一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法与流程

本发明涉及材料加工和制备技术领域，主要应用于各种工业铝合金的强韧化处理。

背景技术：

铝合金具有良好的强度和塑性，兼具优良的焊接性能和耐腐蚀性，广泛应用于汽车、轨道交通及航空航天等领域，根据强化方式可分为热处理强化型铝合金和不可热处理强化型铝合金。不可热处理强化铝合金型主要通过细化晶粒，控制再结晶来提高强度，而可热处理强化铝合金除上述机制外，还可通过析出强化来有效提高强度。然而工业技术的不断发展，对铝合金的加工及制备提出了高效率，短流程的要求，对铝合金力学性能的要求也越来越高。传统的热处理方式虽然具有较为成熟的工艺模式，但是由于处理时间长，工艺复杂，不利于工业生产的效率。同时，铝合金的机械性能对温度也非常敏感，传统热处理很难有效地控制温度的稳定性。因此，开发一种高效并能提高铝合金的综合力学性能的新工艺是铝合金发展的必然趋势。

作为一种广泛应用的细化晶粒的方法，形变与热处理相结合的方式可以通过动态再结晶，可有效地提高铝合金的力学性能。然而，由于铝基体的层错能较高，对于热处理工艺参数和材料的要求都很苛刻。其他的先进技术，如等通道角挤压等，可以提供一种利用大变形量来制备超细晶材料的方法。然而对于铝合金来说，在获得超细晶结构的同时，会引入很多缺陷，不利于塑性的提高。且由于该方法操作难度较大，目前还很难应用于工业生产。

高能瞬时电脉冲处理是一种在极短时间内，以电-热-力三场耦合的形式使材料的组织和力学性能发生显著改变的处理方式。目前，该技术在材料内部疲劳裂纹的自修复，结构弛豫，组织细化，液态金属的凝固等方面已经具有广泛的应用。同时，脉冲电流在同时提高金属的强度和塑性方面的工作也得到了证实。因此，应用高能瞬时脉冲电流对铝合金进行处理，对高效并能提高铝合金的综合力学性能具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

(1)将铝合金处理至可用于后续处理的初始态组织，如固溶态，轧制态，均质态，退火态，时效态等。

(2)在附加约束和控制冷却的情况下，选用合适的处理时机，将铝合金进行任意次数及次序的传统处理(固溶，时效，再结晶，形变处理等)与一定参数的脉冲电流处理(电流密度，作用时间，循环方式和次数)相结合的方式，如：传统固溶+电脉冲时效，电脉冲固溶+传统人工时效，传统固溶+电脉冲处理+传统人工时效，传统固溶+形变处理+电脉冲处理+传统人工时效等方式。

优选地，步骤(1)中，铝合金可为6061铝合金，其成分质量百分比含量为：0.88％mg，0.64％si，0.43％fe，0.24％cu，0.13％cr，al余量。

优选地，步骤(1)中，铝合金可为2024铝合金，其成分质量百分比含量为：4.42％cu，1.49％mg，0.51％mn，al余量。

优选地，步骤(1)中，铝合金可为7075铝合金，其成分质量百分比含量为：5.63％zn，2.35％mg，1.64％cu，al余量。

优选地，步骤(2)中，电流密度应为10⁷a/m²～10⁸a/m²的数量级，处理时间应为毫秒量级。

优选地，步骤(2)中，冷却介质为水或空气。

优选地，步骤(2)中，脉冲电流循环次数可为1-10次，循环间隔冷却介质为水或空气。

本发明一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，原理为：利用脉冲电流的焦耳热效应、电迁移效应及响应速度快、能量利用率高等优点。在极短时间内，大量有一定漂移速度的电子流与原子实高速冲击，使铝合金内部位错密度增加，析出数量密度更多尺寸更小的纳米级析出相，且析出的纳米相与位错相互缠结，阻碍了时效过程中位错的湮灭，使位错强化和析出强化的贡献更为突出，使铝合金的抗拉强度更为优异，同时可使铝合金发生快速再结晶，快速减小铝合金的晶粒尺寸，而缠结的位错使析出相的析出长大受各向同性的影响，而生长为球状，使铝合金的塑性得到明显提高。因此，电脉冲处理的三场耦合作用可将析出强化、位错强化的效果放大，最终通过优化工艺参数，实现铝合金的超高强韧化。

本发明一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，与传统的处理相比，具有以下的有益效果：

脉冲电流可在较短时间内析出数量密度更多，且尺寸更小的纳米级析出相，其综合力学性能在毫秒量级内就可得到极大的提高，显著提高了工作效率。

通过选用适当的合金初始组织状态、合适的电脉冲处理时机，可得到不同的组织结构和强韧性配合，满足多种不同服役条件要求。

脉冲电流处理可实现瞬时快速且合金外部，芯部同时加热的过程，而传统处理则是合金外部先受热，芯部后受热的过程。与传统处理相比，脉冲电流处理使合金的加热过程更为均匀。

附图说明

图1为本发明一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法的流程示意图。

图2为本发明中各实施例处理后铝合金的应力应变曲线的示意图，具体数值列于表1中。

图3为本发明中实施例1的组织形貌图。其中(a)为固溶态，(b)为固溶+电脉冲试样，(c)为(b)中析出相al5fesi的高分辨图像，(d)为固溶+人工时效试样，(e)为固溶+电脉冲+人工时效试样，(f)为(d)中析出相mg2si的高分辨图像，(g)为(e)中析出相mg2si的高分辨图像。

图4为本发明中实施例2的组织形貌图。其中(a)为固溶+人工时效试样，(b)为固溶+电脉冲试样，(c)为固溶+电脉冲试样中团簇结构的原子分布图，(d)为固溶+电脉冲试样中团簇结构的团簇分布图。

图5为本发明中实施例3的组织形貌图。其中(a)为轧制态试样的背散射电子衍射图，(b)为轧制+电脉冲试样的背散射电子衍射图，(c)为轧制态试样的组织形貌图，(d)为轧制+电脉冲试样的组织形貌图，(e)为固溶+人工时效试样的组织形貌图，(f)为轧制+电脉冲试样的组织形貌图。

图6为本发明中实施例4的组织形貌图。其中(a)、(c)为固溶态试样，(b)、(d)为固溶+电脉冲试样。

图7为本发明中实施例5的组织形貌图。其中(a)为固溶态试样，(b)为电脉冲试样，(c)为(a)中晶粒尺寸分布直方图，(d)为(b)中晶粒尺寸分布直方图，(e)为固溶+人工时效试样，(f)为电脉冲+人工时效试样

具体实施方式

实施例1

制备高强度的6000系铝合金。

本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

步骤一、获取6061铝合金板材，其成分质量百分比含量为：0.88％mg，0.64％si，0.43％fe，0.24％cu，0.13％cr，al余量。

步骤二、将6061铝合金板材进行实验前的预处理。将市售轧制态的6061铝合金用电火花线切割机床切割成130mm*200mm*10mm,用电阻炉对其进行510℃,5小时的去应力退火并随炉冷却到室温。

步骤三、将6061铝合金加工成合适的尺寸。将退火后的6061铝合金用电火花线切割机床切割成65mm*10mm*3mm的片状试样。

步骤四、将6061铝合金进行传统处理与电脉冲处理相结合的处理方式

a.将去应力退火后的6061铝合金用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温。

b.将a中的6061铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50hz,电流密度为6.643*10⁷a/m²,处理时间为240ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为50mm,随后空冷至室温。然后将电脉冲后的6061铝合金用电阻炉进行175℃，6小时的人工时效处理。

与本专利中试样相对比的试样，采用传统固溶+人工时效的处理方式，固溶处理采用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温，人工时效采用电阻炉进行175℃，8小时的人工时效处理。

经过本实施例处理的试样，与传统固溶+人工时效的试样相比，其位错密度有了明显的提高，其析出相al5fesi析出量更多，且与位错相互缠结，使得位错在时效过程中得以保留，同时位错使析出相mg2si的生长趋向于各向同性，使得该试样的强塑性得以同时提高。

经过本实施例处理的试样，其室温下拉伸性能相比传统处理的合金有了大幅度的提高，其室温抗拉强度为421.0mpa，其断裂延伸率为22.4％。与传统固溶+人工时效的试样相比，其抗拉强度提高了47.2％，而断裂延伸率仅有微小幅度的下降。本专利处理的试样其综合力学性能为623.7mpa,比传统处理的试样提高了27.4％。同时，与传统处理的人工时效8小时峰值时效相比，本专利处理的试样缩短了峰值时效时间2小时，提高了工作效率。

实施例2

制备高塑性的6000系铝合金。

本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

步骤一、获取6061铝合金板材，其成分质量百分比含量为：0.88％mg，0.64％si，0.43％fe，0.24％cu，0.13％cr，al余量。

步骤二、将6061铝合金板材进行实验前的预处理。将市售轧制态的6061铝合金用电火花线切割机床切割成130mm*200mm*10mm,用电阻炉对其进行510℃,5小时的去应力退火并随炉冷却到室温。

步骤三、将6061铝合金加工成合适的尺寸。将6061铝合金用电火花线切割机床切割成65mm*10mm*3mm的片状试样。

步骤四、将6061铝合金进行传统处理与电脉冲处理相结合的处理方式

a.将去应力退火后的6061铝合金用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温。

b.将a中的6061铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50hz,电流密度为5.146*10⁷a/m²,处理时间为560ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为50mm,随后空冷至室温。

与本专利中试样相对比的试样，采用传统固溶+人工时效的处理方式，固溶处理采用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温，人工时效采用电阻炉进行175℃，8小时的人工时效处理。

经过本实施例处理的试样，与传统固溶+人工时效的试样相比，其析出相为尺寸极为细小的纳米团簇mg2(si,cu)3，其内部缠结的高密度位错使晶粒内部产生更多的晶粒取向，使更多的亚晶界产生，同时，亚晶界对裂纹的扩展起到阻碍作用。因此，该试样的强塑性得到明显提高。

经过本实施例处理的试样，其室温下拉伸性能相比传统处理的合金有了大幅度的提高，其室温抗拉强度为292.6mpa，其断裂延伸率为40.6％。与传统固溶+人工时效的试样相比，其断裂延伸率提高了78.8％，而抗拉强度略高于传统处理的试样。与传统固溶的试样相比，其抗拉强度提高了48.9％。本专利处理的试样其综合力学性能为533.8mpa,比传统处理的试样提高了9.1％。本专利中处理的试样处理时间为毫秒量级，因此大大缩短了处理时间，提高了工艺效率。

实施例3

制备高强度，高塑性的6000系铝合金。

本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

步骤一、获取6061铝合金板材，其成分质量百分比含量为：0.88％mg，0.64％si，0.43％fe，0.24％cu，0.13％cr，al余量。

步骤二、将6061铝合金板材进行实验前的预处理。将市售轧制态的6061铝合金用电火花线切割机床切割成130mm*200mm*10mm,用电阻炉对其进行510℃,5小时的去应力退火并随炉冷却到室温。

步骤三、将6061铝合金加工成合适的尺寸。将6061铝合金用电火花线切割机床切割成65mm*10mm*5mm的片状试样。

步骤四、将6061铝合金以单道次40％压下量进行室温轧制，轧制后的厚度为3mm。

步骤五、将轧制后的6061铝合金进行传统处理与电脉冲处理相结合的处理方式

a.将轧制后的6061铝合金用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温。

b.将a中的6061铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50hz,电流密度为6.643*10⁷a/m²,处理时间为240ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为50mm,随后空冷至室温。然后将电脉冲后的6061铝合金用电阻炉进行175℃，4小时的人工时效处理。

与本专利中试样相对比的试样，采用传统固溶+人工时效的处理方式，固溶处理采用电阻炉进行550℃，1小时固溶处理后水冷至室温，人工时效采用电阻炉进行175℃，8小时的人工时效处理。

经过本实施例处理的试样，与轧制态的试样相比，实现了快速再结晶过程，其试样内的位错缠结被打破，与传统固溶+人工时效的试样相比，形成了一种新的细小析出相。因此，该试样的强塑性得到明显提高。

经过本实施例处理的试样，其室温下拉伸性能相比传统处理的合金有了大幅度的提高，其室温抗拉强度为383.4mpa，其断裂延伸率为28.1％。与传统固溶+人工时效的试样相比，其抗拉强度提高了33.9％，其断裂延伸率提高了23.7％。本专利处理的试样其综合力学性能为600.9mpa,比传统处理试样提高了22.8％。同时，与传统处理的人工时效8小时峰值时效相比，本专利处理的试样缩短了峰值时效时间4小时，提高了工作效率。

实施例4

本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

步骤一、获取2024铝合金，其成分质量百分比含量为：4.42％cu，1.49％mg，0.51％mn，al余量。

步骤二、将2024铝合金用电阻炉进行490℃，24小时的均质化处理，随后用轧机对6mm厚的试样进行350℃，每道次30％压下量的热轧，直至轧制到2mm。然后，用电火花线切割机床切成45mm*10mm*2mm的片状试样。

步骤三、将2024铝合金用电阻炉进行495℃，40分钟的固溶处理后水冷至室温。

步骤四、将固溶后的2024铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50hz,电流密度为1.90*10⁸a/m²,处理次数为10次，单次处理时间为100ms，随后空冷至室温。

与本专利中试样相对比的试样，采用传统固溶的处理方式，固溶处理采用电阻炉进行495℃，40分钟的固溶处理后水冷至室温。

经过本实施例处理的试样，与传统固溶的试样相比，其析出相al20cu2mn3的析出量更多，且形状更加规则，分布更加均匀，析出相被位错包围生长，而传统固溶试样中几乎无可见位错分布，且析出相形状模糊。因此，该试样的力学性能得到提高。

经过本实施例处理的试样，其室温下拉伸性能相比传统固溶处理的合金有了明显的提高，其室温抗拉强度为465mpa，其屈服强度为301mpa，其断裂延伸率为31％。与传统固溶的合金相比，其抗拉强度提高了4.97％，屈服强度提高了13.58％，其断裂延伸率提高了18.77％。本专利处理的试样其综合力学性能为688.7mpa,比传统固溶处理的试样655.5mpa提高了5.06％。本专利中处理的试样处理时间为毫秒量级，在极短的时间内提高了合金的综合力学性能。

实施例5

本实施例中一种基于脉冲电流的铝合金强韧化方法，包括以下步骤：

步骤一、获取7075铝合金，其成分质量百分比含量为：5.63％zn，2.35％mg，1.64％cu，al余量。

步骤二、将7075铝合金用电阻炉进行460℃，24小时的均质化处理，随后用轧机对5.4mm厚的试样进行350℃，每道次小于30％压下量的热轧，直至轧制到2mm。然后，用电火花线切割机床切成50mm*10mm*2mm的片状试样。

步骤三、将固溶后的2024铝合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行电脉冲处理，其频率为50hz,电流密度为2*10⁸a/m²,处理时间为220ms，随后水冷至室温。然后，用电阻炉对电脉冲处理后的试样进行120℃，24小时的人工时效。

与本专利中试样相对比的试样，采用传统固溶+人工时效的处理方式，固溶处理采用电阻炉进行475℃，1小时固溶处理后水冷至室温，人工时效采用电阻炉进行120℃，24小时的人工时效。

经过本实施例处理的试样，与传统固溶的合金相比，电脉冲处理后的试样再结晶晶粒尺寸为15μm，与传统固溶处理的试样相比，再结晶晶粒大小减小了71.7％。同时，其析出细小的析出相可阻碍溶质运动，延缓析出相的粗化，使该试样的力学性能得到提高。

经过本实施例处理的试样，其室温下拉伸性能相比传统固溶处理+人工时效的合金强度有了一定的提高，其断裂延伸率有轻微的下降。本专利中处理的试样处理时间为毫秒量级，在极短的时间内阻碍了晶粒的长大，提高了合金的强度。因此，本专利的处理方法可作为一种快速强化合金的方式。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

在本说明书的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“电脉冲处理”应做广义理解，例如可以是直流电脉冲处理，也可以是交流电脉冲处理。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

表1