一种峰时效区域宽化的TiB2p/Al-Mg-Si瓷刚铝合金、其制备方法及用途

本发明涉及新材料技术，尤其涉及一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金、其制备方法及用途。

背景技术：

1、铝作为一种良导体被广泛应用于输电导线等场景，但纯铝的强度较低，在恶劣的服役环境中安全系数较低。通常铝中加入一定含量的合金化元素可以提高强度，但会降低电导率。因此，采用低合金化的6xxx(al-mg-si)铝合金可以作为一种折衷的方式即保证具备一定的强度，又不至于严重损害电导率。al-mg-si系合金是一种可热处理强化的铝合金，通过固溶-时效工艺析出细小、弥散的析出强化相大幅度地提升强度。固溶处理时大部分合金元素回溶到铝基体中，再进行人工时效，使其发生脱溶、析出、长大和粗化。析出强化过程不仅可以提高强度，同时还可以提高电导率。然而，该过程存在峰时效状态，即强度随时效时间存在峰值，这是因为析出相长大、粗化的过程中存在一个最优尺寸使得强度最大。对于al-mg-si系合金，因为固溶mg原子和si原子扩散速度极快，常规的时效方法中峰时效区域非常窄，导致其工艺窗口窄，进而不能获得最佳的性能。

2、金属材料中存在大量的晶体缺陷，包括空位、位错、层错等，而且其可以通过工艺手段调控，进而改变材料的性能。在al-mg-si系合金中添加难溶的tib2陶瓷颗粒形成tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金不仅能够形成大量的颗粒/基体相界面缺陷，还能通过固溶-时效工艺产生大量的热错配位错，而这些缺陷会成为固溶原子的快速扩散通道，进而影响其析出行为。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对传统al-mg-si系合金，因为固溶mg原子和si原子扩散速度极快，常规的时效方法中峰时效区域非常窄，导致其工艺窗口窄，进而不能获得最佳性能的问题，提出一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金的制备方法，该方法通过向al-mg-si系合金中添加难溶的tib2陶瓷颗粒，调控其人工时效过程中弥散强化相的析出行为，制备得到一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金，其工艺简单，成本低廉，制备得到的瓷刚铝合金具备优异的力学性能和电导率。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤(1)成分设计：采用tib2陶瓷颗粒调控al-mg-si系合金的峰时效区域宽化行为，al-mg-si系合金中mg为0.6％-0.8％，si为0.3％-0.9％(如无特殊说明，本发明中％均为质量分数，下同)；优选两种al-mg-si系合金：a、高si低mg，al-0.6mg-0.9si；b、高mg低si，al-0.8mg-0.3si。

4、步骤(2)熔炼：a、将al-5％tib2前驱体(第二相为tib2陶瓷相颗粒，b/ti化学计量比为1.6～1.7，过量ti元素以al3ti金属间化合物和固溶ti原子的形式存在)和al-3％b中间合金(第二相为alb2陶瓷相颗粒)按照b/ti化学计量比为2.0～2.1进行配比，同时放入石墨黏土坩埚，在井式坩埚熔炼炉中升温至750～780℃熔化，搅拌使其充分混合；b、施加超声振动处理3～5min，以加速反应；c、保温20～30min使其充分反应；d、采用al-10％mg中间合金和al-12％si中间合金对其进行合金化；e、在熔体中通入高纯氩气进行精炼，时长3～10min；f、施加超声振动处理3～5min，以弥散陶瓷颗粒的分布；g、熔体温度为720～750℃时将其浇注至钢模，制备得到瓷刚铝合金铸锭；

5、步骤(3)固溶处理：将瓷刚铝合金铸锭加热至550～570℃进行固溶处理，保温时长720～1440min，室温水淬；

6、步骤(4)人工时效：水淬结束后迅速送至时效炉进行人工时效处理，温度为188～192℃，时间为0～210min，优选时间为60～210min。

7、进一步地，步骤(2)中所述al-5％tib2前驱体为工业吨级生产的al-tib2母材；所述高冶金质量的al-3％b中间合金的碱金属含量低于0.1％。

8、进一步地，步骤(2)中al-5％tib2前驱体的ti元素和b元素的含量分别为3.5～3.6％和1.4～1.5％。

9、进一步地，步骤(2)所述瓷刚铝合金铸锭中tib2颗粒总含量为3.5～4.5％，优选为4％。

10、进一步地，步骤(2)所述瓷刚铝合金铸锭中al-10％mg中间合金加入的质量分数分别为6.2％-8.3％；所述al-12％si中间合金加入的质量分数分别为为2.5％-7.5％。

11、进一步地，步骤(2)中，当al-mg-si系合金为al-0.6mg-0.9si合金时，al-10％mg中间合金和al-12％si中间合金加入的质量分数分别为6.0～6.2％和7.3～7.5％。

12、进一步地，步骤(2)中，当al-mg-si系合金为al-0.8mg-0.3si合金时，al-10％mg中间合金和al-12％si中间合金加入的质量分数分别为和8.1～8.3％和2.3～2.5％。

13、进一步地，步骤(2)中制备的瓷刚铝合金铸锭中杂质fe含量低于0.2％，其它每种杂质含量低于0.1％。

14、进一步地，步骤(2)中所有原材料在熔炼前均需在烘干箱中烘干30～60min。

15、进一步地，步骤(2)中原材料的加入顺序如下：al-3％b中间合金和al-5％tib2前驱体同时加热，al-10％mg和al-12％si中间合金在保温反应结束后加入，以此消除合金化对反应的影响。

16、本发明的另一个目的还公开了一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金，采用上述方法制备而成，相比于纯合金，无论是高si低mg体系还是高mg低si体系，加入tib2陶瓷颗粒后峰时效不仅发生提前，同时在峰时效状态维持较长时间，即获得峰时效区域宽化效应，扩宽人工时效的工艺窗口，获得最佳的力学性能和电导率。

17、进一步地，所述峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金包括重量配比如下的各组分：

18、tib2             3.5～4.5％；

19、mg               0.6～0.8％；

20、si               0.3～0.9％；

21、杂质fe含量低于0.2％；

22、其他每种杂质含量低于0.1％；

23、余量为al。

24、进一步地，优选的所述峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金为tib2/al-0.6mg-0.9si，包括重量配比如下的各组分：

25、tib2/al-0.6mg-0.9si:

26、tib2             4％；

27、mg               0.6％；

28、si               0.9％；

29、杂质fe含量低于0.2％；

30、其他每种杂质含量低于0.1％；

31、余量为al。

32、进一步地，优选的所述峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金为tib2/al-0.8mg-0.3si，包括重量配比如下的各组分：

33、tib2/al-0.8mg-0.3si:

34、tib2              4％；

35、mg                0.8％；

36、si                0.3％；

37、杂质fe含量低于0.2％；

38、其他每种杂质含量低于0.1％；

39、余量为al。

40、进一步地，所述tib2优选为4％。

41、本发明的另一个目的还公开了一种峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金在输电导线领域的用途。

42、本发明峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金、其制备方法及用途，与现有技术相比较具有以下优点：

43、1)、本发明峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金同传统的铝合金制备流程结合紧密，易于推广，且成本低廉，可以大规模批量生产。

44、2)、本发明峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金，相比于纯合金，加入tib2陶瓷颗粒后峰时效不仅发生提前，同时在峰时效状态维持较长时间，即获得峰时效区域宽化效应，扩宽人工时效的工艺窗口，获得最佳的力学性能和电导率。

45、其中，高si低mg体系tib2/al-0.6mg-0.9si的峰值硬度大于120hv0.2，电导率大于45％iacs；高mg低si体系tib2/al-0.8mg-0.3si的峰值硬度大于100hv0.2，电导率大于47％iacs。

46、3)、本发明峰时效区域宽化的tib2p/al-mg-si瓷刚铝合金，不仅能够形成大量的颗粒/基体相界面缺陷，还能通过固溶-时效工艺产生大量的cte位错，而这些缺陷会成为固溶原子的快速扩散通道，进而影响其析出行为。

47、本发明中p代表颗粒，particle。