[发明专利]一种低密度高性能高镁复合铝合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低密度高性能高镁复合铝合金的制备方法，属于有色金属材料制备及应用技术领域。

背景技术

为满足航空、航天、汽车等结构减重的需求，而促使铝合金向更轻、更强并具有良好综合力学性能和耐蚀性能方向发展。高比强、高比刚材料可以通过两种途径来实现：一方面大力提高材料的强度，另一方面尽量降低材料的密度。在高强铝合金方面，八十年代末至九十年代中期，通过对7000系铝合金多级时效过程的系统研究，Alcoa公司成功研制了7150合金的T77热处理状态，从而研制成功了7150-T77合金板材和挤压件，第一次在铝合金中不牺牲合金强度，同时满足具有很高的断裂韧性、优异的抗疲劳性能和抗腐蚀性能的目标；7150-T77合金成为第一个真正意义上的高性能铝合金，该合金厚板在LT方向的抗拉强度典型值在630MPa以上，断裂韧性32MPa·m^1/2，剥落腐蚀EA级，合金还具有优异的淬透性和抗疲劳性能。随着主合金成分优化和精确控制技术的发展，Alcoa紧接着通过降低Fe、Si等杂质含量、添加微合金化元素、优化主合金成分及采用先进的热处理制度等途径，研制成功了两个高性能的铝合金：超高疲劳强度的耐损伤2524-T3薄板及板材和超高强度的7055-T77合金板材和挤压件。九十年代中期至今，由于Ag在2000系铝合金中微合金规律和机制的发现，美国开始致力于未来高速飞机耐热蒙皮铝合金的研制；随着Sc在铝合金中微合金机理研究的不断深入，Alcoa正在研制一个新的含Sc高强度超塑成形7000系合金。由于高强铝合金的主要合金元素为Zn或Cu，这使得高强铝合金的密度偏大，比强度、比刚度的潜力发挥仍然有限。在铝基复合材料研究方面，目前人们普遍关注的是SiC、TiC颗粒的增强作用。然而，虽然SiC、TiC颗粒增强的铝基复合材料具有较好的强度、硬度、刚度等性能指标，但是其比重较大，无减重效果。

在追求轻质方面，目前在研究领域一般对Mg合金和Al-Li合金给予了充分的重视。锂是最轻的合金元素，铝合金中添加锂后，可获得时效强化效果，比重可降低10％，比刚度则可提高10％。中等强度铝锂合金的强度可与2014-T6、T8相当，高强度的可与7075-T7相当，这样比强度就可提高约10％，这对航空航天及汽车等工业具有很大吸引力。但由于铝锂合金冶炼工艺复杂、成本高，限制了其大量使用。虽然镁合金具有比铝合金更小的密度，但化学活性高、耐腐蚀性差以及塑性较低等缺点制约了其在工业中的广泛应用。

纯Mg的比重为1.74g/cm³，在铝合金中大幅提高Mg的含量，对铝合金的减重具有很好的效果。然而，镁含量的大幅增加会导致传统铸造工艺方法制备的铝合金塑性、韧性显著下降，应力腐蚀敏感性上升，其原因是由于一次β相的出现以及过饱和固溶体时效中β相的沿晶界沉淀倾向。常用的5000系防锈铝合金含镁量一般低于6％，个别高达8.3-9.6％(国内LF12)，含镁量高于10％的铝合金未见实际应用。如何设计、控制β相的形态与分布，改善其塑性、韧性和组织稳定性等，是研发高镁含量铝合金的关键性技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决传统铸造方法制备的高镁含量铝合金由于一次β相的出现以及过饱和固溶体时效中β相的沿晶界沉淀析出所导致的塑性、韧性大幅下降，应力腐蚀敏感性上升问题。提供一种低密度高性能高镁复合铝合金的制备方法。

本发明采用粉末冶金方法制备Al-Mg合金，减少中间相对基体的割裂作用，使得镁的加入起到减重的同时尽可能减少对基体的强度的影响。

本发明的低密度高性能高镁复合铝合金的制备方法采用如下技术方案实现：选择雾化球形纯Mg粉(D₅₀＝10μm-40μm)、雾化纯Al粉(平均直径＜2μm)及微合金化元素Be粉末作为原始材料，按Mg∶Al∶xBe＝(85-x)∶15∶x(质量比)混合均匀后利用真空热压烧结方法，采用合理的烧结工艺参数获得低密度高性能高镁复合铝合金。

具体步骤如下：

对粉体进行(低温烘干)等预处理，而后按所需比例进行粉体的混和，放于氩气保护球磨罐中，利用行星式球磨机进行混和，转速在160-180r/min，混和30min，氩气保护取粉，装于Φ15的模具中，置于真空烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中真空度在5×10^-3Pa，烧结温度控制在420-500℃，压力控制在150～200MPa，烧结时间控制在2.5～3h。获得样品后进行组织与性能分析测试。

本发明的低密度高性能高镁复合铝合金的合金脆性和合金强化解决途径为：