一种喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法与流程

本发明涉及一种喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法，属于铝合金的制备加工技术领域。

背景技术：

喷射成形是英国swansea大学singer在1968年发明的快速凝固技术。利用喷射成形技术制备各种合金锭坯，可以实现合金元素固溶度增加、晶粒细小、组织均匀、减少宏微观偏析等，从而极大的提升合金的强度。当然，喷射成形也有其固有的问题，即锭坯中存在不可避免的气孔缺陷。这些气孔缺陷对材料的性能存在严重的负面影响，是使用过程中的安全隐患。

目前，主要有两种方法来消除材料中的气孔缺陷。第一种方法是：通过后续塑性加工实现对气孔缺陷的变形和破碎，进而达到消除的目的。此类方法的优点是不增加额外的成本，仅需对塑性变形工艺进行调控；缺点是对气孔的消除不够彻底，部分气孔仅是被压扁或拉长，气孔的内表面只是机械贴合并未实现冶金结合。第二种方法是：对原始锭坯进行包套处理、抽真空除气、热等静压等一系列处理，通过扩散连接实现气孔的消除。此类方法的优点是可以使发生扩散连接的气孔实现根本性的消除；缺点是增加了额外的成本，并且对于独立封闭的气孔缺陷的消除效果不理想。

因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题，以应对喷射成形铝合金应用于航空等领域时对材料残留气孔的严格要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法，其可以显著降低喷射成形铝合金中的气孔缺陷，从而提升材料的致密度和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法，该方法包括以下步骤：

(1)将带有气孔的喷射成形铝合金锭坯粗机械加工表面，至满足塑性变形要求。

(2)在铝合金塑性较好的温度进行塑性变形，塑性变形的作用力包含较大的应力球张量；经过塑性变形后，材料中气孔的封闭和等轴特征被破坏。不同种类的铝合金选择的塑性变形温度不同，如高合金化的7xxx系铝合金应在370～410℃范围内变形。塑性变形的方式可以是轧制、挤压等，对于轧制时的变形量应在80％以上，挤压时的挤压比应大于15，方能充分破坏材料中气孔的封闭和等轴特征。优选采用热挤压的方式进行塑性变形。

(3)在满足铝合金扩散连接要求的温度、时间和压强条件下进行热等静压，使得气孔的内表面彼此扩散连接。不同种类的铝合金选择的热等静压温度不同，如高合金化的7xxx系铝合金应在440～470℃范围内变形，热等静压时间不能低于6小时，压强不能低于100mpa。

本发明的优点在于：

气孔缺陷因为包含气体且在高温条件下形成，一般呈封闭的近等轴状。采用本发明的方法，塑性变形可以将气孔缺陷压扁或拉长，破坏了气孔的封闭和等轴特征；随后的热等静压可以使得气孔的内表面彼此扩散连接，从而消除材料中的气孔。

附图说明

图1为本发明喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法实施过程的原理示意图。

图2为实施例1中合金喷射成形锭坯的微观组织(sem)照片。

图3为喷射成形锭坯热挤压后的微观组织(sem)照片。

图4为喷射成形锭坯包套热等静压后的微观组织(sem)照片。

图5为喷射成形锭坯经热挤压和热等静压处理后的微观组织(sem)照片。

图6为喷射成形锭坯经包套热等静压再经短时高温加热后的微观组织(sem)照片。

图7为喷射成形锭坯经热挤压和热等静压处理再经短时高温加热后的微观组织(sem)照片。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明并不限于此。

实施例1

将本发明应用于7a93喷射成形铝合金，其名义成分范围(质量分数，wt.％)为：si≤0.12，fe≤0.15，ni≤0.08，9.8≤zn≤11.0，2.0≤mg≤2.6，1.6≤cu≤2.2，0.15≤zr≤0.30，余量al，以及不可避免的其他杂质。图1为本发明喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法实施过程的原理示意图，图中a为含有气孔缺陷(○)的原始锭坯；b为热挤压后缺陷闭合后(-)的原始锭坯；c为热等静压后消除缺陷的锭坯。

选择种典型合金成分：al-10.5zn-2.4mg-1.9cu-0.15zr，采用喷射成形制备7a93合金喷射成形锭坯，锭坯外轮廓为φ200mm×550mm，车削加工表面至φ180mm×500mm。图2为7a93合金喷射成形锭坯的微观组织照片，可见从几微米到几十微米的气孔毫无规则的分布在锭坯中。

对机加工后的锭坯在370～410℃之间进行热挤压，挤压速度介于25～35mm/min，锭坯被挤压成φ40mm的棒材，挤压比为20。热挤压后棒材的微观组织如图3所示。气孔被压扁，但是只是机械贴合，没有实现扩散连接。

对机加工后的锭坯进行包套处理后，进行450℃/8h/120mpa的热等静压处理。热等静压处理后锭坯的微观组织如图4所示。热等静压消减了大部分气孔，但是对于封闭的含气气孔，却只能使其变小。

对热挤压后的棒材直接进行450℃/8h/120mpa的热等静压处理。处理后棒材的微观组织如图5所示。可以看出，先经过热挤压再经过热等静压处理的材料中没有观察到气孔。

对直接热等静压的锭坯和热挤压后再热等静压的棒材同时进行473℃/4h的短时高温处理以检验锭坯中气孔的消减情况，高温处理后材料的微观组织如图6和图7所示。其中，图6为喷射成形锭坯经包套热等静压再经短时高温加热后的微观组织照片，图7为喷射成形锭坯经热挤压和热等静压处理再经短时高温加热后的微观组照片。可以看出，直接热等静压的锭坯虽然消减了大部分气孔，但是重新加热时金属的强度降低而封闭气孔中的气体压强升高，从而造成气孔再次出现。而先经过热挤压再经过热等静压处理的材料即使再次加热也没有观察到复现的气孔，可见气孔已经被彻底消除。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种喷射成形铝合金中气孔缺陷的消除方法。该方法包括以下步骤：(1)将带有气孔的喷射成形铝合金锭坯粗机械加工表面，至满足塑性变形要求；(2)在铝合金塑性较好的温度进行塑性变形；(3)在满足铝合金扩散连接要求的温度、时间和压力条件下进行热等静压，使得气孔的内表面彼此扩散连接。用本发明的方法，塑性变形可以将气孔缺陷压扁或拉长，破坏了气孔的封闭和等轴特征；随后的热等静压可以使得气孔的内表面彼此扩散连接，从而消除材料中的气孔。

技术研发人员：黄树晖;熊柏青;张永安;李志辉;李锡武;刘红伟;闫宏伟;闫丽珍;温凯
受保护的技术使用者：北京有色金属研究总院
技术研发日：2017.12.20
技术公布日：2019.06.28