改进的铝合金人工老化方法

专利名称：：改进的铝合金人工老化方法
技术领域：
：本发明的实施方案涉及以最低的能量消耗和加工准备时间最优化非等显AX老化方案来获得目标材料性能的方法。
背景技术：
：热处理，特别是老化(或沉淀)硬化是获得工程材料如铸造铝合金A356/357或类似材料所期望的强度的重要步骤。通过老化硬化来强化可适用于其中至少一种合金元素的固溶度随温度降低而降低的合金。一些锻造和铸造铝合金是可老化硬化的，例如6xxx、7xxx、3xx或者类似的合金。本发明扩展到通过不同的制造方法，包括但不限于锻造、铸造和粉末冶金制得的所有这样的铝合金。可老化硬化铝合金的常规热处理方法通常包括三个阶段(l)产品或构件在相对高温下的溶液处理，所述相对高温例如仅低于合金熔点的纟鹏；(2)在冷介质例如室温或设计、離的水中快速冷却(或淬火)；和(3)通过在室温(自然老化)或中间温度(人工老化)保持一段时间来使材料老化。溶液处理用于三个主要目的(l)溶角祐后期将会导致老化硬化的元素；(2)球化不溶解的组分；(3)均化材料中溶质的浓度。淬火用于保持溶质元素在过饱和固溶恢SSS)中，并且也用于产生增强沉淀物的扩散和分散的过饱和的空位。为了使合金的强度最大化，所有强化相在淬火过程中应避免沉淀。老化(无论自然或AX的)弓胞强化沉淀物的可控分散。图1显示了A356铸造铝合金的典型热处理循环。在实践中，铝构件如铸造铝产品(气缸体和气缸盖(engineblocksandcylinderheads))通常具有从几个毫米变化到几个厘米的不同的壁厚。由于常规的等温老化方法，这导致铝产品的薄断面和厚断面之间的温度分布和屈服强度不一致。
发明内容在本发明中，根据沉淀强化及计算热力学和动力学己改进了非等温老化方法。老化温度随时间变化，从而可以控制并最优化沉淀物的伴随成核、生长和粗化。采用非等温老化方案，可以用最短的时间和最小的能量来获得铝合金所期望的屈服S鹏。同样，在老化过程中M改变加掛冷却方案，可以沿着齡构件获得均一的屈服强度。更高的屈服纟贼可以在改进的(非等温)老化方法中以最小的老化时间和能量输入来获得。根据本发明的一个实施方案，提供用于铝合金非等温老化的方法。该方法包括以下步骤将铝合金以第一斜升速與ramp-叩rate)加热至l腕淀固溶相线值下的最大温度，以足以产生最大数量的主沉淀物的第一冷却速率冷却所述合金，以第二冷却速率冷却，直至达到其中主沉淀物的生顿率等于或基本上为零时的最低温度，和将合金以第二斜升速率加热到足以产生最大数量的次生沉淀物的鹏。本发明实施方案提供的这些和附加的特征ffl31以下结合附图的详细描述将得至哽充分的理解。本发明的具体实施方案的以下详细描述当结合附图阅读时可以获得最好的理解。附图包括图l(现有技术)是常规等温老化方法的示意图；图2是铸造铝合叙A356/A357)在17(TC老化时的老化响应示意图。图3是常规等温老化方法与根据本发明的一个或多个实施方案的非等温老化方法的一个实施方案的老化循环比较示意图。图4是常规等温老化方法与根据本发明的一个或多个实施方案的非等温老化方法的两个实施方案的老化循环比较示意图。附图中阐述的实施方案实际上是举例说明，并不局限于本发明的权禾腰求所限定的范围。此外，附图和本发明的各M寺征通过以下详细的描述可以得到更清楚的理解。具体实施例方式本发明涉及对给定合金(在基体中含有给定量的硬化元素)通过非等温老化用最小的能量和最少的时间来获得最大的沉淀硬化。最大的老化硬化通过产生理想的沉淀结构来实现，该沉淀结构包括具有最优化尺寸、形状和间距的均匀分布的沉淀物。所述尺寸、形状和间距是老化温度、时间和在任意给定的老化时间和温度的硬化元素浓度的函数。铸造铝合金所期望的抗拉性能包括屈服强度和极限抗拉强度。极限抗拉强度不是独立变量，其随着屈服强度和韧性变化。最大化屈服强度高度依赖于沉淀硬化。本发明的非等温老化方法涉及用最小的能量和最短的老化时间来获得最大的屈服强度，同时也涉及获得跨越整个铝合金构件或产品的更均匀的屈S艮强度分布。为了获得这些性能，本发明人设计了一个模型，其中铝合金的老化硬化过程包括GuinierPreston(GP)区、相关和不相关的沉淀物的形成，而所述形成是与沉淀物的成核、生长和粗化相相关的。沉淀硬化对屈服强度的贡献Ao"，与微见结构(沉淀物)^4有关<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中4q是平均等效圆直径，乂是沉淀物的^f只分数，F是平均尺寸沉淀物与位错之间的最大相互作用力，S是表示沉淀物与基体和位错线的皿和位置关系的微结构变量，/是对位错运动起阻碍作用的沉淀物之间的平均间距。前面提至啲微结构变量是老化温度、老化时间和溶质浓度的函数。那么沉淀硬化对屈服强度的贡献是老化温度、老化时间和硬化溶质浓度的函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中4是常数，/(7:f，cj是强化因子，c是硬化溶质浓度，和^是最大的可行老化亂对于铝合金的过饱和固溶^(SSS)来说，老化硬化过程包括沉淀物的伴随成核、生长和粗化。对于给定的硬化溶质浓度来说，伴随成核、生长和粗化仅顿驢和时间敏感。通过j柳仔细控制的非等温老化热鹏方案彻，如图3所示，可以控制三^1程之间的竞争从而带来强度上的显著增加。另外，铝合金的非等温方案彻可以被最优化从而用最小的育^量输入和最短的老化时间来获得期望的屈服和抗拉强度。该带有约束条件的多目标问题可<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中五f^是育遣输入，其是鹏和时间的函数。在本创新的老化方法中，老化方案(循用是由与计算热力学和动力学相结合的沉淀强化模型确定的。对铝合金的过饱和固溶俠sss沐说，该模型同时模拟包括伴随成核、生长和粗化的沉淀过程。因此，它描述了沉淀物在剪切和分流之间的转变，该转变控制着材料在给定老化温度下的峰值强度。该模型假设沉淀物以空间尺寸分布均匀地分布在微观结构中，并且位错线当遇到滑移面时，不得不M:所有的阻碍物(沉淀物)，从而导致宏观上的应力。根据位错强化理论，合金中沉淀物带来的强度增加值可以由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)其中A^'是源于沉淀物剪切和分流纟艘增加；M是繊(Taylor)因子；6是柏格斯(Burgers)矢量，和/分别为沉淀物等效圆半径(=)和位错线上的间距；/()是沉淀物尺寸分布；/(0是粒子间距分布；和〃)是半径为的沉淀物的阻碍强度。柏格斯矢量，通常表示为6，其是代表晶格中位错的晶格畸变的数值和方向的矢量。对于铝合金矢量6等于2.86xl(^m。假定溶质浓度如上所述是常熟，只有沉淀分布的两个长度尺銜/和、)影响材料强度。这两个长度尺度与老化硬化过程有关，并且是老化^j^(7)和老化时间⑦的函数。因此，方程式(4)可以写成一般形式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>沉淀分布的两个长度尺度(/和、)可以从实验测量值中通过经验获得，或者通过计算热力学和动力学得到。在本发明中，该模型理论上基于基本成核和生长理论。沉淀的驱动力(每摩尔溶质原子)用下式来计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(6)其中K軒是原子^f只(m311101—1)，尺是普适气体常敬SJMJ/K脂1)，『愚鹏(K)，C()、Ceq和Cp分别是基体、平衡沉淀物-基体间界面和沉淀物中的以原子百分比表示的平均溶质浓度。/Aii^的驱动力可以推出，在给定基^^农度为C的沉淀物的临界半径*为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(7)^叫平二.其中^为粒子/基体界面能。沉淀密度(每单位体积的沉淀物数量)的改变由成核速率给出。平均沉淀尺寸(半銜的演变由存在的沉淀物的生长和在临界成核半径、*的新沉淀物的增加来联合给出。成核速率采用标准Becker-D6nng定律来计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(8)其中iV是沉淀密度(每单位体积沉淀物的数量)，M)是每单位体积的原子数量—1/F0)，Z是泽利多维奇(Zeldovich)因刊-l/20)。沉淀物尺寸的演变由下式计<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(9)其中，D为溶质原子在翻忡的扩散系数。在沉淀的晚期，沉淀物继续生长和粗化，然而成核速率随着固溶体的去饱和而显著降低。当平均沉淀尺寸远大于临界半径时，只考虑生长是有效的。当平均半径和临界半径相等时，满足标准Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)定律的条件。在LSW定律中，生长粒子的半径是t，t是时间)的函数。沉淀半径可由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在计算沿着位错线的粒子间距时进行了一對叚定。首先，假定沿着移动的位错线的沉淀数量处于稳定状态，遵循低障碍弓Sit的Friedel统计学规律。在假定沉淀数量为稳定状态后，通过计算在滑移面上施加的分切应力(resolvedshearstress)r下的位错线曲率来给出沉淀间距<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中,是沉淀物的#1只分数，；是沉淀物的平均半径。r是线张力(-卩jLib2，其中-是接近于l/2的参数)。沉淀物体积分数(,)可以通OT射电子显微镜(TEM)或Hierarchical混合控制(HybridControl)(HHC)模型来实验确定。在HHC模型中，沉淀的体积分数可以由下式计算广—AG*V(12)其中a是沉淀物的长宽比，A是阿伏伽德罗常数，AG^是沉淀的临界活化能，参数"*由下式获得-*=4《*)2￡C0/fl4(13)其中"是沉淀的晶格参数。在计算热力学方法中，市售铝合金数据库，例如Pandat⑧，被用来计算沉淀平衡，例如Al-Si-Mg合金中的p相和Al-Si-Mg-Cu合金中的財目。这些平衡相分数或者硬化相中原子％的溶质在电脑热力学计算中参数化。平衡相分数依赖于、皿和溶质浓度，但与老化时间(yrac))无关。很多亚稳定沉淀相如Al-Si-Mg合金中的々',以及Al-Si-Mg-Cu合金中的^'在现存的计算热力学库中不存在。只靠计算热力学计算不能输出亚稳定相分数值。在这种情况下，采用基于密度泛函的第一性原理方法(density-functionalbasedfirst-principlesmethod)来获得一些i十算热力学所需要的参数例如能量。密度泛函理论PFT)是一种量子力学理论，其通常用于物理和化学领:tl^研究多体系统，特别是原子、^和凝聚相的基态。DFT的主要思想是描述费米子通过其密度而不是通过其多体波函数的相互作用系统。第一性原理方法也是基于量子力学的固体电子结构理论来获得例如能量这样的参数，其不需要引用任何实验数据。亚稳相的自由能可以由简单的线性函数形式描述ag,(t>ci+c2:t(14)其中q和Q是系数。q是在会树零度(T^K)下亚稳定相的生成烚。通过用从第一性原理得到的TM)K时的生成烚来代替方程式14中的未知参数q，自由能可以改写为△g,(r)=碼(r=o尺)+c2r(l5)然后另一个未知参数c2可以简单iWl配合使液态和固态的自由兽被熔点相等来确定。在计算由沉淀硬化带来的强度增加傲a)之后，铝合金的屈服强度可以通过将其添加到材料的本征强度。)和固溶纟赃中来简单地计算固溶体对屈服纟艘的贡献计算如下其中《是常数，c龜为不在沉淀物中的强化溶质的浓度。本征强度("')包括各种不同的强化效果，例如晶粉晶胞边界、共晶粒子(铸造铝合金中)、铝合金基体以及除沉淀物中的元素外的合金元素的固溶强化。该老化分布可以采用变化的温度分布来针对不同的合金进行定制。在一个实施方案中，非等温老化方法可以包括如下步骤以第一斜升速率加热铝合金到沉淀固溶相线下的最大温度。通雌择刚刚低于沉淀固溶相线的最大温度，使稳定的主沉淀核的的数量最大化。这里所用的沉淀固溶相线是均匀化的固溶1tt通过熔化等方式糊军之前的极限溶解度。沉淀固溶相线温度可以测量或计算得到。在A356合叙7MSi和0.4MMg)中，yT沉淀的固溶相线温度为约280°C。第一斜^HI率可以为最大可能的加热速率。在一个示例性实施方案中，第一斜升速率可以最高为约100°C/s。达到最高温度之后，合金可以以足够产生最大数量主沉淀物的第一冷却速率进行冷却。主沉淀物可以以均匀的体积分布排列在简单或复杂形状的构件中。复杂形状的构件可以包括但不限于气缸体或气缸盖。主沉淀物典型地为那些如图2所示的在欠老化或峰老化阶段生长的沉淀物。第一冷却速率可以利用本领域技术人员所熟知的各种方程式来获得。在一个实施方案中，第一冷却速率可以通过使用诸如如下所示的8和9的方程式来最优化沉淀生长速率,和成核速率f进而获得.-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>最优化的特征在于，的最大化以及，的最小化。这些变量和方程式的最优化可以通过本领域技术人员所熟知的最优化算法导出，所述算法例如电脑算法或迭代算法。随后，合金以更快速的第二冷却速率冷却直到达至U其中存在的沉淀物的生长速率为或接近零的最低温度。第二冷却速率典型地设计为在实际设备的极限内尽可能快地降低温度。这里考虑了计算第二冷却速率的多种方法。在一个实施方案中，最低温度可以MM方程式8和9获得。在最低温度时，沉淀生^I率^fi为或接近零，因此方程式8和9中的^!1设定为零，可以解得最当达至嘬低鹏之后，以第二斜升速率将合金加热到足以产生最大数量的均匀分布的次生沉淀物的温度。次生沉淀物可在如图2所示的过老化期出现。第二斜升速率通过采用诸如8和9的方程式最优化沉淀生微率和成核速率，同时调节由于形成主沉淀物所弓胞的组成变化来获得。最优化的特征在于，和—的最大化。设定第二斜，率以最小化生^g率和使尽可能多的次力A生沉淀物成核。〖0037]此外，可以最优化方程式10到15从而确保控制最终温度和第二斜升速率来生成最高数密度的次生沉淀物。最终温度和第二斜升速率被进一步最优化以获得能量最小化和目标强度，其中目标强度约束帮助阻止在产生次生沉淀物的同时粗化主沉淀物。可用方程式16计算的强度^^于沉淀粒子的数目和尺寸，以及除此之外的粒子间距紧密禾體。如图4的实验1所示，本发明的实施方案也可以涉及ffiil采用单一步骤方法最优化主沉淀物从而以较低能量获得目标强度的方法。这可以通过仅控制^4卩速率，而不利用次生沉淀物控制步骤来完成。使用，方程式4，可以计算由沉淀物A^'所带来的最大强度增加值。在一个实施方案中，老化方法产生约250到约300MPa的拉伸强度，需要约750到约800°C*hr(能量指数)超过5小时的能量输入。能量指数由下式推出。假定炉子的表面积为A(m2)，炉子的壁厚为L(m)。在给定时间内通过热传导所损耗能量(输入能量)的热通量为其中k为炉子中壁材料的热传导系数。T(t)和T辨分别为炉子和空气的温度。在一段时间(t)内，育g量损耗(输入)为其中Qz为能量指数(单位°C*hr)，其为在,老化时间内老化温度的积分。参看图4和下面的表1，非等温老化实验1和2与常规等温老化循环进行比较。为了进行比较，常规等温老化循环假定在170。C(或443。K)保持5.4小时。非等温实验1的总老化时间为5小时。与常规等温老化(17(TC5.4小时)相比，非等温老化实验2提供了斷氐的能量输入(节省~15%),降低的老化时间，同时获得增加了的服强傲增力口~10%)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>为了描述和限定本发明，应注意在此使用术语"基本上"和"约"来表不可能由定量比较、数值、测量或其它表示法所带来的内在的不确定程度。这些术语在此还用，示定量表示法可能从引用的参考文献发生改变而不会改变所讨论主题的基本功能的程度。己详细地并参考其具体的实施方案对本发明进^亍了描述，显然在不背离附加的权禾腰求所限定的本发明的范围的情况下，对发明进行改进和变化是可能的。更具体地，虽然本发明的一些方面在此标识为优选的或特别有利的，但预期本发明不必限定于本发明的这，选方面。权利要求1.非等温老化铝合金的方法，其包括将铝合金以第一斜升速率加热到沉淀固溶相线下的最大温度；以足以产生最大数量的主沉淀物的第一冷却速率冷却所述合金；以第二冷却速率冷却直至达到其中主沉淀物的生长速率等于或基本上为零的最低温度；以及将合金以第二斜升速率加热到足以产生最大数量的次生沉淀物的温度。2.权利要求1的方法，其中所胜沉淀物和次生沉淀物是均匀分布的。3.权利要求1的方法，其中所述合金为复杂微的构件。4.权利要求3的方法，其中复杂形状的构件为气缸体或气缸盖。5.丰又利要求1的方法，其中第一斜升速率是可达到的最大加热速率。6.权利要求1的方法，其中第"^升速率最高为约10(TC/s。7.权利要求l的方法，其中第一冷却速率舰l顿以下两个方程式最优化沉淀生长速率,和成核速率，获得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(i,1-exp(r0/)TV&、/"(C/其中iV是沉淀密度(每单位体积的沉淀物数量)，iVQ是每单位体积的原子数量H/K軒)，Z是泽利多维奇因子，,是沉淀生M率，D是扩散常数，为沉淀物半径(也称为沉淀物尺寸)，"是"^"的值，c。是合金基体中以原子百分比表示的平均溶质浓度，Qq是平衡沉淀物-基体界面中以原子百分比的平均溶质浓度，和a是沉淀物的长宽比，其中最优化的特征在于，的最大化以及^fi力^的最小化。8.权利要求1的方法，其中第二冷却速率是可达至啲最大冷却速率。9.权利要求l的方法，其中由以下方程式获得劇氏纟鹏<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中i是沉淀生长速率，D是扩散常数，为沉淀物半径(也称为沉淀物尺寸)，2#原子化是"^的值，Q)是合金基体中以原子百分比表示的平均溶质浓度，Ceq是平衡沉淀物-基体界面中以原子百分比表示的平均溶质浓度，和a是沉淀物的长宽比，其中在最低^Jt时^^0。10.权利要求1的方法，其中第二斜升速率m使用下面两个方程式，最优化沉淀生m率和成核速率来获得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中〃是沉淀密度(每单位体积内的沉淀物数量)，M是每单位体积的原子数量(H/K軒)，Z是泽利多维奇因子，,是沉淀生^il率，D是扩散常数，、为沉淀物半径(也称为沉淀物尺寸)，是^^的值，Cq是合金基体中以原子百分比表示的平均溶质浓度，Ceq是平衡沉淀物-基体界面中以原子百分比的平均溶质浓度，和a是沉淀物的长宽比，其中最优化的特征在于，和~的最大化。11.权利要求l的方法，其中由于沉淀Ac^，所述老化获得最大拉伸强度增加，所述A""'根据以下方程式确定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中M是織因子，6是柏格斯矢量，为沉淀物半径(也称为沉淀物尺寸)，/为位错线上的间距，，J是沉淀物尺寸分布；乂/)是粒子间距分布；和F()是半径为的沉淀物的阻碍强度。12.权利要求11的方法，其中/等于其中/v是沉淀物的体积分数，是沉淀物的平均半径，r是线张力(=pnb2，其中^是接近于1/2的参数)。13.权利要求12的方法，其中14.权利要求ll的方法，其中当平均沉淀物尺寸远大于临界半径*时，re由以下方程式确定15.制造铝合金的方法，包括在低于合金^熔点的温度下溶液处理该合金；淬火所述溶液处理过的合金；和根据权利要求1的方法老化该淬火后的合金。16.—种铝合金，其通过权利要求15的方法制成。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>全文摘要本发明公开了改进的铝合金人工老化方法，提供了非等温老化铝合金方法的实施方案。该方法包括将铝合金以第一斜升速率加热到沉淀固溶相线值下的最大温度，以足以获得最大数量的主沉淀物的第一冷却速率冷却所述合金，以第二冷却速率冷却，直至达到其中主沉淀物的生长速率等于或基本上为零的最低温度，并将合金以第二斜升速率加热到足以获得最大数量的次生沉淀物的温度。文档编号C22F1/04GK101525732SQ20091013462公开日2009年9月9日申请日期2009年3月5日优先权日2008年3月5日发明者P·E·琼斯,Q·王申请人:通用汽车环球科技运作公司