一种多晶粒尺度7系铝合金复合材料及其制备方法

1.本发明属于复合材料领域，具体涉及一种多晶粒尺度7系铝合金复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金作为一种性能优异的轻量化金属材料，具有高的抗拉强度，良好的韧性和耐腐蚀性，抗疲劳性能好，被认为是航空航天工业发展中理想的结构材料。以7xxx为代表的高强韧铝合金，更是极大地提升了新型战斗机、运载火箭、远程导弹的作战能力和技术指标。因此，研究高强韧铝合金的制备技术，对7xxx铝合金的发展和应用具有重要意义。但是，7xxx铝合金在传统的铸造工艺下获得铸坯，经过简单热塑性变形(例如轧制、锻压、挤压)后，铸件凝固过程中有粗大树枝晶等缺陷。中强度7xxx铝合金在压缩变形过程中易产生局部应力集中，在腐蚀环境和机械应力的共同作用下，还具有高应力腐蚀敏感性(scc)。
3.传统的细化剂，例如中间合金细化剂aitib，其细化机理是通“tial3+tib2”复合形核来实现对α-al的晶粒细化。采用这种传统细化剂，铝中zr或si等强化元素会与tial3反应生成三元有害相，tial3消失，导致复合形核失效和“细化中毒”，即使添加到1wt.％-2wt.％，也无法进一步细化，因而难以通过调控细化剂的比例来实现材料的异构。而tcb晶种合金是ticx经过b/n掺杂填补空位，结构稳定。如果利用tcb细化剂，则可以通过增加细化剂的比例使铝合金进一步达到细化极限。tcb细化铝合金的细化机理是晶种直接形核：用高稳定化的ticb/n晶种单体代替“tial3+tib2”复合体，实现晶种细晶强化与界面共格强化的双重功效。随着调控细化剂的比例，晶粒细化程度差异明显。
4.yucheng ji等人发表的“high-throughput computing for screening the potential alloying elements of a 7xxx aluminum alloy for increasing the alloy resistance to stress corrosion crackingn”(高通量计算筛选7xxx铝合金潜在合金元素以提高合金抗应力腐蚀开裂能力)一文中，研究表明，cr、si、cu等元素可以有效提高合金的抗应力腐蚀性能。但是加入传统的细化剂(aitib或aitic)，细化剂会与这些强化元素发生反应，晶粒细化失效，并且很难实现强度与塑性同步提升。例如，公开号为cn112609094a的中国专利公开了一种al-ti-b细化铝合金的制备方法，所得的铝合金铸锭中，晶粒尺寸为50～150微米。该材料存在以下不足：虽然强度大幅度提高，但是塑性损失也严重，细化剂抗衰退效果一般，而且制备工序繁琐复杂，制造周期冗长。kai zhao等人发表的“strengthening behavior of b doped tic particles on an al
–
zn
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mg alloy”(b掺杂tic颗粒在al-zn-mg合金上的强化行为)，研究表明，在al-5.5zn-1.5mg-0.3mn-0.2cu-0.1cr基体合金经1wt.％tcb颗粒强化后，复合材料的平均晶粒尺寸为7.4μm，基体合金的平均屈服强度和极限抗拉强度分别提高了15.2％和14.7％。
5.所以既要有加入细化剂得到的强度提升，又要有保持棒材芯部有一定的韧性，且制备方法简单，是目前许多研究者希望得到的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多晶粒尺度7系铝合金复合材料及其制备方法。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种棒状多晶粒尺度7系铝合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤(1)：熔炼、浇注生成具有不同tcb晶种合金细化剂含量的芯部棒材和外层圆环，外层圆环细化剂含量大于芯部棒材细化剂含量；
9.步骤(2)：在400～500℃及惰性气体保护下，将芯部棒材挤压进外层圆环；
10.步骤(3)：旋锻得到棒状多晶粒尺度7系铝合金复合材料。
11.一种板状多晶粒尺度7系铝合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
12.步骤(1)：熔炼、浇注生成具有不同tcb晶种合金细化剂含量的板材；
13.步骤(2)：将细化剂含量低的板材放置在中间位置，细化剂含量高的板材放置在两侧叠放，热轧，得到板状多晶粒尺度7系铝合金复合材料。
14.进一步的，所述芯部棒材和中间细化剂含量低的板材的细化剂的含量为0.1～0.2wt.％，外层圆环和两侧板材的细化剂的含量为1～2wt.％。
15.进一步的，步骤(1)中的熔炼、浇注具体为：
16.将铝锭放入真空熔炼炉，70
±
10分钟升温到680～720℃后，保温60
±
20分钟；
17.取出熔融态的铝搅拌均匀后按比例加入锌粉、镁粉、tcb晶种合金棒材，按需加入硅块、锆粉、铬粉；搅拌均匀后，放入熔炼炉保温30
±
10分钟浇注到预热的芯部棒材模具中，水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层；与上述相同的方法，制备细化剂含量不同的外层圆环、板材。
18.进一步的，步骤(1)中芯部棒材的半径为10mm～50mm，外层圆环的半径与芯部棒材的半径比值为1.1:1～1.5:1。
19.进一步的，步骤(3)中的旋锻具体为：旋锻温度为200～300℃，进料速度为0.1～0.5m/min，模具旋转速度为10～30r/min，断面收缩率为10％～30％。
20.进一步的，步骤(1)制备的中间板材的尺寸为：长度、宽度为0.1～0.5m，厚度为10～50mm，两侧板材的长和宽与中间板材的长宽一致，叠放之后的板材和中间板材的厚度比值为1.1:1～3:1。
21.进一步的，步骤(2)中的热轧具体为：热轧温度为370～400℃，轧制道次为3～10道次，每次压下量为0.5～1mm，最终相对压下量为10％～30％。
22.一种棒状多晶粒尺度7系铝合金复合材料，采用上述的方法制备。
23.一种板状多晶粒尺度7系铝合金复合材料，采用上述的方法制备。
24.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
25.本发明通过调控细化剂的比例来实现内外分层的异构棒材，可以根据不同应用场景的不同需求，灵活地调节内外细化剂含量，适用性更广。
26.棒材加入的新型细化剂是al-tic(b)晶种合金细化剂，较传统细化剂，具有细化效果好，抗“中毒”，稳定长效等显著优势。
27.外围的铝合金加入更多的细化剂，晶粒尺寸变小到接近细化极限，在塑性略有下降的情况下，强度提升明显，并且提高了表面耐磨性；这种棒材整体强度就高于普通铝棒，外围“硬”，中心“软”。
28.在制备方法上，本材料的多晶粒尺度，不是通过传统的大塑性变形得到的，而是通过灵活地控制内外层细化剂的含量，实现多晶粒尺度，从而同时提升强度和塑性，提高棒材整体的力学性能；最后，还可以通过不同的热处理工艺，实现梯度材料；工艺简单，污染小，此棒材适用于工业化生产。
附图说明
29.图1为本发明的棒状铝合金复合材料截面示意图。
30.图2为本发明的制备外层圆管的模具示意图。
31.图3为本发明的制备内层棒芯的模具示意图。
32.图4为本发明的板状铝合金复合材料截面示意图。
33.附图标记说明：
34.1-外层圆环，2-芯部棒，3-外层型腔，4-芯部型腔，5-外层板，6-内层板。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
36.一种多晶粒尺度7xxx铝合金复合材料，棒材中心和外层部分都是tcb细化铝合金材料，通过调控细化剂的比例来实现多晶粒尺度的棒材。其中芯部含有0.1～0.2wt.％的tcb晶种合金细化剂，外层含有1～2wt.％的tcb。棒材则长度范围为0.1m～0.5m，半径范围10mm～50mm，外层与内层半径比值约为1.1:1～1.5:1；板材则长度、宽度范围为0.1～0.5m，厚度范围10～50mm，总厚度与内层厚度比为1.1:1～3:1。其特征主要包括以下步骤：
37.(1)准备棒材原料：纯度≥99.7％的铝、锌粉、镁粉，al-tic(b)晶种合金棒材。以下原料按需准备：纯度≥99.7％的硅块、铜粉、锆粉、铬粉。
38.(2)准备内层、外层浇注模具：棒材内层模具内径为6.5～45.5mm，长度为0.1～0.5m。外层模具为空心圆环，内径与内层模具相同，内外径比为1:1.1～1:1.5。长度稍短于内层模具，约为内层模具的0.9倍。可根据最终复合材料的层数适当调整模具个数。
39.(3)制备内外层铝合金材料：将各类粉末混合均匀。将铝锭放入真空熔炼炉，70分钟升温到680～720℃后，保温一小时。取出熔融态的铝搅拌均匀后按一定比例加入锌粉、镁粉、al-tic(b)晶种合金棒材，按需加入硅块、锆粉、铬粉。搅拌均匀后，放入熔炼炉保温30分钟浇注到相应的模具中，水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。获得一个tcb含量较少的内层圆棒(或板)，和tcb含量较多的外层空心圆管(或板)。对结合界面进行砂纸打磨—水洗—丙酮超声清洗—水洗—酸洗—再水洗步骤，最后快速吹干，并用惰性气体对表面进行保护，保证接触面具有一定的粗糙度、无油且洁净，有助于界面的结合。
40.(4)结合：棒材将(3)中所得内、外两段材料，棒材则在在400～500℃及惰性气体保护下，用外力将芯部棒材挤压进外圆柱筒，形成一个整体。去除内层棒材多出部分后进行低温旋锻变形，使两者结合更加稳固。旋锻在200～300℃下进行，进料速度控制在0.1～0.5m/min，模具旋转速度为10～30r/min，最后旋锻变形到所需直径大小，断面收缩率在10％～30％。板材则将不同tcb含量的板材叠放在一起，通过热轧结合，相对压下量为10％～30％。
41.实施例1
42.步骤(1)：准备棒材原材料：纯度≥99.7％铝锭、50～100μm的5.5wt.％锌粉、
1.5wt.％镁粉、0.1wt.％铬粉，(用于制备al-5.5zn-1.5mg-0.1cr铝合金基体材料)0.1wt.％和1wt.％的al-tic(b)晶种合金棒材两小段，纯度≥99.7％的硅块。
43.步骤(2)：准备内层、外层浇注模具：内层模具内径为10mm，长度为0.11m。外层模具为空心圆环，长度为0.1m。圆环实心部分的外径为10mm，外层空心部分的内径为13mm。
44.步骤(3)：制备棒材：将各类粉末混合均匀。将铝锭放入真空熔炼炉，70分钟升温到720℃后，保温一小时。取出熔融态的铝搅拌均匀后，加入称量好的5.5wt.％锌粉、1.5wt.％镁粉、0.1wt.％铬粉，0.1wt.％al-tic(b)晶种合金棒材。搅拌均匀，放入熔炼炉保温30分钟，待模具预热到200～300℃后，浇注到相应的制备内层棒材的模具中，水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。重复以上步骤，加入tcb的含量为1wt.％。将熔融铝液浇注到相应的制备外层圆环的模具中。水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。
45.步骤(4)：将(3)中所得内、外两段材料，在外力的作用下将芯部棒材挤压进外圆柱筒，形成一个整体。该过程在400～500℃及惰性气体保护下进行。去除内层棒材多出部分。
46.步骤(5)：将(4)中所得材料放入旋锻机中旋锻，送进速率200mm/min，旋转速率10r/min，断面收缩率10％。
47.所制备的al-5.5zn-1.5mg-0.1cr铝合金棒材组成为：基体棒材内外层都是al-5.5zn-1.5mg-0.1cr铝合金，中心部分含0.1wt.％的al-tic(b)晶种合金，外层含1wt.％的al-tic(b)晶种合金，内外层半径比值约为1:1.3。
48.实施例2
49.步骤(1)：准备棒材原材料：纯度≥99.7％铝锭、50～100μm的3wt.％锌粉、3wt.％镁粉、5wt.％硅块(用于制备al-3zn-3mg-5si铝合金基体材料)，0.1wt.％和1.5wt％的al-tic(b)晶种合金棒材两小段，纯度≥99.7％的硅块。
50.步骤(2)：准备板状浇注模具：长度0.2m，宽度0.2m，厚度10mm。
51.步骤(3)：制备板材：将各类粉末混合均匀。将铝锭放入真空熔炼炉，70分钟升温到720℃后，保温一小时。取出熔融态的铝搅拌均匀后，加入称量好的3wt.％锌粉、3wt.％镁粉、5wt.％硅块，0.1wt.％al-tic(b)晶种合金棒材。搅拌均匀，放入熔炼炉保温30分钟,，待模具预热到200-300℃后，浇注到制备板状材料的模具中，水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。重复以上步骤两次，加入tcb的含量为1.5wt.％。将熔融铝液浇注到制备板状材料的模具中，浇注厚度为内层材料的一半。水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。获得一块内层板材，和两块外层板材。
52.步骤(4)：将(3)中所得内、外三层材料，叠放在一起，进行热轧，相对压下量为10％，使界面更好地结合。
53.所制备的al-3zn-3mg-5zr铝合金板材组成为：基体棒材内外层都是al-5.5zn-1.5mg-0.2zr铝合金，中心部分含0.2wt.％的al-tic(b)晶种合金，外层含1.5wt.％的al-tic(b)晶种合金，内层板材厚度与总厚度比值约为1:3。
54.实施例3
55.步骤(1)：准备棒材原材料：7005铝合金，0.1wt.％,0.4wt％和2wt％的al-tic(b)晶种合金棒材三小段。
56.步骤(2)：准备内层、中间层、外层浇注模具：内层模具内径为30mm，长度为0.5m。中间层模具用来浇注中间层空心圆管，长度为0.49m，圆管内径为30mm，外径为40mm。外层模具
用来浇注外层空心圆管，长度0.48m，圆管内径40mm，外径50mm。
57.步骤(3)：制备棒材：将7005铝合金放入真空熔炼炉，70分钟升温到720℃后，保温一小时。取出熔融态的铝搅拌均匀后，0.1wt.％al-tic(b)晶种合金棒材。搅拌均匀，放入熔炼炉保温30分钟，待模具预热到200～300℃后，浇注到相应的制备内层棒材的模具中。重复以上步骤，加入tcb的含量为0.4wt.％，将熔融铝液浇注到相应的制备中间层圆管的模具中。重复以上步骤，加入tcb的含量为2wt.％，将熔融铝液浇注到相应的制备外层圆管的模具中。各棒材水冷后取出，用钢刷清洁表面，去除氧化层。
58.步骤(4)：将(3)中所得内层芯棒和中间层、外层空心圆管，在外力挤压下结合到一起。该过程在400～500℃及惰性气体保护下进行。去除内层、中间层棒材多出部分。
59.步骤(5)：将(4)中所得材料放入旋锻机中旋锻，送进速率200mm/min，旋转速率10r/min，断面收缩率20％。
60.所制备的tcb细化7005铝合金棒材组成为：基体棒材内外层都是7005铝合金，中心部分含0.1wt.％、中间层含0.4wt.％、外层含2wt.％的al-tic(b)晶种合金，内层、中间层、外层半径比值约为1:1.3:1.7。