專利名稱：：一種低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法，屬于有色金屬材料制備及應用
技術領域：
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背景技術：
：為滿足航空、航天、汽車等結構減重的需求，而促使鋁合金向更輕、更強并具有良好綜合力學性能和耐蝕性能方向發展。高比強、高比剛材料可以通過兩種途徑來實現一方面大力提高材料的強度，另一方面盡量降低材料的密度。在高強鋁合金方面，八十年代末至九十年代中期，通過對7000系鋁合金多級時效過程的系統研究，Alcoa公司成功研制了7150合金的T77熱處理狀態，從而研制成功了7150-T77合金板材和擠壓件，第一次在鋁合金中不犧牲合金強度，同時滿足具有4艮高的斷裂韌性、優異的抗疲勞性能和抗腐蝕性能的目標；7150-T77合金成為第一個真正意義上的高性能鋁合金，該合金厚板在LT方向的抗拉強度典型值在630MPa以上，斷裂韌性32MPa.m1/2，剝落腐蝕EA級，合金還具有優異的淬透性和抗疲勞性能。隨著主合金成分優化和精確控制技術的發展，Alcoa緊接著通過降低Fe、Si等雜質含量、添加微合金化元素、優化主合金成分及采用先進的熱處理制度等途徑，研制成功了兩個高性能的鋁合金超高疲勞強度的耐損傷2524-T3薄板及板材和超高強度的7055-T77合金板材和擠壓件。九十年代中期至今，由于Ag在2000系鋁合金中微合金規律和機制的發現，美國開始致力于未來高速飛機耐熱蒙皮鋁合金的研制；隨著Sc在鋁合金中微合金機理研究的不斷深入，Alcoa正在研制一個新的含Sc高強度超塑成形7000系合金。由于高強鋁合金的主要合金元素為Zn或Cu，這使得高強鋁合金的密度偏大，比強度、比剛度的潛力發揮仍然有限。在鋁基復合材料研究方面，目前人們普遍關注的是SiC、TiC顆粒的增強作用。然而，雖然SiC、TiC顆粒增強的鋁基復合材料具有較好的強度、硬度、剛度等性能指標，但是其比重較大，無減重效果。在追求輕質方面，目前在研究領域一般對Mg合金和A1-Li合金給予了充分的重視。鋰是最輕的合金元素，鋁合金中添加鋰后，可獲得時效強化效果，比重可降低10%,比剛度則可提高10°/。中等強度鋁鋰合金的強度可與2014-T6、T8相當，高強度的可與7075-T7相當，這樣比強度就可提高約10%，這對航空航天及汽車等工業具有很大吸引力。但由于鋁鋰合金冶煉工藝復雜、成本高，限制了其大量使用。雖然鎂合金具有比鋁合金更小的密度，但化學活性高、耐腐蝕性差以及塑性較低等缺點制約了其在工業中的廣泛應用。純Mg的比重為1.74g/cm3，在鋁合金中大幅提高Mg的含量，對鋁合金的減重具有很好的效果。然而，鎂含量的大幅增加會導致傳統鑄造工藝方法制備的鋁合金塑性、韌性顯著下降，應力腐蝕敏感性上升，其原因是由于一次P相的出現以及過飽和固溶體時效中(3相的沿晶界沉淀傾向。常用的5000系防銹鋁合金含鎂量一般低于6%,個別高達8.3一9.6%(國內LF12)，含鎂量高于10%的鋁合金未見實際應用。如何設計、控制p相的形態與分布，改善其塑性、韌性和組織穩定性等，是研發高鎂含量鋁合金的關鍵性技術問題
發明內容本發明的目的在于解決傳統鑄造方法制備的高鎂含量鋁合金由于一次J3相的出現以及過飽和固溶體時效中p相的沿晶界沉淀析出所導致的塑性、韌性大幅下降，應力腐蝕敏感性上升問題。提供一種低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法。本發明采用粉末冶金方法制備A1-Mg合金，減少中間相對基體的割裂作用，使得鎂的加入起到減重的同時盡可能減少對基體的強度的影響。本發明的低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法采用如下技術方案實現選擇霧化球形純Mg粉(D5。=10nm-40|im)、霧化純A1粉(平均直徑〈2pm)及微合金化元素Be粉末作為原始材料，按Mg:Al:xBe=(85-x):15:x(質量比)混合均勻后利用真空熱壓燒結方法，采用合理的燒結工藝參數獲得低密度高性能高鎂復合鋁合金。具體步驟如下對粉體進行(低溫烘干)等預處理，而后按所需比例進行粉體的混和，放于氬氣保護球磨罐中，利用行星式球磨機進行混和，轉速在160-180r/min，混和30min，氬氣保護取粉，裝于①15的才莫具中，置于真空燒結爐中進行加壓燒結，燒結過程中真空度在5xl(TPa，燒結溫度控制在420-500。C,壓力控制在150200MPa，燒結時間控制在2.5~3h。獲得樣品后進行組織與性能分析測試。本發明的低密度高性能高鎂復合鋁合金的合金脆性和合金強化解決途徑為(l)通過調整a-Al固溶體Mg的含量及通過微合金化，可以使基體得至'J很好的強度與塑性搭配，復合合金的性能主要通過基體來實現。通過粉體比例的調整可使得合金韌、塑性在一定范圍內變化。若復合粉體對合金帶來脆化、弱化現象，則可以通過添加適量的Be元素來改善復合粉體的性能。高Mg含量鋁合金加入Be后，根據三元相圖分析，其相組成為ot-Al+|3+Be。a_Al、Be都有比p相優異的韌性，因此粉體的性能得到改善，并且Be的比重為本1.8，對合金的整體密度影響不大；由于在一個顆粒中生成三種相，則一次(3相得到細化，對于整體合金的性能帶來有利影響；另外，高鎂顆粒中a-Al與基體低鎂a-Al在燒結過程中的相互擴散時產生連續的界面，有利于復合后整體性能的改善。采用快速凝固方法可以抑制和減少脆性P相的形成和數量，也有細化晶粒的作用，也將有利于強度的提高與韌性的改善。(2)高鎂鋁合金的強化主要通過快速凝固細晶強化、合金化所產生的固溶強化強化以及后處理工藝所引起的形變強化和微合金時效強化等強化途徑來實現。另外，若復合粉體的脆性不足以引起韌性的大幅度降低，則可通過調節其比例，起到復合強化的作用。(3)強韌化關系的協調，依靠粉體混合比例調整、基體Mg含量和微量元素調整、復合粉體中Be元素的加入來進行。本發明的優點在于采用合理的合金粉末成分設計和復合燒結工藝，實現傳統凝固工藝無法實現的a-A1-13(或y)的組織形態、組成的設計，實現了高鎂鋁合金的低密度和強韌化的良好協調。本發明所制得的高鎂復合鋁合金的密度小于2.6g/cm3，抗拉強度大于300Mpa,具有低密度和高比強度的特性。原始粉體的形貌的選擇以及工藝方法避免傳統鑄造成型所出現的一次P相，微合金化有益于調節強韌關系，從而是鎂含量的大幅提高起到減重的作用。解決了困擾鑄造高鎂含量鋁合金工業應用的合金脆性和合金強化的關鍵技術難題。圖1是本發明用霧化純Al粉和純Mg粉及微合金化元素在42(TC復合制備的Al-Mg合金的顯微組織圖2是本發明用霧化純Al粉和純Mg粉及微合金化元素在50(TC復合制備的Al-Mg合金的顯微組織圖3是某較大顆粒鎂粉燒結過程形成的層狀結構；圖4是本發明具體工藝步驟的框圖。具體實施例方式實施例參照圖1-3,本發明采用平均粒度為2)am的球形純鋁粉及D5。<10|am的球形純鎂粉作為原料，以Mg:Al:xBe=(85-x):15:x(質量比)在球磨機中對氬氣保護粉末混和30min,然后對混和粉體在真空中進行熱壓燒結，燒結溫度為420匸和50(TC,壓力約為150Mpa，燒結時間為2~3h,燒結結束后對一組樣品進行致密度測試和抗拉強度測試，所獲得的數據如表1所示。表l:42(TC熱壓燒結樣品密度及性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權利要求1、一種低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法，其特征在于在鋁合金中引入高含量的Mg，目的在于大幅降低合金密度，同時盡可能減小對合金強度和韌性的影響。2、如權利要求1所述的低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法，其特征在于選擇霧化球形純Mg粉、霧化純鋁粉、霧化A1-Mg合金粉及微合金化元素粉末作為原始材料，利用真空熱壓燒結方法，可以方便的調整Mg含量10-20wt。/o和添加孩支合金化元素。3、如權利要求1所述的低密度高性能高鎂復合鋁合金的熱壓燒結方法，其特征在于針對具體合金成分，采用真空熱壓燒結，壓力在150-300Mpa,燒結溫度在420-500°C，保溫時間為2.5-3h，通過上述工藝條件獲得所需的合金微觀組織。全文摘要本發明涉及低密度高性能高鎂復合鋁合金的制備方法。選擇霧化球形純Mg粉、霧化純鋁粉及微合金化元素粉末作為原始材料，按一定比例混合均勻后利用真空熱壓燒結方法，采用合理的燒結工藝參數獲得本發明的低密度高性能高鎂復合鋁合金。該高鎂復合鋁合金的密度小于2.6g/cm³，抗拉強度大于300MPa，具有低密度和高比強度的特性。原始粉體的形貌的選擇以及工藝方法避免傳統鑄造成型所出現的一次β相，微合金化有益于調節強韌關系，從而是鎂含量的大幅提高起到減重的作用。解決了困擾鑄造高鎂含量鋁合金工業應用的合金脆性和合金強化的關鍵技術難題。文檔編號C22C21/06GK101660075SQ20091018753公開日2010年3月3日申請日期2009年9月22日優先權日2009年9月22日發明者利張,徐前剛,杜興蒿,武保林,王洪順,趙玉華申請人:沈陽航空工業學院