專利名稱：一種鋁合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料技術領域，尤其涉及一種鋁合金及其制備方法。
背景技術：
鋁合金是以鋁為基礎的合金總稱，主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅或錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻或鋰等。鋁合金分為兩大類鑄造鋁合金和變形鋁合金，其中變形鋁合金能夠承受壓力加工，力學性能高于鑄態鋁合金，因此在工業上得到了廣泛應用。變形鋁合金主要用于制造航空器材、日常生活用品和建筑用門窗等。變形鋁合金中的7系鋁合金由于具有強度高、硬度高、密度低和熱加工性能好的優點，因此在航空航天領域作為主要的結構材料并得到廣泛應用。現有技術中7系鋁合金中除了添加元素鋅、鎂、銅外，還添加了微量元素鈷、鉻、 硅、錳等，微量元素的添加能夠起到增強相的作用，但是添加微量元素會增加成本，同時微量元素的添加量也難以控制，若微量元素添加過量就會使合金變脆，影響鋁合金的力學性能，從而增加了制備鋁合金的難度。目前，國內采用鑄造技術制備的7系鋁合金的微觀組織比較粗大。此外合金中起主要增強作用的MgZn2相析出時比較粗大、不均勻，且在高溫下極易粗化、聚集，從而導致該合金的強度性能不理想。同時由于軟硬質點分布不均衡也導致硬度出現不均勻的現象。因此現有技術制備的7系鋁合金的強度只能達到530MI^左右，硬度只能達到130HB左右，較低的強度和硬度很難滿足現代工業發展對高性能鋁合金材料的不斷需求。目前，研究者通常會采用不同的制備技術來提高7系鋁合金的強度和硬度。半固態金屬成形技術是一種新興的制備技術，半固態金屬成形技術分為半固態漿料的制備和半固態金屬加工兩部分。根據加工工藝不同，半固態金屬加工又可分為觸變加工和流變加工。 半固態金屬成形技術具有很多優點，和普通的壓力鑄造相比，它所制備的材料的微觀結構更均一，更少形成氧化物雜質。但是傳統的半固態金屬成形技術前期的半固態漿料的制備過程中易出現添加物與母液重力分層和攪拌時氣體夾雜的問題。添加物與母液重力分層和氣體夾雜都會影響合金的微觀結構，使合金組織不均勻，進而影響鋁合金的力學性能。

發明內容
本發明解決的技術問題在于提供一種鋁合金及其制備方法，通過本發明提供的方法使鋁合金的強度和硬度得到提高。本發明提供一種鋁合金的制備方法，包括以下步驟a)將鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉高能球磨1. 5h 2. 5h,得到混合粉末，所述混合粉末包括2 6wt%的鋅，1 3wt%的鎂，1 2wt%的銅和89 95wt%的鋁；b)將所述混合粉末加壓成型，得到坯體；c)將所述坯體在惰性氣體保護下加熱，加熱溫度為600 640°C，保溫3 5分鐘， 加熱后再次加壓，得到鋁合金。
優選的，所述鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉的粒度小于1微米。優選的，b)中所述加壓的壓力為300 400MPa。優選的，c)中所述加熱溫度為620 640°C。優選的，c)中所述惰性氣體為氬氣。優選的，c)中所述再次加壓的壓力為200 400MPa。一種鋁合金，其特征在于，按重量百分比計，由如下成分組成鋅2 6%;鎂1 3%;銅1 2%;鋁89 95%。與現有技術相比，本發明采用高能球磨對原料進行混合，獲得了均勻細小的顆粒， 同時球磨過程中嚴格控制球磨時間，能夠保證混合粉末充分破碎和混合均勻，并且混合粉末具有適度的活性易于后續的操作。高能球磨過程中，原料充分混合和破碎均勻，有效地避免了現有的半固態漿料制備過程中存在的重力分層和氣體夾雜的問題。為了避免高能球磨后的得到的顆粒過度氧化，同時保證產品的微觀組織細小均勻，本發明隨后采用了半固態觸變加工技術，該方法時間較短，有效地避免了顆粒氧化影響產品性能的問題。同時，本發明還在半固態觸變加工過程中通過對加熱溫度、保溫時間和加壓壓力的控制，使增強相顆粒和基體組織有效鍵合，并且有效地抑制了增強相顆粒和基體組織的長大過程，最終得到微觀組織細小均勻的鋁合金。


圖1為本發明實施例1制備的鋁合金的掃描電鏡照片；圖2為本發明實施例1制備的鋁合金的增強相顆粒Al2Mg3Zn3的面掃描圖譜；圖3為本發明實施例1制備的鋁合金的增強相顆粒MgZn2的面掃描圖譜。
具體實施例方式為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。本發明實施例公開了一種鋁合金的制備方法，包括以下步驟a)將鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉高能球磨1. 5h 2. 5h,得到混合粉末，所述混合粉末包括2 6wt%的鋅，1 3wt%的鎂，1 2wt%的銅和89 95wt%的鋁；b)將所述混合粉末加壓，得到成型的坯體；c)將所述坯體在惰性氣體保護下加熱，加熱溫度為600 640°C，保溫3 5分鐘， 加熱后再次加壓，得到鋁合金。本發明采用高能球磨制粉和半固態觸變加工技術相結合的方法制備鋁合金。其中，步驟a)是鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉高能球磨的過程。高能球磨是一個高能量干式球磨過程，它是在高能量磨球的撞擊研磨作用下，使研磨的粉末之間發生反復的冷焊和斷裂，形成細化的復合顆粒，發生固態反應形成新材料的過程。球-粉末-球的碰撞引起塑性粉末的壓扁和加工硬化，當被壓扁的金屬粒子重疊時，原子級潔凈的表面緊密地接觸，發生冷焊， 形成由各組分組成的多層的復合粉末粒子，同時發生復合粉末粒子的斷裂。冷焊和斷裂不斷重復，有效地“揉混”復合粉末的內部結構，其不斷細化并越來越均勻，形成均勻細化的復合顆粒。本發明的鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉經過高能球磨后，得到了細小均勻的復合金屬顆粒。步驟b)和步驟C)是對高能球磨后的復合顆粒進行半固態觸變加工的過程。半固態觸變加工技術是將成型的坯體重新加熱至金屬的半固態溫度區，得到半固態金屬坯體， 再將半固態金屬坯體進行加壓，得到最終的金屬制品。按照本發明，高能球磨后的復合顆粒加壓成型后，半固態觸變加工技術使成型的坯體處于固液并存的狀態，坯體的微觀組織長大，隨后的加壓又能使增強相顆粒和基體組織達到有效鍵合，同時抑制增強相顆粒和基體組織的長大過程，最后得到細化的微觀組織。本發明采用高能球磨制粉和半固態觸變加工技術相結合的方法制備了鋁合金，制得的鋁合金的微觀組織細小均勻，最終實現了強度和硬度的提高。高能球磨混合過程中，為了獲得更加細小均勻的復合顆粒，作為優選方案，本發明所述鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉的粒度小于1微米。對于高能球磨混合的方式可以采用本領域技術人員熟知的方法，如將混合粉末置于高能球磨罐中進行混合。本發明高能球磨時間為1. 5h 2. 5h，作為優選方案，高能球磨時間為2小時。若球磨時間過短，則得到的粉末的粒度不夠細，顆粒表面活性不足，鋅原子、鎂原子和銅原子不能完全進入鋁晶格，最終導致合金性能降低；而球磨時間過長，粉末活性過高，稍見空氣易氧化著火，粉末取不出來，導致后續操作無法進行。高能球磨2小時后，鋁粉、鋅粉、鎂粉和銅粉充分破碎和混合均勻，得到粒度足夠細的復合金屬顆粒，同時鋅原子、鎂原子和銅原子完全進入鋁晶格，形成表面活性高的鋁合金固溶體。因此通過高能球磨并嚴格控制球磨時間得到了均勻細小的復合金屬顆粒，有效地避免了現有的半固態漿料制備過程中存在的重力分層和氣體夾雜的問題。按照步驟a)得到了復合金屬顆粒，然后按照步驟b)和步驟C)進行半固態觸變加工。步驟b)是混合粉末加壓的過程，壓力優選為300 400MPa，對于加壓的方式可以采用本領域技術人員熟知的方法，如將混合粉末置于鋼模具中進行加壓，得到成型的坯體， 為后續的半固態觸變加工作準備。步驟c)是成型坯體加熱的過程，加熱保溫后成型的坯體處于固液并存的狀態，坯體的基體組織和析出的增強相顆粒開始長大，為隨后的再次加壓奠定基礎。加熱后再次加壓能夠使增強相顆粒與基體組織有效鍵合，同時又能抑制增強相顆粒和基體組織的長大過程，從而形成細小的增強相顆粒和基體組織。本發明高能球磨后的復合金屬顆粒的表面活性高，容易被氧化，因此為了防止復合金屬顆粒被氧化，必須在惰性氣體保護下對成型的坯體進行加熱。按照本發明，所述惰性氣體的具體例子如氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣和氡氣此類不活潑的氣體，但不限于此，本發明優選采用氬氣。對于加熱的方式可以采用本領域技術人員熟知的方法，如將成型的坯體置于馬弗爐中加熱。本發明的半固態加熱溫度為600 640°C，作為優選方案，加熱溫度為620 640°C。因為若溫度過高，坯體處于液相成分多于固相成分的狀態，施加壓力后坯體變形不均，破壞了均勻分散的狀態；若溫度過低，坯體處于固相成分多于液相成分的狀態，施加壓力后坯體抵抗力大，不容易變形，導致粉體間的結合不好。同樣對半固態保溫時間也需要控制，半固態保溫時間為3 5分鐘，若時間過長， 會使晶粒長大過快，破壞之前細小的分布狀態，影響最終的合金的性能；若時間過短，內部與外部溫場分布過大，整個坯體溫度不均勻，最后得到的合金的性能不均勻。因此必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，才能保證成型的坯體處于固液并存的狀態，同時使坯體析出的增強相顆粒和基體組織長大均勻，有利于后續的加壓過程。隨后加熱后的再次加壓，壓力優選為200 400MPa。加熱后再次加壓能夠保證固液并存的坯體發生變形，使顆粒和顆粒之間結合，形成化學鍵，增強相顆粒和基體組織能夠達到有效鍵合，同時又能抑制增強相顆粒和基體組織的長大，從而得到細小均勻的微觀組
由上述方案可知，本發明為了獲得均勻細小的顆粒，使用高能球磨對原料進行混合，并嚴格控制球磨時間，以保證混合粉末充分破碎和混合均勻，同時具有適度的活性易于進行后續的操作。球磨過程中粉末充分破碎和混合均勻，有效地避免了現有的半固態漿料制備過程中存在的重力分層和氣體夾雜的問題。為了避免高能球磨后得到的顆粒過度氧化，同時使產品微觀組織細小均勻，本發明隨后采用了半固態觸變加工技術，該方法時間較短，避免了顆粒氧化影響產品性能的問題。同時，本發明還在半固態觸變加工過程中通過對加熱溫度、保溫時間和加壓壓力進行控制，使增強相顆粒和基體組織有效鍵合，并且有效地抑制了增強相顆粒和基體組織的長大過程，得到了微觀組織細小均勻的鋁合金。本發明還提供了一種鋁合金，按重量百分比計，由如下成分組成鋅2 6% ；鎂 1 3% ；銅1 2% ；鋁89 95%。本發明提供的鋁合金由上述方法制得，本發明提供的鋁合金只添加元素鋅、鎂、銅和鋁，而無其他微量元素的添加，可以有效的降低成本，同時也避免了微量元素添加量難以控制的問題，使鋁合金的制備過程更加簡便。添加的元素已經起到增強相的作用，不會影響鋁合金的力學性能。為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的鋁合金及其制備方法進行詳細描述，本發明的保護范圍不受以下實施例的限制。實施例1a)將0. 3克鋅粉，0. 1克鎂粉，0. 1克銅粉和9. 5克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加300MPa的壓力，得到成型的坯體；c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為600°C，保溫3分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加200MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例1制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。對實施例1制備的鋁合金進行掃描電鏡分析，圖1為本發明實施例1制備的鋁合金的掃描電鏡照片，通過圖1可以看出基體組織細小均勻；圖2為本發明實施例1制備的鋁合金的增強相顆粒Al2Mg3Zn3的面掃描圖譜，圖2中的紅點部分為鋁合金的增強相顆粒Al2Mg3Zn3,圖3為本發明實施例1制備的鋁合金的增強相顆粒MgZn2的面掃描圖譜，圖3中的綠點部分為鋁合金的增強相顆粒MgZrv通過圖2和圖3可以看出增強相顆粒Al2M^ai3 和MgZn2均勻彌散分布。實施例2a)將0. 4克鋅粉，0. 2克鎂粉，0. 2克銅粉和9. 2克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加320MPa的壓力，得到成型的坯體；c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為610°C，保溫4分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加250MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例2制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。實施例3a)將0. 5克鋅粉，0. 3克鎂粉，0. 2克銅粉和9克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加340MPa的壓力，得到成型的坯體；c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為620°C，保溫5分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加300MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例3制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。實施例4a)將0. 6克鋅粉，0. 3克鎂粉，0. 2克銅粉和8. 9克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加360MPa的壓力，得到成型的坯體；c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為630°C，保溫3分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加350MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例4制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。實施例5a)將0. 3克鋅粉，0. 2克鎂粉，0. 2克銅粉和9. 3克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加380MPa的壓力，得到成型的坯體；c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為640°C，保溫4分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加400MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例5制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。實施例6a)將0. 2克鋅粉，0. 2克鎂粉，0. 2克銅粉和9. 4克鋁粉在高能球磨罐中混合2小時后，得到混合粉末；b)將混合粉末置于鋼模具中施加400MPa的壓力，得到成型的坯體；
c)將成型的坯體置于馬弗爐中，在氬氣條件下加熱，加熱溫度為630°C，保溫5分鐘后，取出坯體置于熱模具中施加400MPa的壓力，得到最終的鋁合金。實施例6制備的鋁合金經拋光處理后，對其相對密度、拉伸強度和硬度進行測試， 結果見表1。表1本發明實施例提供的鋁合金的相對密度、拉伸強度和硬度的測試結果
組名相對密度(％)拉伸強度(MPa)硬度(HB )實施例199.7510158實施例299.6546160實施例399.5550163實施例498.9662167實施例598.5622168實施例699651168由測試結果可知，通過本發明提供的制備方法制備的鋁合金具有較高的拉伸強度和硬度，能夠滿足現代工業對高性能鋁合金材料的需求。以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
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權利要求
1.一種鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a)將鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉高能球磨1.5h 2. 5h，得到混合粉末，所述混合粉末由 2 6wt%的鋅，1 3wt%的鎂，1 2wt%的銅和89 鋁組成；b)將所述混合粉末加壓成型，得到坯體；c)將所述坯體在惰性氣體保護下加熱，加熱溫度為600 640°C，保溫3 5分鐘，加熱后再次加壓，得到鋁合金。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，a)中所述鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉的粒度小于1微米。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，b)中所述加壓的壓力為300 400MPao
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，c)中所述惰性氣體為氬氣。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，c)中所述加熱溫度為620 640°C。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，c)中所述再次加壓的壓力為200 400MPao
7.—種鋁合金，其特征在于，按重量百分比計，由如下成分組成 鋅2 6% ；鎂1 3% ； 銅1 2% ； 鋁89 95%。
全文摘要
本發明提供了一種鋁合金的制備方法，包括a)將鋅粉、鎂粉、銅粉和鋁粉高能球磨1.5h～2.5h，得到混合粉末，所述混合粉末包括2～6wt％的鋅，1～3wt％的鎂，1～2wt％的銅和89～95wt％的鋁；b)將所述混合粉末加壓成型，得到坯體；c)將所述坯體在惰性氣體保護下加熱，加熱溫度為600～640℃，保溫3～5分鐘，加熱后再次加壓，得到鋁合金。同時本發明提供了一種鋁合金，由2～6wt％的鋅，1～3wt％的鎂，1～2wt％的銅，89～95wt％的鋁組成。本發明采用高能球磨制粉和半固態觸變加工技術相結合的方法制備了鋁合金。本發明制備的鋁合金的強度高達662MPa，硬度高達167HB。
文檔編號C22C21/10GK102392161SQ201110368840
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者劉建偉, 湯華國, 趙偉, 馬賢鋒 申請人:中國科學院長春應用化學研究所