一种铝合金-铝基复合材料复合板材及其制备方法

1.本发明涉及一种铝合金-铝基复合材料复合板材及其制备方法，属于金属基复合材料的制造技术领域。


背景技术：

2.近年来，6xxx铝合金由于其密度小、比强度高、断裂韧性好成为汽车制造、国家电力等领域实现轻量化关注的焦点。但随着我国交通、电网建设压力的增大，现有的6xxx铝合金材料的性能已经无法满足相关的需求。
3.调整铝合金主成分设计方向为突破口，增加高固溶度元素含量，降低低固溶度元素含量，消除恶化综合性能的残余结晶相，并引入可形成共格多元弥散相的稀土特定微量元素是改善铝合金性能和开发新型铝合金材料重要的手段。稀土元素对铝基体的作用主要体现在三个方面：1)变质细化作用；稀土元素作为形核核心，抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。2)微合金化元素的强化作用；在稀土元素含量较低时可以起固溶强化的作用，在稀土元素含量较高时可以起到第二相弥散强化的作用。3)净化基体作用；与基体形成稳定化合物，消除杂质。因此，研究稀土元素微合金化的铝基复合材料有很广阔的应用场景。
4.剪切塑性变形处理技术具有晶粒细化的能力，可以将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级，是国际公认的制备纳米和超细晶材料最有前景的方法。近年来，剪切塑性变形技术得到飞速发展，主要包括：搅拌摩擦加工(fsp)、单点增量成形、摆辗、等通道转角挤压(ecap)、反复轧制等技术。其中fsp作为一种新型的固相连接手段，通过搅拌头的强烈搅拌作用使得被加工件发生塑性变形，由于其绿色环保并可同时实现材料的组织细化、致密化和均匀化得到普遍认可；单点增量成形是一种以预定成形轨迹控制特定工具头分层成形板料的成形方法，常用的是工具头和板料之间发生滑动摩擦关系进行连续的变形累积来成形。它具有成本低、节能、污染小、载荷小、柔性高等优点；双辊摆辗是一种局部加压连续塑性成形技术，锥辊辗压的加工过程为局部加压累积变形，辗轧力的特点为合力作用线位置不变并与机床轴心线重合，辗轧具备省力、节约能源、生产效率高、节省材料、准静压力加工，无振动和噪声等诸多优点；ecap是将试样压入一个特别设计的模具中以实现大变形量的剪切塑性变形处理工艺，主要通过变形过程中的纯剪切力作用，使材料的晶粒得到细化。
5.虽然剪切塑性变形处理技术具有以上的优点，但各项技术也有一些问题：搅拌摩擦技术存在搅拌头容易磨损、需要严格的装配工具等状况；单点增量成形常用的滑动摩擦会导致成型件表面产生划伤，从而使得表面质量较差；此外，需要消耗大量的润滑液且润滑液难以真正到达成形件和工具头之间的接触表面，使得润滑效果不好；双辊摆辗模具的寿命有待改进，加工零件的形状目前还比较简单；因此制约了以上成形技术的发展；等通道转角挤压技术在多道次变性后会出现织构弱化现象。
6.与铝基复合材料相比，由于传统的铝合金的延伸率较高，而强度较低；将铝合金板与铝基复合材料板复合后制备出复合板材，以期达到高延伸率和高强度的效果。
7.公开号为cn 110923495 a的发明专利中通过熔体直接反应法制备颗粒与稀土协
同强化的铝基复合材料，得到的铝基复合材料具备高强高韧性。但由于原位电磁场作用下，其制备过程较繁琐，不易操作，不利于工业领域的推广使用。
8.公开号为cn 110480018 a的发明专利中采用由增强体与纯铝粉末构成的复合材料进行混合制作铝基复合材料板材和进行退火处理的铝合金材料进行轧制变形处理从而得到铝合金/铝基复合材料复合板。但这种工艺会导致颗粒团聚，不能均匀分散在复合材料之中，也相应降低了复合材料的性能。
9.公开号为cn 101724795 a的发明专利中制备了一种硼酸铝晶须和碳纳米管同时增强纯铝的铝基复合材料。获得的复合材料的延伸率仅为3.69％，因此不符合高强铝合金高强高韧的发展理念，使得其在航空航天行业上的应用受到限制。
10.公开号为cn 106583538 a的发明专利中公开了一种单点增量成形工具头轴向振动装置，通过数控机床主轴的旋转带动带顶杆的工具头产生轴向振动，使原来的连续挤压摩擦运动转化为高频率的点压运动。但其并未指定此设备加工对象，因此其实用性受到了一定的限制。


技术实现要素：

11.本发明的要解决的技术问题是，探索采用高效的制备工艺，使制备得到的铝合金-铝基复合材料复合板材具有高强度和高韧性。
12.本发明采用一种铝合金-铝基复合材料复合板材的制备方法，包括以下步骤：
13.s1、制备铝基复合材料板材；
14.所述铝基复合材料板材的基体材料为铝合金；所述铝合金的原料中含有稀土元素颗粒，所述稀土元素颗粒的重量占铝合金的原料总重量的0.2-2％，所述稀土元素颗粒包括稀土元素钇、镧和铈；
15.s2、将铝合金板材以及步骤s1制备的铝基复合材料板材进行预强化处理；
16.s3、将步骤s2后的板材进行剪切塑性变形处理，使铝合金板材和铝基复合材料板材复合；
17.s4、将步骤s3后的板材进行热处理，即可获得铝合金-铝基复合材料复合板材。
18.由于传统的铝合金的延伸率较高，本发明将掺入稀土元素的铝基复合材料，并提高稀土元素和铝基体间良好的界面结合性，与铝合金板材剪切塑性变形复合制备成复合板材，使得初始材料在性能优势互补后得到兼具强度、塑性、韧性良好匹配的复合板材。通过设计稀土元素制备铝基复合材料，对铝板进行预强化处理，通过将铝基复合材料和铝板进行剪切塑性变形处理，之后进行短时高温保温强化的热处理，从而制得性能优异的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材，为复合板材的加工提供一种新思路。
19.优选地，步骤s1中，所述稀土元素颗粒的重量占铝合金的原料总重量的0.6-1％。
20.优选地，步骤s1中，按质量百分含量计，所述铝合金的原料中，钇的含量为0.2-1.7％，镧的含量为0.02-0.15％，铈的含量为0.02-0.15％。
21.优选地，所述钇、镧和铈的质量比为(8-12)：(0.8-1.2)：1。
22.优选地，步骤s1中，所述铝合金的原料中各元素的质量百分含量如下：钇：0.4％-0.9％、镧：0.05％-0.08％、铈：0.03％-0.09％、锆：0.05％-0.15％、钒：0.04％-0.08％、锗：0.2％-0.5％、镍：0.1％-0.3％、钛：0.1％-0.6％、铁：0.5％-1.1％、钌：0.02％-0.05％、铜：
0.15-0.4％、锰：0.15％、镁：0.8-1.2％、锌：0.25％、铬：0.04-0.35％、钛：0.14-0.16％、硅：0.4-0.8％、铝：余量。
23.优选地，步骤s1中，其中稀土元素颗粒的粒度为100nm以下。本发明发现稀土元素颗粒的粒度大小对复合板材的性能有较大的影响，优选地应使用稀土元素的纳米颗粒。更优选地，稀土元素颗粒的粒度为30-80nm。其中，颗粒的粒度以为中值粒径d50为基准。
24.优选地，步骤s3中，通过搅拌摩擦加工进行塑性变形处理。如背景技术所介绍，剪切塑性变形的方法有多种，而每一种变形方法也都有其各自的优缺点，对于本发明的复合板材，特别是添加了三种稀土元素改性的铝基复合材料板材，使用搅拌摩擦加工的变形方法要优于其它的塑性变形方法。
25.优选地，步骤s2中，所述铝合金板材为6系铝合金板材。
26.优选地，步骤s2中，预强化处理的条件为：先在510℃-550℃下处理0.4-1h；再在温度为110-150℃下处理2-6h。
27.优选地，步骤s4中，所述热处理条件采用短时高温保温强化处理，具体的条件为：温度为180℃-300℃，时间5-10min。
28.作为同一个发明构思，本发明还提供所述的制备方法获得的铝合金-铝基复合材料复合板材。
29.优选地，本发明制备的复合板材的厚度为1-4mm。
30.本发明产生的有益效果是：本发明通过稀土元素增强铝基复合材料板材，并通过剪切塑性变形处理将铝基复合材料和经过预处理的铝板进行复合，且整个过程工艺流程短，成本较低，效率较高，适合大规模生产；且本发明制备的复合板材同时具有高强度和高韧性特点。
附图说明
31.图1表示本发明实施例1的工艺流程图。
具体实施方式
32.下面将更具体的描述本发明的优选实施方式，阐述本发明的多个优选实施例，使其技术得到更加清楚的展示以及便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施实例来得以体现，而不应被以下介绍的实施方式所限制。
33.实施例一
34.本实施例提供一种铝合金-铝基复合材料复合板材的制备方法，其工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
35.s1、制备铝基复合材料板材：
36.用熔炉设备将铝合金熔化，控制熔炼设备为760℃；待完全熔化后，向铝熔液中添加稀土元素的纳米颗粒(粒径均为40nm)钇0.7％、镧0.08％、铈0.08％，稀土元素的重量占总重量的0.86％；然后铝合金熔体通过气体雾化制备成合金粉末(对应图1中的雾化成粉)，再添加占合金粉末重量1％的增强相sic；然后进行烧结处理(对应图1中的烧结)，烧结温度为560℃，压强为50mpa，保温3min，获得铝基复合材料板材(或称铝合金复合材料板材，对应图1中的铝合金复合材料)；
37.s2、预强化处理
38.将步骤s1中的铝合金复合材料板材和6061铝合金板材进行预强化处理，510℃固溶处理35min后预强化，预强化方式为预时效，预时效温度为110℃，时间为4h。
39.s3、搅拌摩擦加工变形处理：
40.将步骤s1中的铝基复合材料板材和6061铝合金板材打磨并进行丙酮擦拭材料其表面后固定到工作台上，搅拌摩擦焊中搅拌头的转速为2000r/min，焊接速度为50mm/min，轴向下压量为0～0.5mm，搅拌头倾斜角度为1～5
°
；所用两块铝板的长宽相等，其长度约为2000～3000mm，宽度约为1100～1800mm。
41.s4、热处理：
42.将变形处理后的板材进行短时高温保温强化，即获得3mm厚的铝合金-铝基复合材料复合板材。
43.该实施例得到的复合板材的力学性能见表1。
44.实施例二
45.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：降低稀土元素的纳米颗粒钇0.4％、镧0.05％、铈0.05％，直至稀土元素的重量占总重量的0.5％。得到的复合板材的力学性能见表1。
46.实施例三
47.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：增加稀土元素的纳米颗粒钇0.9％、镧0.08％、铈0.08％，直至稀土元素的重量占总重量的1.06％。得到的复合板材的力学性能见表1。
48.实施例四
49.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改用稀土元素的粒度均为20nm的颗粒。得到的复合板材的力学性能见表1。
50.实施例五
51.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改用稀土元素的粒度均为40μm的颗粒。得到的复合板材的力学性能见表1。
52.实施例六
53.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：剪切塑性变形处理方法为双辊摆辗时，采用的凹模进给速度为0.8mm/s≤υ1≤1.6mm/s，上模具的转速n1为70r/min；变形量范围为45％；采用的轧辊直径为200mm，转速为15r/min；所用两块铝板的长宽相等，其长度约为3000mm，宽度约为1100mm。得到的复合板材的力学性能见表1。
54.实施例七
55.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：剪切塑性变形处理方法为单点增量成形，将步骤s1中的铝基复合材料板材和6061铝合金板材打磨并进行丙酮擦拭材料其表面后固定到上下压板中；工具头和板料之间涂抹fuchs renoform fw50s润滑油，工具头为旋转插入式球头，工具头头部表面带有螺纹的搅拌针会扎入板材内部，将工具头以300mm/min的移动速度按照层间距为1mm的螺旋线轨迹完成板件的加工。得到的复合板材的力学性能见表1。
56.实施例八
57.具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：剪切塑性变形处理方法为ecap(等通道转角挤压)时，将经过预强化后的高强铝合金经过保温处理后放入ecap模具中进行一道次挤压，并且在一道次挤压加工后需将试样绕轴线旋转90
°
或180
°
，再将试样进行保温处理，然后放入ecap模具中进行二道次挤压；在进行两道次ecap加工挤压过程中，为防止试样开裂，在试样外包一层铜套对试样进行保护；两通道形成的夹角，其内角φ为90
°
，外角为45
°
。得到的复合板材的力学性能见表1。
58.表1：不同实施例复合板材力学性能
[0059][0060]
对比例一
[0061]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0.7％、镧0％、铈0％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗拉强度和延伸率为见表1。
[0062]
对比例二
[0063]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0％、镧0.08％、铈0％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗拉强度和延伸率为见表1。
[0064]
对比例三
[0065]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0％、镧0％、铈0.08％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗
拉强度和延伸率为见表1。
[0066]
对比例四
[0067]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0.7％、镧0.08％、铈0％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗拉强度和延伸率为见表1。
[0068]
对比例五
[0069]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0.7％、镧0％、铈0.08％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗拉强度和延伸率为见表1。
[0070]
对比例六
[0071]
具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：改变稀土元素的纳米颗粒钇0％、镧0.08％、铈0.08％。该对比例最终得到的稀土元素增强铝基复合材料/铝合金复合板材的抗拉强度和延伸率为见表1。
[0072]
数据解释说明：
[0073]
从实施例一和对比例一至对比例六可以看出，添加三种稀土元素的增强效果优于添加一种或两种稀土元素的技术方案。从实施例一至实施例三可以看出，在合适的稀土元素成分及含量下，复合板材的强韧性增强效果明显。从实施例四和实施例五可以看出，粒度在40nm时较合适，粒度较小20nm时极易团聚，所以出现性能降低的现象；粒度较大时(40μm)，强化相尺寸较大，导致强度降低。从实施例六至实施例八可以看出，采用不同的变形方法，在合适的工艺参数下，复合板材的强韧性增强效果明显。