一种喷射沉积高强铝合金的制备方法与流程

本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种喷射沉积高强铝合金的制备方法。

背景技术：

高性能铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料之一。高性能铝合金，国内外的常规制坯技术多采用半连续铸造工艺对，但由于铸造过程中材料的宏观偏析和热裂倾向大，即使经过后续加工，也无法满足日益增长的高性能需求，严重制约了材料在国防军工等尖端领域的应用。

喷射沉积技术是一种采用快速凝固方法直接制备金属锭坯或者半成品的先进成形技术，可以生成过饱和固溶体，而析出的金属间化合物则较少，所以可以用于添加更多合金元素制备出高强的铝合金。日本神户制钢报道了喷射成形加入更多的合金元素的高温铝合金，提高了铝合金的高温强度。据报道，使用喷射沉成形并经热锻的al-8.1cr-9.9fe-3.0ti合金，在400℃下的抗拉强度达到了340mpa。另外采用传统的铸造工艺很难制备高含量mg2si的铝合金，但是德国不来梅大学的学者利用喷射成形技术制备了mg2si含量为21.8％、30％和35％(质量分数)的铝合金，打破了传统工艺的局限。

但也正是由于喷射沉积技术的快速凝固特点，其制备的合金沉积坯不可避免地存在大小不一的孔隙、原始颗粒界面等缺陷。为了改善这种现象，传统方法一般对喷射沉积的合金沉积坯进行大塑性变形或440℃以上的高温热等静压处理，以提高致密度和增强颗粒间的冶金结合，但是由于合金沉积坯具有细小的组织结构，在大塑性变形以及400℃以上高温下处理下合金锭坯内部的组织颗粒受到热量作用表面能增加，为了降低表面能而自发地发生团聚，从而出现粗化的缺点，在后续塑性加工做成中出现明显的流线组织和各向异性，严重降低铝合金的强度。

技术实现要素：

基于此，本发明提供一种喷射沉积高强铝合金的制备方法，可以消除喷射沉积的铝合金锭坯内部原始颗粒界面和孔隙，并能够保留铝合金锭坯在喷射沉积过程中形成的细小的组织结构。

本发明所述喷射沉积高强铝合金的制备方法为，采用喷射沉积技术制得铝合金锭坯，然后将该铝合金锭坯置于260～300℃下施加100～120mpa的压力并保持2～4h进行低温致密化处理。

与现有技术相比，本发明在喷射沉积后形成具有细小组织等快速凝固组织结构特征的铝合金锭坯，铝合金锭坯中的细小组织在260～300℃低温处理下能够保留快速凝固组织结构特征；同时在100～120mpa的高压作用下高强铝合金内部的原始颗粒界面和孔隙被挤压变小直至消失。同时在该温度下，铝合金锭坯具有轻微柔性，不至于在承受高压时发生开裂。

进一步，所述高强铝合金按重量分数包括8.0～12.8％zn、1.6～2.5％mg、2.0～3.2％cu、0.1～0.3％zr、0.1～0.4％re，余量为al，其中所述re为sc、er、nb中的任意一种或两种。

进一步，所述喷射沉积的铝合金锭坯的致密度为86～92％。

进一步，所述铝合金锭坯经低温致密化后的致密度大于99％。

进一步，所述低温致密化后还包括步骤：在280～320℃下对低温致密化后的材料施加500吨压力进行挤压得到挤压棒材，最后进行热处理得到铝合金。

进一步，所述挤压步骤中的挤压比为6～8。

进一步，所述热处理具体为，将挤压棒材在400～450℃下固溶处理1～2h，冷却后再在80～100℃下人工时效48～96h。

附图说明

图1为本发明的技术路线图；

图2为喷射沉积铝合金锭坯的宏观形貌图；

图3为低温致密化后的组织形貌图；

图4为小变形量塑性加工后的组织形貌图。

具体实施方式

如图1的技术路线图所示，本发明根据铝合金组分进行配料后进行合金熔炼，然后使用合金熔体进行喷射沉积制坯，然后对锭坯进行低温致密化处理，在低温致密化处理前还可以对锭坯进行修型、抽真空处理；低温致密化处理完成后去掉包套，进行粗加工；接着进行小变形量塑性加工，最后进行固溶-时效处理得到最终的高强铝合金。为了评价高强铝合金的性能，可对其进行组织性能检测。本发明通过在喷射沉积后采用低温高压对锭坯进行致密化，可以使喷射沉积过程中形成的原始颗粒界面和孔隙消失，同时又可以保留喷射沉积形成的细小组织。

本发明所述喷射沉积高强铝合金的制备方法具体包括以下步骤：

(1)喷射沉积铝合金锭坯

采用纯铝、纯锌、纯镁、al-50cu中间合金(cu重量分数为50％)、al-10zr中间合金和al-2sc中间合金为原料，按照8.0％zn、2.5％mg、2.6％cu、0.1％zr、0.2％sc，余量为al的质量比例进行配料。将纯铝、al-50cu中间合金、al-10zr中间合金和al-2sc中间合金投入中频感应炉中并在780～960℃下进行熔炼，然后采用石墨钟罩将纯镁和纯锌压入上述熔炼的熔体中，充分搅拌后精炼、除渣，静置10～15min得到铝合金熔体。

接着将铝合金熔体转入喷射沉积设备中，将铝合金熔体升温至780～840℃，在以氮气为雾化介质、雾化压力为0.7～0.9mpa的条件下将利用铝合金熔体喷射沉积成铝合金锭坯，同时产生过喷粉末。喷射沉积过程中喷射沉积设备的导流管的直径为3.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为400mm，喷射沉积设备的雾化喷嘴的扫描频率为2hz，喷射沉积设备的接收盘下降速度为10mm/min，接收盘旋转速度为60rpm。

喷射沉积结束后，在车床上将铝合金锭坯加工成所需尺寸的圆柱体坯料，加工过程保持干净，避免水、油的污染。

(2)低温致密化处理：将铝合金锭坯置于260～300℃下施加100～120mpa的压力并保持2～4h进行致密化处理。

将步骤(1)加工后的铝合金锭坯转入纯铝包套中，并用过喷粉末填充包套的孔隙。将包套封焊后在室温至300℃的温度内抽真空至于10^-4pa以下。抽真空后以15℃/min的塑料将铝合金锭坯加热温度至300℃，并对其施加120mpa压力，保温保压4h。保温保压结束后，待温度降至200℃开始逐渐泄压，得到致密化锭坯。

(3)小变形量塑性加工

将步骤(2)中的致密化锭坯置于电阻炉中，并在340～360℃的温度下恒温加热2h。然后将其置于500吨液压机中在280～300℃的挤压筒下按照挤压比为8、挤压速度为0.5mm/s的挤压条件将其挤压成棒材。

(4)热处理得到高强铝合金

将挤压成的棒材放入电阻炉中，在400～450℃下固溶处理1～2h，采用水淬冷却至室温，将淬火后的板材放入烘箱中80～100℃人工时效48～96h，空冷至室温即得最终的al-8.0zn-2.5mg-2.6cu-0.1zr-0.2sc高强铝合金。

请参看图2，该图是步骤(1)喷射沉积的铝合金锭坯宏观形貌。从图2可以看出，喷射沉积的铝合金锭坯宏观上展现出较为蓬松的形态；且经检测，其致密度仅为91％。请参看图3，该图是将铝合金锭坯进行低温致密化后的微观组织形貌图，该图反映，经低温致密化后铝合金锭坯内部微孔基本消失，保持着细小的等轴晶组织，颗粒尺寸在5～10μm之间，析出相非常细小；且经精测，低温致密化后的铝合金的致密度提高至99％以上。

从图4的小变形量塑性加工后的组织形貌可以看出，合金中挤压流线组织不太明显，组织颗粒内析出了大量细小的第二相，均匀分布于铝基体中，从而提高铝合金的强度。

对该合金进行力学性能分析，结果显示热处理后的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为765mpa、688mpa和7.6％。

本发明采用低温高压对喷射沉积的铝合金锭坯进行致密化处理，在喷射沉积过程中铝合金锭坯会形成具有细小组织的快速凝固组织结构特征，在260～300℃低温处理下能够保留快速凝固组织结构特征；同时在100～120mpa的高压作用下高强铝合金内部的原始颗粒界面和孔隙消失。经过低温致密化后再进行挤压变形将不会产生明显的流线组织，并可以在组织颗粒内析出细小的并均匀分布在铝基体中的第二相，有利于提高铝合金的强度、减小各向异性现象。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。