本发明涉及一种新能源汽车用轻质高强抗疲劳原位纳米强化铝合金轮毂及制造方法，属于新能源汽车轮毂制备技术领域。
背景技术：
当前，以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车正在全球快速增长。然而，新能源汽车受电池重量及续航里程等因素的影响，对轻量化要求更加迫切。研究表明：新能源汽车采用轻质高强铝合金轮毂代替传统铝轮毂，可降低整车能耗达3％。同时，由于新能源汽车普遍重于同级别传统汽车，其轮毂所承受载荷更大，对强度和抗疲劳性能要求更高。因此，新能源汽车轮毂对轻量化和性能要求均很高。
a356.2铝合金以其优良的铸造性能、机械加工性能、热处理强韧化设计性能和抗疲劳性能，成为汽车轮毂的主要材料。中国专利200910131282.8公开了一种铝合金的轮毂，是在现有a356.2合金的基础上进一步用sr和混合稀土re实施合金化，可有效的对si进行变质，提高性能。中国专利201610054783.0公开一种汽车轮毂专用铝合金锭及其制备方法，在a356.2合金的基础上，加入ti、eu、la元素并调整si、mn、mg元素的含量，可对合金组织起到变质和细化作用，改善铝合金轮毂的力学性能。然而，上述的工艺技术依然存在着以下缺点和不足：(1)大量价格昂贵的稀土元素的使用，提高材料制造的成本；(2)依靠传统的合金析出强化提高材料的强塑性是有限的，往往是降低塑性提高强度；(3)稀土的含量很难控制，过量加入反而会降低材料的性能。因此急需开发一种新型轮毂材料。
近年来，由于颗粒增强铝基复合材料已逐渐应用于轮毂的材料，特别是原位生成纳米颗粒增强铝基复合材料，由于其纳米增强体是通过化学反应从铝基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度高，且其具有纳米尺寸效应，具有更高的比强度、比模量，良好的耐热性、耐摩擦性、耐腐蚀性，以及出色的抗疲劳能力，是提高汽车用铝合金材料综合力学性能的重要手段，已成为新能源汽车用轻质高强轮毂的研究热点。但是其制造过程中易存在以下问题：(1)熔体直接反应法，反应残渣容易留存在熔体中，并且由于熔体内部产生波动容易卷气进入熔体；(2)生成的纳米颗粒容易团聚，分布不均匀，因此容易产生缺陷，致密度低。
技术实现要素：
本发明目的在于针对现有技术的不足，开发一种轻质高强原位纳米强化铝合金轮毂及制造方法，采用原位多元纳米颗粒与时效析出相协同强化、熔体深度净化和高致密低压成型技术，显著提高轮毂的强塑性、抗疲劳性。
本发明的一种轻质高强原位纳米强化铝合金轮毂的制造方法，通过熔体原位化学反应，以orowan强化+细晶强化实现纳米颗粒复合强化，集成长效复合变质，以及复合细化，实现细晶强化。采用氮氩复合旋转吹气精炼+铝-稀土净化技术，实现铝熔体的多级深度净化，利用氩气密度大于空气的特性在熔体表面形成保护层，并结合铝-稀土中间合金的引入产生密度大于颗粒的中间体化合物，有效实现深度高效净化。最后通过顺序凝固+快速结晶的新型低压成型技术，由于结晶时间缩短，铸件微观组织中二次枝晶臂间距变短，组织细化，并增强补缩效果，使铸件组织更加致密，获得高强塑性、高抗疲劳性以及致密度高的轮毂。
本发明的制造方法包括以下步骤：
(1)合金的熔炼：将a356.2合金在720-780℃熔化并保温10min。所述的a356.2合金为商用合金，其化学成分为：si6.5-7，mg0.3-0.4，fe0.1-0.15，cu≤0.1，mn≤0.05，zn≤0.05，余量为al。
(2)原位合成纳米颗粒：将步骤(1)熔炼并保温的熔体迅速升温至830-870℃，通过高纯石墨钟罩加入已烘干的反应物粉末，同时施加声磁耦合场反应30min，然后降温至720-760℃保温。
(3)mg、si含量的调整以及变质剂、细化剂的引入：将纯mg和al-si中间合金加入步骤(2)所获得的熔体中，采用石墨搅拌转子转动促进混合并保温10min，然后将al-sr和al-re复合变质剂以及al-ti-b和al-ti-c复合细化剂，采用石墨搅拌并保温15min。
(4)熔体的净化：将步骤(3)获得熔体升温至750-780℃，将精炼剂通过喷枪喷入熔体中进行初步净化，然后加入al-ce中间合金，静置并保温10-15min，进行二次净化；最后将一定比例的氮气和氩气混合后通入石墨制的气体旋转喷嘴，将转速为300-600r/min的石墨喷嘴伸入熔体中，然后将混合气体以0.2-0.5m3/h的流量喷入熔体中精炼10-20min，静置5-10min。
(5)低压铸造成型：待步骤(4)获得的熔体温度降至720-750℃，将熔体置入低压铸机密封的石墨坩埚炉(温度为680-750℃)，然后通入干燥的空气，熔体在气体压力为0.04-0.08mpa的作用下以25-45mm/s的速度沿升液管上升进入温度为300-400℃的模具，待模具填满，水冷却模具，增加0.006-0.04mpa的压力，保压250-400s，释压取件，获得原位纳米复合强化铝合金铸件。
(6)热处理：将步骤(5)获得的轮毂铸件进行t6热处理，固溶淬火：温度530-550℃，保温时间4h-8h，水淬；人工时效：温度170-180℃，保温时间2-6h。最后获得高强原位纳米强化铝合金轮毂。
所述的步骤(2)中的原位合成的纳米颗粒的成分按照步骤(2)中熔体的重量百分比为：1-3％的纳米zrb2、2-4％的纳米al2o3和1-5％的纳米tib2三元颗粒。zrb2和tib2沿晶界均匀分布，可有效钉扎晶界并阻碍晶界的迁移，细化晶粒，而al2o3是在晶内均匀分布，与基体结合强度高，起到弥散强化的效果，提高复合材料的力学性能。
制备增强颗粒所述的反应物粉末为k2zrf6、k2tif6和na2b4o7。其质量比为：6-8：7-9：10-12(为了防止生成al3zr和al3ti，硼砂需过量50％-70％)，粉体加入量为步骤(2)中熔体的20-40％。
所述的声磁耦合场为低频脉冲磁场和高能超声场组合场，低频脉冲磁场，频率为10-20hz，磁力电流为100-200a；高能超声场，功率为1000-1500w，频率为15-30khz；声磁耦合场可产生两种方向的声流运动，可避免单一磁场造成的颗粒偏聚外侧的现象和单一超声场的声流运动造成空化泡沿变幅杆轴向分布；并且声磁耦合场可保证整个铝合金熔体传质转热过程完全进行，使得铝合金熔体中各个区域浓度均匀，抑制颗粒的长大。因此声磁耦合场不仅可以避免单一物理场的缺点，还能放大单一物理场的优点。
所述的mg、si含量的调整是使mg的含量达到0.4-0.45，si的含量达到6.5-7.5，其目的一方面补充由于高温反应所消耗的mg和si元素，另一方面进一步优化mg和si元素的含量，提高mg2si时效析出相的体积分数，增强时效析出强化，提高材料的抗拉强度。
所述的复合变质剂是步骤(2)所获得熔体质量的0.1-0.2wt.％的al-10％sr中间合金和0.1-0.2wt.％的al-10％re中间合金，可改善常规al-sr中间合金变质效果易随熔体保温时间增加而出现衰退的问题，因此开发复合变质技术，保证变质效果与使用时间的良好结合，使粗大的共晶si相变成细小纤维状，提高其强塑性。
所述的复合细化剂是步骤(2)所获得熔体质量的0.1-0.2wt.％的al-5％ti-1％b中间合金和0.1-0.2wt.％的al-5％ti-0.2％c中间合金，一方面al-ti-c可弥补al-ti-b中间合金细化过程中出现的“中毒”现象(tib2颗粒容易沉降，细化效果减退，并且容易成为裂纹扩展源)，另一方面al-ti-c细化剂中由于tic颗粒尺寸小，尺寸小的颗粒不能减少临界晶核的形核曲率，细化效果不如al-ti-b中间合金好，因此开发复合细化技术，使达到最佳细化效果，通过细晶强化提高材料的强塑性和疲劳性能。
所述的熔体的净化主要分为稀土净化和旋转喷气精炼。在初步净化之后，加入步骤(3)获得的熔体质量的0.1-0.3wt.％的al-10％ce中间合金，使之与al2o3颗粒发生反应，生成密度远大于al2o3的ce2o3，其下沉速度更快，有效实现了对细小al2o3夹杂物的清除；然后采用氮氩复合旋转吹气精炼，其氮气与氩气的体积比为：3-6：1-5，利用氩气密度大于空气的特性在熔体表面形成层，减少铝液精炼时的吸气现象，降低了铝液的含气量，铸铝件的气孔、针孔缺陷明显下降，并结合氮气优良的精炼效果，实现高效净化效果，减少由于气体和夹杂物产生的缺陷，提高材料性能。
所述的低压铸造成型是指顺序凝固+快速结晶的新型低压成型技术。一方面低压铸造模具由传统的风冷改为水冷，使铸件冷却速度增大，加快顺序凝固，结晶时间缩短，铸件微观组织中二次枝晶臂间距变短，组织细化；另一方面通过提高低压铸造凝固结晶时的压力，在铝液充型结束后在压力下凝固，持续对铝液施加压力，在提高补缩效果的同时熔体在压力下结晶凝固，实现轮毂的致密化和晶粒细化，明显提高强塑性和疲劳性能。
本发明提出的一种轻质高强原位纳米强化铝合金轮毂及制备方法，利用多元复合纳米强化技术+复合变质细化技术+深度净化技术+低压成型技术，获得原位纳米颗粒分布均匀(颗粒尺寸20-100nm)、晶粒细小(使晶粒细化至astm标准4级)和细小纤维状的共晶si相的原位纳米强化铝合金轮毂，其性能达到抗拉强度≥320mpa，屈服强度≥240mpa，延伸率≥8％，因此本发明制备的轮毂能降低新能源汽车能耗，增强续航能力，使制动、转弯、提速等更加灵敏，提高安全性。
附图说明
图1为本发明的制造工艺流程图
图2为(a)常规a356.2合金铸件金相组织图，(b)本发明原位纳米强化铝合金铸件金相组织图。从两金相图可以看出，采用本发明制造的轮毂铸件中晶粒细小，细小纤维状si相沿晶界分布。
图3为原位纳米颗粒分布和形貌图。从图中可以看出，采用本发明制造的轮毂铸件中的原位纳米颗粒均匀的沿晶界分布，且其颗粒呈六方形、圆球状和四方形，分别为zrb2、al2o3和tib2.
图4为材料的拉伸曲线,(a)常规a356.2合金铸件，(b)为本发明的原位纳米强化铝合金轮毂铸件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方案进一步描述:以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
原位纳米颗粒增强复合材料的制备：将100kg商用a356.2合金原材料在750℃熔化并保温10min，继续升温至850℃时，分批加入在200℃下烘干并混合研磨的k2zrf6、k2tif6和na2b4o7粉体(其加入量分别为：4174g，5714g，7415g，生成的zrb2，tib2和al2o3颗粒之间的质量比为1:1:2)，同时开启声磁耦合场(磁场：频率10hz，磁力电流100a；超声：功率1000w，频率20khz)反应30min，反应结束去除熔体表面的浮渣，待温度降至750℃保温。
成分的调整以及复合变质细化剂的加入：将熔体质量的0.4wt.％的纯mg和0.35wt.％的al-20％si中间合金加入熔体中，并同时采用石墨搅拌转子转动促进混合并保温10min，然后将0.1wt.％的al-10％sr和0.1wt.％的al-10％re复合变质剂以及0.1wt.％的al-5％ti-1％b和0.1％的al-5％ti-0.5％c复合细化剂，立即开启石墨转子搅拌并保温15min。
熔体的净化：熔体升温至780℃，喷入精炼剂六氯乙烷进行初步净化，然后加入0.1wt.％的al-10％ce中间合金，静置并保温10-15min，进行二次净化，最后将比例为3:1的氮气和氩气通入石墨制的气体旋转喷嘴，将转速为300r/min的石墨喷嘴伸入铝熔体中，混合惰性气体以0.2m3/h的流量喷入熔体中精炼20min，静置10min。
低压铸造成型：待熔体温度降至750℃，将熔体置入低压铸机密封的石墨坩埚炉(温度为750℃)，通入干燥的空气，熔体在气体压力为0.05mpa的作用下以25mm/s的速度沿升液管上升进入温度为300℃的模具，待模具填满，增加0.03mpa的压力，保压300s，释压取件，获得原位纳米复合强化铝合金压铸件。
t6热处理：将切除浇冒口和飞边的压铸毛坯放入热处理炉中，固溶淬火：温度545℃，保温时间4h，水淬；人工时效：温度180℃，保温时间6h。最后获得高强原位纳米强化铝合金轮毂。
在轮毂上取样测试其力学性能，抗拉强度为325mpa，屈服强度为243mpa，延伸率为11.5％。在弯矩为2554n·m、转速为500r/min以及螺母扭矩为120n·m的条件下，弯曲疲劳试验寿命大于6×105次，且增移量未超过初始偏移量的20％，性能合格。
实施例2
原位纳米颗粒增强复合材料的制备：将100kg商用a356.2合金原材料在750℃熔化并保温10min，继续升温至850℃时，分批加入在200℃下烘干并混合研磨的k2zrf6、k2tif6和na2b4o7粉体(其加入量分别为：3542g，5134g，6844g，生成的zrb2，tib2和al2o3颗粒之间的质量比为1:2:2，同时开启声磁耦合场(磁场：频率10hz，磁力电流100a；超声：功率1000w，频率20khz)反应30min，反应结束去除熔体表面的浮渣，待温度降至750℃保温。
成分的调整以及复合变质细化剂的加入：将熔体质量的0.4wt.％的纯mg和0.35wt.％的al-20％si中间合金加入熔体中，并同时采用石墨搅拌转子转动促进混合并保温10min，然后将0.2wt.％的al-10％sr和0.2wt.％的al-10％re复合变质剂以及0.2wt.％的al-5％ti-1％b和0.2wt.％的al-5％ti-0.5％c复合细化剂，立即开启石墨转子搅拌并保温15min。
熔体的净化：熔体升温至780℃，喷入精炼剂六氯乙烷进行初步净化，然后加入0.2wt.％的al-10％ce中间合金，静置并保温10-15min，进行二次净化，最后将比例为3:1的氮气和氩气通入石墨制的气体旋转喷嘴，将转速为300r/min的石墨喷嘴伸入铝熔体中，混合惰性气体以0.2m3/h的流量喷入熔体中精炼20min，静置10min。
低压铸造成型：待熔体温度降至750℃，将熔体置入低压铸机密封的石墨坩埚炉(温度为750℃)，通入干燥的空气，熔体在气体压力为0.06mpa的作用下以25mm/s的速度沿升液管上升进入温度为300℃的模具，待模具填满，增加0.035mpa的压力，保压300s，释压取件，获得原位纳米复合强化铝合金轮毂铸件。
t6热处理：将切除浇冒口和飞边的低压铸件毛坯放入热处理炉中，固溶淬火：温度545℃，保温时间4h，水淬；人工时效：温度180℃，保温时间6h。最后获得高强原位纳米强化铝合金轮毂。
在轮毂上取样测试其力学性能，抗拉强度为320mpa，屈服强度为240mpa，延伸率为9.1％。在弯矩为2554n·m、转速为500r/min以及螺母扭矩为120n·m的条件下，弯曲疲劳试验寿命大于6×105次，且增移量未超过初始偏移量的20％，性能合格。
实施例3
原位纳米颗粒增强复合材料的制备：将100kg商用a356.2合金原材料在750℃熔化并保温10min，继续升温至850℃时，分批加入在200℃下烘干并混合研磨的k2zrf6、k2tif6和na2b4o7粉体(其加入量分别为：4174g，5714g，8786g，生成的zrb2，tib2和al2o3颗粒之间的质量比为1:1:3)，同时开启声磁耦合场(磁场：频率10hz，磁力电流100a；超声：功率1000w，频率20khz)反应30min，反应结束去除熔体表面的浮渣，待温度降至750℃保温。
成分的调整以及复合变质细化剂的加入：将熔体质量的0.4wt.％的纯mg和0.35wt.％的al-20％si中间合金加入熔体中，并同时采用石墨搅拌转子转动促进混合并保温10min，然后将0.1wt.％的al-10％sr和0.1wt.％的al-10％re复合变质剂以及0.1wt.％的al-5％ti-1％b和0.1wt.％的al-5％ti-0.5％c复合细化剂，立即开启石墨转子搅拌并保温15min。
熔体的净化：熔体升温至780℃，喷入精炼剂六氯乙烷进行初步净化，然后加入0.1wt.％的al-10％ce中间合金，静置并保温10-15min，进行二次净化，最后将比例为3:1的氮气和氩气通入石墨制的气体旋转喷嘴，将转速为300r/min的石墨喷嘴伸入铝熔体中，混合惰性气体以0.2m3/h的流量喷入熔体中精炼20min，静置10min。
低压铸造成型：待熔体温度降至750℃，将熔体置入低压铸机密封的石墨坩埚炉(温度为750℃)，通入干燥的空气，熔体在气体压力为0.07mpa的作用下以25mm/s的速度沿升液管上升进入温度为300℃的模具，待模具填满，增加0.04mpa的压力，保压300s，释压取件，获得原位纳米复合强化铝合金轮毂铸件。
t6热处理：将切除浇冒口和飞边的低压铸件毛坯放入热处理炉中，固溶淬火：温度545℃，保温时间4h，水淬；人工时效：温度180℃，保温时间6h。最后获得高强原位纳米强化铝合金轮毂。
在轮毂上取样测试其力学性能，抗拉强度为330mpa，屈服强度为250mpa，延伸率为13.65％。在弯矩为2554n·m、转速为500r/min以及螺母扭矩为120n·m的条件下，弯曲疲劳试验寿命大于6×105次，且增移量未超过初始偏移量的20％，性能合格。
综上，本发明实施例具有如下的显著效果：抗拉强度，屈服强度，延伸率和抗疲劳强度有明显的提高；以上实施例在颗粒的含量，复合变质细化剂的含量以及凝固压力有所不同，可以看出，复合细化变质细化剂不宜加入太多，容易产生过变质细化效果，而且适当提高结晶凝固压力和颗粒的含量可提高材料的致密度提高材料的综合性能，因此可以看出发明实例3的综合性能最好，性能指标始终体现出比基体合金更加优异的性能，并且各项机械性能可以满足汽车轮毂材质的要求。
本发明提供了一种轻质高强原位纳米强化铝合金轮毂及其制造方法，并创新开发多元复合纳米强化技术+复合变质细化技术+深度净化技术+低压成型技术，获得一种轻质高强的汽车轮毂，为今后制备高性能的轻质轮毂提供了参考依据，具有广阔的市场前景和经济价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。