一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料及其制备方法与流程

本发明属于铝合金层状复合材料技术领域，具体涉及一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料及其制备方法。

背景技术：

铝合金具有密度小、比强度高以及优良的导热、导电和耐腐蚀等性能，是现在应用最广泛的一类有色金属材料。随着现代社会经济的发展，铝合金材料的服役环境越来越复杂，在腐蚀介质中服役的铝合金材料不仅要求高强度和高塑性，还要兼有优良的耐腐蚀性能。然而，传统单一的铝合金材料往往无法兼具良好的力学性能和耐腐蚀性能。将具有优良耐腐蚀性能的铝合金材料与具有高强度高塑性的铝合金材料以层状方式叠合且界面实现冶金结合而形成的铝合金层状复合材料兼有优良耐腐蚀性能和综合力学性能，大大扩展了铝合金材料的应用领域。

目前制备铝合金层状复合材料的传统方法主要有冷轧复合法和热轧复合法。传统冷轧复合法包括轧前表面预处理、叠合组坯、冷轧复合和轧后扩散退火处理等工序。然而，传统冷轧复合所需压下量较大，一般为60％～80％。大压下量冷轧不仅对冷轧机的能力要求较高，而且铝合金层状复合材料(如铝合金层状复合板)在压下量过大时冷轧还会产生边缘开裂等缺陷。因此，也有研究者开发了采用多道次小压下量冷轧复合的方法，但该方法不仅需要反复进行中间退火，工艺流程繁琐，生产周期长，能耗大，生产成本高，而且铝合金层状复合材料的界面冶金结合质量较差，甚至界面根本无法实现冶金结合。此外，传统冷轧复合法制备的铝合金层状复合材料的界面结合强度通常较低，在后续的进一步深加工和使用过程中往往存在界面分层的隐患。传统热轧复合法是将表面处理后的铝合金材料(如铝合金板)以层状方式叠合组坯并加热到一定温度后进行多道次热轧，使界面实现冶金结合。尽管传统热轧复合法制备的铝合金层状复合材料的界面结合强度高于传统冷轧复合法制备的，但是界面结合质量仍然不够高且不稳定，无法采用铝合金卷坯为原材料进行生产，获得的铝合金层状复合材料的卷重小，材料利用率低，生产成本高，而且难以生产整体厚度较薄或复层较薄的铝合金层状复合材料，且复层的均匀性和一致性难以保证。

因此，针对传统单一的铝合金材料无法兼顾力学性能和耐腐蚀性能等问题，研制一种兼具高强度高塑性和优良耐腐蚀性能的铝合金层状复合材料，并开发一种低成本、高效率制备出高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的方法，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料及其制备方法。该高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料兼具优良的耐腐蚀性能以及综合力学性能，可在腐蚀介质中长期服役。该制备方法不需要大压下量冷轧复合，对轧机设备负荷小，不需要多道次热轧复合，生产流程简单，周期短，能耗少，可低成本、高效率制备出高界面结合质量以及具有高强度高塑性和优良耐腐蚀性能的铝合金层状复合材料。

根据本发明的第一方面，提供一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对铝合金复层材料和铝合金基层材料进行热处理，所述铝合金复层材料进行o态热处理，所述铝合金基层材料进行o态或t4态热处理；

步骤2：采用百叶片、砂轮或钢丝刷对表面清洗脱脂后的所述铝合金复层材料和所述铝合金基层材料的待复合表面进行打磨处理，去除所述待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的所述待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；

步骤3：将所述待复合表面处理后的所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料按照所需制备高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料要求的顺序层叠放置，用铝铆钉对所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的长度和宽度相等，所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的厚度匹配由所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的层厚比确定；

步骤4：对所述组合坯料进行单道次冷轧预复合，获得铝合金层状冷轧预复合材料；

步骤5：对所述铝合金层状冷轧预复合材料进行加热并保温；

步骤6：对加热后的所述铝合金层状冷轧预复合材料进行单道次热轧复合，随后空冷至室温，获得铝合金层状热轧复合材料；

步骤7：将所述铝合金层状热轧复合材料进行固溶-时效处理，固溶-时效处理后获得界面为强冶金结合的所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料。

进一步的，步骤4中，冷轧速度＜0.1m/s、冷轧压下量为20％～50％；轧速＜0.1m/s可显著降低所述组合坯料冷轧预复合的临界压下量，同时根据坯料初始厚度控制冷轧压下量为20％～50％，保证所述组合坯料实现冷轧预复合且界面具有合适的结合强度。

进一步的，步骤5中，加热温度为400～600℃、保温时间为10～40min；加热温度400～600℃可以使所述铝合金层状冷轧预复合材料界面充分软化，促进界面原子扩散，提高界面结合强度；保温10～40min的目的是保证所述铝合金层状冷轧预复合材料的温度均匀。

进一步的，步骤6中，单道次热轧复合的热轧速度＞0.2m/s、热轧压下量为20％～60％；考虑所述铝合金层状冷轧预复合材料厚度较小，热轧时温降较快，为避免温降影响界面结合质量，要求热轧速度＞0.2m/s；控制热轧压下量为20％～60％，一方面可以促进界面的新鲜金属接触结合，使界面结合更紧密，另一方面可促进界面的原子扩散，提高所述铝合金层状热轧复合材料的界面结合强度。

进一步的，步骤7中，固溶-时效处理的固溶温度为510～540℃、保温时间为0.5～1h、冷却方式为水冷，时效温度为150～200℃、保温时间为4～10h、冷却方式为空冷；6系铝合金基层决定了所述铝合金层状复合材料的强度，利用6系铝合金的可固溶强化特性，通过固溶-时效处理可显著提高6系铝合金基层的强度，进而提高所述铝合金层状复合材料的强度；此外，固溶-时效处理还可进一步促进所述铝合金层状复合材料界面的原子扩散，提高界面结合强度。

进一步的，所述铝合金复层材料的坯料厚度为0.5～2mm，所述铝合金基层材料的坯料厚度为4～10mm；通过合理匹配复层和基层材料的厚度来兼顾所述铝合金层状复合材料的强度和耐腐蚀性能。

进一步的，对所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料后续还需要进行矫直、切边和表面修磨。

根据本发明的第二方面，提供一种采用根据以上任一方面所述的高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法获得的高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料，其特征在于，由铝合金复层材料和铝合金基层材料组成，所述铝合金复层材料和所述铝合金基层材料的界面为强冶金结合，耐腐蚀性能优良，室温屈服强度＞200mpa、抗拉强度＞250mpa、断后伸长率＞20％、界面结合强度＞80mpa、面积结合率为100％；其中，所述铝合金复层材料采用耐腐蚀性优异的1系或3系铝合金材料，所述铝合金基层材料采用强度较高的6系铝合金材料。

进一步的，所述铝合金复层材料包括但不限于aa1060、aa1100、aa3003、aa3004或aa3a21中的至少一种，所述铝合金基层材料包括但不限于aa6061、aa6063或aa6010中的至少一种。

进一步的，所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料是1系/6系双层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、3系/6系双层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、1系/6系/1系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、1系/6系/3系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料或3系/6系/3系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料，所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的层厚比为5％～50％，所述三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的铝合金复层材料的材质和厚度可根据需要调整，不要求两表面的铝合金复层材料的材质或厚度相同。

本发明的有益效果为：

1、本发明的高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料不仅具有1系或3系铝合金材料优良的耐腐蚀性能，同时还具有6系铝合金材料的高强度和高塑性，具有了传统单一的铝合金材料无法同时兼具的高强度高塑性和优良耐腐蚀性能，且原材料成本低廉，便于工业化推广。

2、本发明首先通过退火处理调整坯料的硬度和变形抗力，降低了组合坯料冷轧预复合的临界压下量。然后通过单道次冷轧预复合使组合坯料的界面紧密贴合，隔绝了空气，防止界面在后续单道次热轧终复合过程中氧化。由于单道次冷轧预复合制备的铝合金层状冷轧预复合材料的界面结合强度不高，再通过单道次热轧终复合可显著提高铝合金层状热轧复合材料的界面结合强度。单道次热轧终复合制备的铝合金层状热轧复合材料的强度和塑性不高，所以，再利用固溶-时效处理强化6系铝合金基层，实现铝合金层状复合材料强度和塑性的同步提高。通过退火处理、单道次冷轧预复合、单道次热轧终复合和固溶-时效处理的巧妙组合，简单高效制备获得高强高塑和高界面结合质量的铝合金层状复合材料。

3、本发明采用冷轧方式进行铝合金复层材料和铝合金基层材料的预复合，排出铝合金复层材料和铝合金基层材料待复合表面中的空气，避免了后续加热和热轧过程中铝合金复层材料和铝合金基层材料待复合表面发生氧化，前处理简单方便，设备要求低，生产效率高，界面更洁净。

4、本发明制备高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料时，不需要大压下量冷轧复合，也无需进行多道次热轧，设备负荷小，工艺流程简单，周期短，能耗少，生产成本低。

5、本发明通过固溶-时效处理实现了高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的界面结合质量和综合力学性能同步提高，不仅通过固溶-时效处理达到了强化高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的目的，还促使高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的界面继续发生了原子扩散，进一步提升了界面结合质量。

6、本发明制备的高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的层厚比和铝合金复层材料的厚度均匀性易于控制，耐腐蚀性能优良，室温屈服强度＞200mpa、抗拉强度＞250mpa、断后伸长率＞20％、界面结合强度＞80mpa、面积结合率为100％。

附图说明

图1为本发明所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的制备工艺流程图。其中，1为1系或3系铝合金复层材料，2为6系铝合金基层材料，3为轧辊，4为加热炉。

具体实施方式

下面结合实施例就本发明的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不局限于以下的实施例，可以在不变更要旨的范围内进行恰当变更而加以实施。

本发明提供一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，制备工艺流程如图1所示。该制备方法包括如下步骤：

步骤1：对铝合金复层材料和铝合金基层材料进行热处理，所述铝合金复层材料进行o态热处理，所述铝合金基层材料进行o态或t4态热处理；

步骤2：采用百叶片、砂轮或钢丝刷对表面清洗脱脂后的所述铝合金复层材料和所述铝合金基层材料的待复合表面进行打磨处理，去除所述待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的所述待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；

步骤3：将所述待复合表面处理后的所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料按照所需制备高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料要求的顺序层叠放置，用铝铆钉对所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的长度和宽度相等，所述铝合金基层材料和所述铝合金复层材料的厚度匹配由所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的层厚比确定；

步骤4：对所述组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度＜0.1m/s、冷轧压下量为20％～50％，获得铝合金层状冷轧预复合材料；

步骤5：对所述铝合金层状冷轧预复合材料进行加热，加热温度为400～600℃、保温时间为10～40min；

步骤6：对加热后的所述铝合金层状冷轧预复合材料进行单道次热轧复合，热轧速度＞0.2m/s、热轧压下量为20％～60％，随后空冷至室温，获得铝合金层状热轧复合材料；

步骤7：将所述铝合金层状热轧复合材料进行固溶-时效处理，固溶温度为510～540℃、保温时间为0.5～1h、冷却方式为水冷，时效温度为150～200℃、保温时间为4～10h、冷却方式为空冷，固溶-时效处理后获得界面为强冶金结合的所述高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料。

铝合金复层材料的坯料厚度为0.5～2mm，所述铝合金基层材料的坯料厚度为4～10mm。对高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料后续还需要进行矫直、切边和表面修磨。

本发明还提供一种高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料，由铝合金复层材料和铝合金基层材料组成，铝合金复层材料和所述铝合金基层材料的界面为强冶金结合，耐腐蚀性能优良，室温屈服强度＞200mpa、抗拉强度＞250mpa、断后伸长率＞20％、界面结合强度＞80mpa、面积结合率为100％。其中，铝合金复层材料采用耐腐蚀性优异的1系或3系铝合金材料1，铝合金基层材料采用强度较高的6系铝合金材料2。

铝合金复层材料包括但不限于aa1060、aa1100、aa3003、aa3004或aa3a21中的至少一种，铝合金基层材料包括但不限于aa6061、aa6063或aa6010中的至少一种。

高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料是1系/6系双层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、3系/6系双层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、1系/6系/1系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料、1系/6系/3系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料或3系/6系/3系三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料。

高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的层厚比为5％～50％。

三层高强高塑耐蚀铝合金层状复合材料的铝合金复层材料的材质和厚度可根据需要调整，不要求两表面的铝合金复层材料的材质或厚度相同。

实施例1：

制备高强高塑耐蚀aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状复合材料。

对1mm厚的aa3003板坯和6mm厚的aa6061板坯进行退火处理使其成为o态，退火制度均为420℃保温0.5h后空冷；采用百叶片对退火且表面清洗脱脂后的aa3003板坯和aa6061板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的aa3003板坯和aa6061板坯按照aa3003/aa6061/aa3003的顺序叠合放置，用铝铆钉对aa3003板坯和aa6061板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，aa3003板坯和aa6061板坯的长度和宽度相等；采用轧辊3对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.04m/s、冷轧压下量为38％，获得aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状冷轧预复合材料；通过加热炉4对aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状冷轧预复合材料进行加热，加热温度为450℃、保温时间为30min；对加热后的aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状冷轧预复合材料进行单道次热轧复合，热轧速度为0.5m/s、热轧压下量为45％，随后空冷至室温，获得aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状热轧复合材料；对aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状热轧复合材料进行固溶-时效处理，固溶温度为530℃、保温60min后淬火，时效温度为180℃、保温8h后空冷，获得界面为强冶金结合、aa3003铝合金复层材料的层厚比为25％的高强高塑耐蚀aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状复合材料。高强高塑耐蚀aa3003/aa6061/aa3003铝合金层状复合材料的耐腐蚀性能优良，室温屈服强度为213mpa、抗拉强度为262mpa、断后伸长率为21％、界面结合强度为87mpa、面积结合率为100％。

实施例2：

制备高强高塑耐蚀aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状复合材料。

对1mm厚的aa1100板坯和2mm厚的aa3a21板坯进行退火处理使其成为o态，退火制度均为420℃保温0.5h后空冷，对5mm厚的aa6063板坯进行固溶-时效处理使其成为t4态，固溶-时效制度为520℃保温40min淬火后自然时效100h；采用钢丝刷对表面清洗脱脂后的aa1100板坯、aa3a21板坯和aa6063板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的aa1100板坯、aa3a21板坯和aa6063板坯按照aa1100/aa6063/aa3a21的顺序叠合放置，用铝铆钉对aa1100板坯、aa3a21板坯和aa6063板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，aa1100板坯、aa3a21板坯和aa6063板坯的长度和宽度相等；采用轧辊3对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.04m/s、冷轧压下量为42％，获得aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状冷轧预复合材料；再通过加热炉4对aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状冷轧预复合材料进行加热，加热温度为500℃、保温时间为25min；对加热后的aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状冷轧预复合材料进行单道次热轧复合，热轧速度为0.6m/s、热轧压下量为55％，随后空冷至室温，获得aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状热轧复合材料；对aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状热轧复合材料进行固溶-时效处理，固溶温度为525℃、保温40min后淬火，时效温度为170℃、保温6h后空冷，获得界面为强冶金结合、aa1100铝合金复层材料的层厚比为12.5％、aa3a21铝合金复层材料的层厚比为25％的高强高塑耐蚀aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状复合材料。高强高塑耐蚀aa1100/aa6063/aa3a21铝合金层状复合材料的耐腐蚀性能优良，室温屈服强度为205mpa、抗拉强度为258mpa、断后伸长率为24％、界面结合强度为82mpa、面积结合率为100％。

实施例3：

制备高强高塑耐蚀aa1060/aa6010铝合金层状复合材料。

对1mm厚的aa1060板坯进行退火处理使其成为o态，退火制度为420℃保温0.5h后空冷，对4mm厚的aa6010板坯进行固溶-时效处理使其成为t4态，固溶-时效制度为570℃保温30min淬火后自然时效100h；采用百叶片对表面清洗脱脂后的aa1060板坯和aa6010板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的aa1060板坯和aa6010板坯按照aa1060/aa6010的顺序叠合放置，用铝铆钉对aa1060板坯和aa6010板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，aa1060板坯和aa6010板坯的长度和宽度相等；采用轧辊3对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.05m/s、冷轧压下量为28％，获得aa1060/aa6010铝合金层状冷轧预复合材料；再通过加热炉4对aa1060/aa6010铝合金层状冷轧预复合材料进行加热，加热温度为420℃、保温时间为15min；对加热后的aa1060/aa6010铝合金层状冷轧预复合材料进行单道次热轧复合，热轧速度为0.8m/s、热轧压下量为40％，随后空冷至室温，获得aa1060/aa6010铝合金层状热轧复合材料；对aa1060/aa6010铝合金层状热轧复合材料进行固溶-时效处理，固溶温度为520℃、保温30min后淬火，时效温度为175℃、保温4h后空冷，获得界面为强冶金结合、aa1060铝合金复层材料的层厚比为20％的高强高塑耐蚀aa1060/aa6010铝合金层状复合材料。高强高塑耐蚀aa1060/aa6010铝合金层状复合材料的耐腐蚀性能优良，室温屈服强度为223mpa、抗拉强度为268mpa、断后伸长率为26％、界面结合强度为85mpa、面积结合率为100％。

本发明的优点是，不需要大压下量冷轧及多道次热轧，设备要求低，工艺流程简单、周期短，生产效率高、能耗少、成本低，制备的铝合金层状复合材料兼具高强度、高塑性和优良的耐腐蚀性能。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。