一种制备超细晶高强铝合金的工艺方法与流程

本发明涉及高性能铝合金材料塑性变形技术领域，具体涉及一种制备超细晶高强铝合金的工艺方法。

背景技术：

al-zn-mg-cu铝合金是以zn为主要强化元素的铝合金，属于可热处理强化铝合金，在适当的热处理条件下，其强度可以达到400-800mpa，故又可以称为高强或超高强铝合金。al-zn-mg-cu铝合金具有比强度高、加工性能好、断裂韧度高等优点。随着航空航天和现代工业的迅猛发展对al-zn-mg-cu铝合金的强度、韧性、抗腐蚀性能、可焊接性能提出了更高的要求，世界各国研究者在开发al-zn-mg-cu铝合金时，遇到了如果要提高铝合金的强度必然会降低合金焊接性能的瓶颈。各种铝合金结构件主要是通过焊接形成的，因此焊接性是al-zn-mg-cu系铝合金重要的工艺性能指标。在合金的设计时，必须综合考虑合金的各项性能指标，兼顾合金的焊接性能。因此，需要一些新的方式来提高其潜在的适用性，提高al-zn-mg-cu系合金的综合性能。

搅拌摩擦加工技术是实现合金超细晶的有效方式。搅拌摩擦加工技术是在搅拌摩擦焊的基础上发展而来的一种进行材料表面改性、二次加工及复合材料制备的新方法。该技术的基本思想就是利用搅拌头与材料的锻压、摩擦及搅拌机械作用，使搅拌区域发生大塑性变形，材料软化并得到混合、破碎、热暴露，从而实现材料微观组织的细化、均匀化、致密化，最终使材料的综合性能得到显著提高。据研究搅拌摩擦加工后，材料内部的高角度晶界的比例可以达到90％以上，高于其它spd技术制备的细晶材料。搅拌摩擦加工过程中不用预热或者加热，加工方式节能环保，加工参数易于调节，容易实现自动化。因此搅拌摩擦加工技术作为新型强塑性变形技术，是一种非常有效的超细晶铝合金制备技术。

技术实现要素：

本发明提供一种制备超细晶高强铝合金的工艺方法，目的在于：提高高强al-zn-mg-cu系铝合金材料的综合性能，使之在航空、航天领域得到更加广泛的应用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种制备超细晶高强铝合金的工艺方法，包括如下步骤：

(1)采用正压立式离心真空感应熔铸炉，熔炼铸造的al-zn-mg-cu系铝合金铸锭；

(2)对铸造后的al-zn-mg-cu系铝合金铸锭进行固溶和时效处理；

(3)采用连续挤压工艺，对固溶时效处理后的铸锭进行正向连续挤压随即对挤压后的板材用常温清水冲洗处理，最终形成挤压al-zn-mg-cu铝合金挤压板；

(4)对al-zn-mg-cu铝合金挤压板表面进行打磨处理；

(5)在经过打磨处理后的al-zn-mg-cu铝合金挤压板进行多道次搅拌摩擦加工处理，同时进行极冷处理。

优选地，步骤(1)中熔炼温度为755-765℃。

优选地，步骤(1)中熔炼温度为760℃。

优选地，步骤(2)中固溶处理的温度为590-610℃，保温3.8-4.2h；时效处理的温度为115-125℃，保温7.5-8.5h。

优选地，步骤(2)中固溶处理的温度为600℃，保温4h；时效处理的温度为120℃，保温8h。

优选地，步骤(5)中多道次搅拌摩擦加工处理的方向为来回反复进行，搅拌头行进速度为60-180mm/min,旋转速度为900-1100rpm。

优选地，步骤(5)中冷却处理的方式为用液氮进行冷却，其冷却装置是在搅拌头上方加一个液氮喷雾嘴。

本发明的有益效果在于：

本发明采用一种制备超细晶高强铝合金的工艺方法，使高强al-zn-mg-cu系铝合金材料的综合性能得到了有效的提升。通过对al-zn-mg-cu系铝合金材料进行搅拌摩擦加工处理，一方面，在搅拌摩擦加工过程中由于搅拌头强烈机械搅拌作用基体材料的大晶粒被打碎，通过再结晶过程形成细小的等轴晶。另一方面，搅拌过程中由于热循环的影响，使合金组织发生回复与再结晶，同时析出大量的mg2si沉淀强化相，该相在铝基体中可有效抑制再结晶过程和晶粒长大。进一步细化晶粒，最终形成晶粒尺寸为纳米级的细晶组织，形成超细晶，使得材料的强韧性得到较大地提高。结果表明搅拌摩擦处理后的al-zn-mg-cu系铝合金材料的强度和塑性都得到了显著的提高，抗拉强度从461.3mpa提高到556.8mpa，延伸率从12.2％提高到20.1％，该超细晶材料可广泛应用于航空航天、高铁、电子产品等领域。

附图说明

图1为al-zn-mg-cu系铝合金搅拌摩擦加工前后应力应变曲线图；

图2为al-zn-mg-cu系铝合金搅拌摩擦加工前后拉伸样对比图。

具体实施方式

本发明通过下列实施例作进一步：根据下列实施例可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明采用的al-zn-mg-cu铝合金的化学成分包括：硅si：≤0.32、铁fe：≤0.30、铜cu：≤0.10、锰mn：0.30、镁mg：1.20、铬cr：0.10、锌zn：4.20、锆zr：0.16、钛ti：0.04、铝al(最小值)：余量。

实施例1

基体材料:采用正压立式离心真空感应熔铸炉，熔炼铸造的al-zn-mg-cu系铝合金棒材。

对铸造后的铸锭进行热处理，固溶温度为600℃，保温4h；时效温度为120℃，保温8h。

采用连续挤压工艺，对固溶时效处理后的铸锭进行正向连续挤压随即对挤压后的板材用常温清水冲洗处理，目的是获得均匀的等轴晶组织，最终形成挤压al-zn-mg-cu铝合金挤压板。

采用型号为sxt-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行搅拌摩擦加工，单道次加工，搅拌头工艺参数为转速1000r/min,行进速度为60mm/min。

搅拌同时进行液氮极冷处理，以便更好的获取超细晶。

结果显示搅拌摩擦处理后的al-zn-mg-cu挤压板的抗拉强度从461.3mpa提高到516.4mpa，延伸率从12.2％提高到17.3％。

实施例2

基体材料:采用正压立式离心真空感应熔铸炉，熔炼铸造的al-zn-mg-cu系铝合金棒材。

对铸造后的铸锭进行热处理，固溶温度为600℃，保温4h；时效温度为120℃，保温8h。

采用连续挤压工艺，对固溶时效处理后的铸锭进行正向连续挤压随即对挤压后的板材用常温清水冲洗处理，目的是获得均匀的等轴晶组织，最终形成挤压al-zn-mg-cu铝合金挤压板。

采用型号为sxt-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行搅拌摩擦加工，2道次加工，前后两次的加工方向相反，搅拌头工艺参数为转速1000r/min,行进速度为120mm/min。

搅拌同时进行液氮极冷处理，以便更好的获取超细晶。

结果显示搅拌摩擦处理后的al-zn-mg-cu挤压板的抗拉强度从461.3mpa提高到556.8mpa，延伸率从12.2％提高到20.1％。

实施例3

基体材料:采用正压立式离心真空感应熔铸炉，熔炼铸造的al-zn-mg-cu系铝合金棒材。

对铸造后的铸锭进行热处理，固溶温度为600℃，保温4h；时效温度为120℃，保温8h。

采用连续挤压工艺，对固溶时效处理后的铸锭进行正向连续挤压随即对挤压后的板材用常温清水冲洗处理，目的是获得均匀的等轴晶组织，最终形成挤压al-zn-mg-cu铝合金挤压板。

采用型号为sxt-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行搅拌摩擦加工，6道次加工，搅拌头工艺参数为转速1000r/min,行进速度为120mm/min。

搅拌同时进行液氮极冷处理，以便更好的获取超细晶。

结果显示搅拌摩擦处理后的al-zn-mg-cu挤压板的抗拉强度从461.3mpa提高到535.7mpa，延伸率从12.2％提高到19.1％。

实施例4

基体材料:采用正压立式离心真空感应熔铸炉，熔炼铸造的al-zn-mg-cu系铝合金棒材。

对铸造后的铸锭进行热处理，固溶温度为600℃，保温4h；时效温度为120℃，保温8h。

采用连续挤压工艺，对固溶时效处理后的铸锭进行正向连续挤压随即对挤压后的板材用常温清水冲洗处理，目的是获得均匀的等轴晶组织，最终形成挤压al-zn-mg-cu铝合金挤压板。

采用型号为sxt-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行搅拌摩擦加工，6道次加工，搅拌头工艺参数为转速1000r/min,行进速度为180mm/min。

搅拌同时进行液氮极冷处理，以便更好的获取超细晶。

结果显示搅拌摩擦处理后的al-zn-mg-cu挤压板的抗拉强度从461.3mpa提高到523.8mpa，延伸率从12.2％提高到18.6％。