸造铝合金是以铸造方法 (液态金属直接浇注)生产的铝合金铸件。变形铝合金是以压力加工方法生产的铝合金加工产品，包括板，带，箔，管，棒，以及其它各种异型材。目前流变成形研究的铝合金主要集中在铸造铝合金A356、A357等上。虽然这类合金浆料的制备较易，但成形后材料的力学性能较差。将高性能变形铝合金从液态直接近净成形为零件，一直是材料工作者追求的目标。由于变形铝合金结晶范围宽、析出相与基体之间比重差异大，因此用传统工艺生产这类合金时易导致组织粗大、热裂倾向严重和明显的宏观偏析。近年来，国内外材料工作者开展了流变成形高性能变形铝合金的制备-组织-性能的研究工作。研究中遇到的主要问题是 (1)变形铝合金的固液两相区通常较宽(例如，7075变形铝合金的固相线温度为477°C，固相线温度为635°C，固液相线温度差为158°C)，当工艺参数(如浆料温度、比压、模具预热温度等)控制不当时，易产生一些组织缺陷(如存在异常长大的蔷薇形组织、冷夹层等)和表面缺陷(如部件外表面的冷隔等)，大大降低材料的性能；(2)目前多数的制浆工艺是依赖外场作用(机械搅拌、电磁搅拌等)使枝晶破碎，这种工艺能耗较高，设备投入较大，质量难以控制(由于合金固液相线温度差大，枝晶发达，搅拌难度很大)，半固态流变成形较为困难。例如，申请号为200910099955. 6的中国专利申请文件介绍了使用一种弯道自搅拌制备半固态浆料的方法。由于弯道弯曲坡度较大，容易出现结壳和堵塞弯管的现象，实际应用比较困难。又如，EP0745691A1专利文件介绍了一种非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注制备半固态浆料的方法。由于浆料只能获得低强度的紊流(低剪切速率)，多用于铸造铝合金半固态浆料的制备。为了实现稳定的半固态浆料的生产，浆料组织形成机制应由枝晶破碎向促使球形组织直接生长的机制转变。众所周知，快速获得理想的非枝晶半固态浆料是解决流变成形的技术关键，半固态浆料的诸多特性均与其球形或近球形的晶粒组织有关。球形或近球形晶粒的获得主要来自树枝晶破碎球化技术和控制形核抑制树枝晶生长技术。前者的核心是通过搅拌使凝固生成的树枝晶破碎。这种工艺能耗较高，较易引起合金液的飞溅和氧化。后者的核心是在合金熔体中形成大量的晶核，从合金熔体中直接获得球形或近球形的初生固相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不经搅拌直接制备高强变形铝合金半固态浆料的方法。这是一种短流程，易控制，低成本制备半固态变形铝合金浆料的方法。
一种制备变形铝合金半固态浆料的方法，其特征是将熔铸-原位合成陶瓷颗粒制备技术和近液相线浇注技术相结合，在变形铝合金熔体中原位合成一定量的亚微米级TiB2 颗粒，作为异质形核核心，显著促进变形铝合金初生相的形核。再利用近液相线浇注技术控制球状晶的长大，最终制备出高性能的变形铝合金。制备步骤如下
1、选择铝合金体系，配制混合盐按原子计量比Ti =B=I :2. 2配比K2TiF6 (纯度高于 97wt%)和KBF4 (纯度高于97wt%)混合盐。混勻并经300°C烘干。2、熔炼铝合金将选定的铝合金熔化并加热至800_850°C保温5_15分钟使其均勻化。3、熔铸-原位合成TW2颗粒当铝合金熔体温度为800_850°C时迅速加入上述一定量K2TiF6和KBF4混合盐(理论生成TW2质量占合金总质量的3%飞％)。用石墨搅拌器充分搅拌5-15分钟后再保温15分钟。4、扒渣、精炼和除气将步骤3所述复合材料熔体降温至720V，扒除表面残渣，进行常规的铝合金精炼除气。5、低温浇注将步骤4所述复合材料熔体降到液相线以下5°C 10°C，保温5 30分钟后直接水淬或经压铸、挤压成形。如上所述的制备变形铝合金半固态浆料的方法，其特征是铝合金体系选择 7075 变形铝合金。化学成分为0. 40wt%Si,0. 50wt%Fe, 1. 2 2. 0wt%Cu,0. 30wt%Mn, 2. Γ2. 9wt%Mg,0. 20wt%Ti,0. 18 0. 28wt%Cr, 5. Γβ. lwt%Zn，其余为 Al。步骤 5 所述复合材料熔体降到63(T625°C，保温5 30分钟后直接水淬或经压铸、挤压成形。本专利申请的创新性在于将熔铸-原位合成陶瓷颗粒制备技术和近液相线浇注技术相结合，在变形铝合金熔体中原位合成一定量的亚微米级TW2颗粒(平均尺寸约 500nm)，作为异质形核核心，显著促进变形铝合金初生相的形核。再利用近液相线浇注技术控制球状晶的长大(温度过高不利于球状晶的形成，温度过低不利于熔体的流动和后续的充型过程)，最终制备出高性能的变形铝合金。本发明的优点是
1、流程短合金的熔炼和陶瓷颗粒的生成同时进行，有利于实现半固态浆料制备与成形的一体化和连续化。2、操作简单只需将复合材料熔体保温5 35分钟、经简单的水淬或者压铸、挤压成形过程就可以获得较理想的半固态材料。3、成本低不需要添加任何其它特定的浆料制备装置。制备过程中合金熔体表层覆盖的氟盐可有效减轻熔体的氧化和烧损。4、适用面广不仅适用于难度较大的变形铝合金半固态浆料的制备，还可用于铸造铝合金，镁合金和其它合金体系半固态浆料的制备。原位合成陶瓷颗粒的添加还有利于提高材料的耐磨性。
图1为3wt%TiB2/7075铝基复合材料在630°C保温不同时间后直接水淬得到的半固态组织(a) IOmin (b) 23min ；
图2为3wt%TB2/7075铝基复合材料在625°C保温不同时间后直接水淬得到的半固态组织(a) 8min (b) 20min ；
图3为6wt%TiB2/7075铝基复合材料在630°C保温不同时间后直接水淬得到的半固态组织(a) 30min (b) 33min ；
图4为6wt%TB2/7075铝基复合材料在625°C保温不同时间后直接水淬得到的半固态组织(a)25min (b)30min。
具体实施例方式实施例1
将7075铝合金熔化并加热至800°C，保温15分钟。然后加入生成TW2质量占合金总质量3%的K2TiF6和KBF4混合盐。用石墨搅拌器充分搅拌10分钟后再保温15分钟。降温至720°C时扒除表面残渣，加入占熔体0. 5wt%的C2Cl6精炼剂进行精炼和除气。再将熔体温度降到液相线以下5°C即630°C，分别保温10，23分钟后直接水淬，得到3wt%TiB2/7075铝基复合材料半固态浆料(图la-b)。经计算，保温23min时材料的平均晶粒尺寸为92. 15 mm, 形状因子为0. 64。实施例2
将7075铝合金熔化并加热至825°C，保温10分钟。然后加入生成TW2质量占合金总质量3%的K2TiF6和KBF4混合盐。用石墨搅拌器充分搅拌12分钟后再保温15分钟。降温至720°C时扒除表面残渣，加入占熔体0. 5wt%的C2Cl6精炼剂进行精炼和除气。再将熔体温度降到液相线以下10°C即625°C，分别保温8，20分钟后直接水淬，得到3wt%TiB2/7075铝基复合材料半固态浆料(图加-b)。经计算，保温20min时材料的平均晶粒尺寸为96. 02 mm, 形状因子为0. 63。实施例3
将7075铝合金熔化并加热至840°C，保温7分钟。然后加入生成TW2质量占合金总质量6%的K2TiF6和KBF4混合盐。用石墨搅拌器充分搅拌10分钟后再保温15分钟。降温至 7200C时扒除表面残渣，加入占熔体0. 5wt%的C2Cl6精炼剂进行精炼和除气。再将熔体温度降到液相线以下5°C即630°C，分别保温30，33分钟后直接水淬，得到6wt%TiB2/7075铝基复合材料半固态浆料(图3a-b)。经计算，保温33min时材料的平均晶粒尺寸为100. 05 mm, 形状因子为0. 64。实施例4
将7075铝合金熔化并加热至850°C，保温5分钟。然后加入生成TW2质量占合金总质量6%的K2TiFf^P KBFJg合盐。用石墨搅拌器充分搅拌5分钟后再保温15分钟。降温至 7200C时扒除表面残渣，加入占熔体0. 5wt%的C2Cl6精炼剂进行精炼和除气。再将熔体温度降到液相线以下10°C即625°C，分别保温25，30分钟后直接水淬，得到6wt%TiB2/7075铝基复合材料半固态浆料(图4a-b)。经计算，保温30min时材料的平均晶粒尺寸为106. 41 mm, 形状因子为0. 66。
权利要求
1.一种制备变形铝合金半固态浆料的方法，其特征在于将熔铸-原位合成陶瓷颗粒制备技术和近液相线浇注技术相结合，在变形铝合金熔体中原位合成一定量的亚微米级 TiB2颗粒，作为异质形核核心，显著促进变形铝合金初生相的形核；再利用近液相线浇注技术控制球状晶的长大，最终制备出高性能的变形铝合金；具体方法如下(1)选择铝合金体系，配制混合盐按原子计量比Ti=B=I 2. 2配比纯度高于97wt%的 K2TiF6和纯度高于97wt%的KBF4混合盐，混勻并经300°C烘干；(2)熔炼合金将选定铝合金熔化并加热至800-850°C保温5-15分钟使其均勻化；(3)熔铸-原位合成TW2颗粒当铝合金熔体温度为800-850°C时迅速加入上述一定量的K2TiF6和KBF4混合盐，生成TW2质量占合金总质量的3%飞％，用石墨搅拌器充分搅拌 5-15分钟后再保温15分钟；(4)扒渣、精炼和除气将步骤(3)产生的复合材料熔体降温至720°C，扒除表面残渣， 进行常规的铝合金精炼除气；(5)低温浇注将步骤(4)产生的复合材料熔体降到液相线以下5°C 10°C，保温5 35 分钟后直接水淬或经压铸、挤压成形。
2.如权利要求1所述的制备变形铝合金半固态浆料的方法，其特征是铝合金体系选择 7075 变形铝合金，化学成分为0. 40wt%Si，0. 50wt%Fe, 1. 2 2. 0wt%Cu, 0. 30wt%Mn, 2. Γ2. 9wt%Mg,0. 20wt%Ti,0. 18 0. 28wt%Cr, 5. Γ6. lwt%Zn,其余为 Al ；步骤(5)所述复合材料熔体降到63(T625°C，保温5 30分钟后直接水淬或经压铸、挤压成形。
全文摘要
一种制备变形铝合金半固态浆料的方法，属于半固态铝合金浆料制备技术领域。本发明不经搅拌直接制备高强变形铝合金半固态浆料，将熔铸-原位合成陶瓷颗粒制备技术和近液相线浇注技术相结合，在变形铝合金熔体中原位合成一定量的亚微米级TiB2颗粒，作为异质形核核心，显著促进变形铝合金初生相的形核。再利用近液相线浇注技术控制球状晶的长大，最终制备出高性能的变形铝合金。该方法不仅适用于难度较大的变形铝合金半固态浆料的制备，还可用于铸造铝合金，镁合金和其它合金体系半固态浆料的制备。
文档编号B22D21/04GK102319890SQ20111026798
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月12日 优先权日2011年9月12日
发明者杨滨, 梅晗, 甘贵生, 贝舒瑜 申请人:北京科技大学