一种铸态铝合金的局部改性加工方法与流程

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种铸态铝合金的局部改性加工方法。

背景技术：

2a14铝合金属于al-cu-mg系高强度锻造合金，具有工艺性能良好，热塑性好和工作温度较高等优点，可作为重要的航空航天，船舶和交通运输用耐热可焊的结构件，形状复杂的锻件，精密模锻件和板材等，在航空、航天、兵器和交通运输等领域具有广阔的应用前景。

搅拌摩擦加工是利用高速旋转的搅拌头插入到金属板内，并以一定的进给速度沿特定方向移动，造成加工区材料的塑性流动、混合、破碎和热暴露，实现搅拌区显微组织致密化、均匀化和细化，采用该加工技术可以制备出晶粒尺寸为微纳米的细晶铝合金，极大的提高其强度和塑性。现有技术中，搅拌摩擦加工制备的大多是厚度小于15mm以下的变形态、变形+退火态或变形+峰值时效态板材，故在搅拌摩擦加工之前需对加工板材进行大塑性变形或大塑性变形+热处理，极大的增加了能耗、生产成本和工艺的复杂性。同时，为了改善搅拌区组织的均匀性和致密性，一般采用相同的工艺参数对搅拌区进行多道次重复搅拌摩擦加工。多道次重复搅拌摩擦加工虽然在一定程度上解决了组织均匀性和致密性问题，但热输入的增加又会使搅拌区析出相溶解或粗化，影响力学性能的均匀性。因此，迫切需要开发基于多道次搅拌摩擦加工基本思想的材料制备新工艺，以突破组织均匀性和力学性能低的瓶颈。

技术实现要素：

为了解决如何由铸态铝合金直接进行搅拌摩擦加工来改善组织均匀性、力学性能的技术问题，而提供一种铸态铝合金的局部改性加工方法，本发明工艺对2a14铸态铝合金直接进行两道次不等速搅拌摩擦局部改性加工，并配合低温欠时效处理，有效消除了铸态组织缺陷，实现了微观组织的致密化、均匀化和细晶化，明显提高了铸态铝合金板材的局部力学性能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种铸态铝合金的局部改性加工方法，包括如下步骤：

(1)表面处理：打磨铸态铝合金的待加工区域，清洗、烘干后备用；

(2)两道次搅拌摩擦加工：将表面处理后的铸态铝合金进行第一道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，待完全冷却至室温后，在第一道次加工的区域沿原方向再进行第二道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却至室温；所述第二道次搅拌摩擦加工的搅拌头转速高于第一道次搅拌摩擦加工的搅拌头转速；

(3)低温欠时效处理：将经步骤(2)加工后得到的铝合金在110～140℃温度条件下保温6～12h进行低温欠时效处理；

(4)机加工、表面处理：将经步骤(3)处理后的铝合金进行机加工以去除非搅拌摩擦加工区域，然后打磨去除表面弧形纹路、氧化皮及其它表面缺陷。

进一步地，所述第一道次搅拌摩擦加工的搅拌头转速为600～800rpm/min，所述第二道次搅拌摩擦加工的搅拌头转速为1000～1200rpm/min。通过对变形能力较差的铸态铝合金直接进行第一道次低速搅拌摩擦加工，给搅拌区提供一定的热输入和变形量，使搅拌区的铸态组织被大量变形组织所取代，发生塑性变形和金属流动；然后再进行第二道次高速搅拌摩擦加工，使搅拌区的金属流动性明显改善，发生均匀的塑性流变，得到均匀细小的再结晶组织。

进一步地，两道次搅拌摩擦加工的搅拌头进给速度均为100mm/min。

进一步地，所述搅拌头为带螺纹的圆台搅拌头，所述搅拌头长度比待加工铝合金的厚度至少小0.3mm，所述搅拌头的端部和根部直径分别为4mm和6mm，所述搅拌头轴肩直径为15～25mm，轴肩下压量为0.2±0.05mm。搅拌摩擦加工的搅拌头图片如图2所示。

进一步地，所述瞬时强制冷却均采用24±2℃的流动水进行边搅拌摩擦加工边冷却。

上述加工方法的工艺流程图如图1所示。

上述加工方法中搅拌摩擦加工的搅拌头图片如图2所示。

有益技术效果：本发明通过对铸态铝合金待加工的相同区域直接进行同向、一道次低速+一道次高速的组合搅拌摩擦加工，第一道次低速搅拌摩擦加工即保证了较低的热输入，又能够代替传统的大塑性变形工艺，第二道次高速搅拌摩擦加工保证了搅拌区合金中金属均匀流动，生成了细小均匀的再结晶组织，从而使原粗大铸态晶粒发生明显细化，晶内和晶界第二相及粗大残余相发生充分破碎、溶解和均匀分布。通过对搅拌摩擦加工后的区域进行瞬时强制冷却，一方面有效提高了搅拌区的散热速率，避免温度过高引起搅拌区再结晶晶粒的粗化，另一方面，可促使组织内的第二相或其它可溶成分溶解到铝合金基体中，形成过饱和固溶体。最后再通过低温欠时效处理调控晶内和晶界的析出相尺寸和弥散度，在保证搅拌区良好塑性的基础上极大改善其力学性能。此外，本发明省去了搅拌摩擦加工前能耗较高的复杂塑性变形工艺及热处理，通过一道次低速和一道次高速的同向组合搅拌摩擦加工获得了均匀的细晶组织铝合金，为从铸态铝合金到制备细晶铝合金提供了一种低成本、高效率的加工方法。

附图说明

图1为本发明加工方法的工艺流程图。

图2为本发明加工方法中搅拌摩擦加工的搅拌头图片。

图3为本发明加工前原始铸态铝合金和实施例3加工后的微观组织对比图，其中(a)为原始铸态铝合金微观组织，(b)为实施例3加工后的铝合金微观组织。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。

以下实施例所用铝合金型号为2a14铸态铝合金，尺寸大小150mm×300mm，厚5mm。

实施例1

一种铸态铝合金的局部改性加工方法，包括如下步骤：

(1)表面处理：将铸态铝合金待加工区域用打磨机进行打磨，物理清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

(2)两道次搅拌摩擦加工：将表面处理好的铸态铝合金装夹到搅拌摩擦焊设备上，在搅拌头旋转速度为600rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第一道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；待完全冷却至室温后，在搅拌头旋转速度为1100rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第二道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却至室温，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；

(3)低温欠时效处理：将经步骤(2)加工后的铝合金置于温装炉，在110±2℃温度条件下保温12h进行低温欠时效处理；

(4)机加工、表面处理：将经步骤(3)处理后铝合金机加工以去除非搅拌摩擦加工区域，然后打磨机打磨去除表面弧形纹路、氧化皮和飞边等其他表面缺陷。

其中，所述搅拌头长度为4.7mm，所述搅拌头的端部和根部直径分别为4mm和6mm，所述搅拌头轴肩直径为25mm，轴肩下压量为0.2±0.05mm。

实施例2

一种铸态铝合金的局部改性加工方法，包括如下步骤：

(1)表面处理：将铸态铝合金待加工区域用打磨机进行打磨，物理清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

(2)两道次搅拌摩擦加工：将表面处理好的铸态铝合金装夹到搅拌摩擦焊设备上，在搅拌头旋转速度为700rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第一道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；待完全冷却至室温后，在搅拌头旋转速度为1000rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第二道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却至室温，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；

(3)低温欠时效处理：将经步骤(2)加工后的铝合金置于温装炉，在130±2℃温度条件下保温10h进行低温欠时效处理；

(4)机加工、表面处理：将经步骤(3)处理后铝合金机加工以去除非搅拌摩擦加工区域，然后打磨机打磨去除表面弧形纹路、氧化皮和飞边等其他表面缺陷。

其中，所述搅拌头长度为4.7mm，所述搅拌头的端部和根部直径分别为4mm和6mm，所述搅拌头轴肩直径为20mm，轴肩下压量为0.2±0.05mm。

实施例3

一种铸态铝合金的局部改性加工方法，包括如下步骤：

(1)表面处理：将铸态铝合金待加工区域用打磨机进行打磨，物理清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

(2)两道次搅拌摩擦加工：将表面处理好的铸态铝合金装夹到搅拌摩擦焊设备上，在搅拌头旋转速度为800rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第一道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；待完全冷却至室温后，在搅拌头旋转速度为1200rpm/min、进给速度为100mm/min下进行第二道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却至室温，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却；

(3)低温欠时效处理：将经步骤(2)加工后的铝合金置于温装炉，在140±2℃温度条件下保温8h进行低温欠时效处理；

(4)机加工、表面处理：将经步骤(3)处理后铝合金机加工以去除非搅拌摩擦加工区域，然后打磨机打磨去除表面弧形纹路、氧化皮和飞边等其他表面缺陷。

其中，所述搅拌头长度为4.7mm，所述搅拌头的端部和根部直径分别为4mm和6mm，所述搅拌头轴肩直径为15mm，轴肩下压量为0.2±0.05mm。

对比例1

本对比例与实施例3方法相同，不同之处在于：步骤(2)两道次搅拌摩擦加工的搅拌头旋转速度均为800rpm/min。

对比例2

本对比例与实施例3方法相同，不同之处在于：步骤(2)两道次搅拌摩擦加工的搅拌头旋转速度均为1200rpm/min。

对比例3

本对比例与实施例3方法相同，不同之处在于：步骤(2)两道次搅拌摩擦加工方向相反。

对比例4

本对比例加工方法包括：将铝锭在490℃下均匀化处理10h，均匀化处理后在430℃下分4道次轧制总变形量60％，轧制过后进行t6处理，具体工艺为固溶505℃×2h，取出后立即放入21℃水中淬火，接着在165℃下峰值时效6个小时；热处理结束后打磨板材表面，接着在旋转速度为1200rpm/min，进给速度为100mm/min下进行单道次搅拌摩擦加工。

对上述实施例1～3搅拌摩擦加工后的搅拌区和铸态铝合金进行力学性能测试，数据见表1；实施例3和对比例1～4搅拌摩擦加工后的搅拌区的力学性能数据见表2。其中拉伸强度和延伸率按照gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》测试，硬度按照gb/t4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》测试。

表1实施例1～3的加工搅拌区和铸态铝合金的力学性能

由表1可知，本发明工艺-同向、一道次低速+一道次高速局部改性加工工艺，实施例3的效果最好。

表2实施例3和对比例1～4搅拌摩擦加工后的搅拌区的力学性能数据

由表2可知，相较于本发明工艺-同向、一道次低速+一道次高速(实施例3)工艺加工出的铝合金其力学性能，采用两道次同向、同速(对比例1和对比例2)工艺加工出的铝合金其力学性能较本发明实施例3差；采用两道次反向、一道次低速+一道次高速(对比例3)工艺加工出的铝合金其力学性能较本发明实施例3差；采用传统工艺(对比例4，大塑性变形+热处理+低温时效处理)加工的铝合金较本发明实施例3稍差。实施例1和实施例2的对比(对比参数按照同向低速、同向高速、反向+低速+高速，其中低速高速分别按照实施例1和实施例2中的设定)也具有与实施例3相同的技术效果。

对实施例3加工后的铝合金进行扫描电子显微镜的观察，sem图如图3所示，(a)为原始铸态铝合金微观组织，(b)为实施例3加工后的铝合金微观组织，由图可知，从原始铸态铝合金通过本发明方法加工后的铝合金其微观组织发生了均匀化、细晶化。这主要是因为本发明通过对铸态铝合金相同区域直接进行同向、一道次低速+一道次高速的搅拌摩擦加工，第一道次低速搅拌摩擦加工即保证了较低的热输入，又能够代替传统的大塑性变形工艺，第二道次高速搅拌摩擦加工保证了搅拌区合金中金属均匀流动，生成细小均匀的再结晶组织，从而使原粗大铸态晶粒发生明显细化，晶内和晶界第二相及粗大残余相发生充分破碎、溶解和均匀分布。通过对搅拌摩擦加工后的区域进行瞬时强制冷却，一方面有效提高了搅拌区的散热速率，避免温度过高引起搅拌区再结晶晶粒的粗化，另一方面，可促使组织内的第二相或其它可溶成分溶解到铝合金基体中，形成过饱和固溶体。最后再通过低温欠时效处理调控晶内和晶界的析出相尺寸和弥散度，在保证搅拌区良好塑性的基础上极大改善其力学性能。本发明省去了搅拌摩擦加工前能耗较高的复杂塑性变形工艺及热处理，通过一道次低速和一道次高速的同向组合搅拌摩擦加工获得了均匀的细晶组织铝合金，为从铸态铝合金到制备细晶铝合金提供了一种低成本、高效率的加工方法。