[发明专利]一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金及其复合材料，具体而言为涉及一种采用搅拌摩擦方法制备超细晶铝合金及其复合材料的方法。

技术背景

晶粒细化可以有效提高材料强度，同时对材料塑性和韧性也能有很大改善，因此晶粒尺寸小于1μm的超细晶材料应用潜力巨大；目前，超细晶材料的制备方法主要包括喷射沉积法、机械研磨法、机械合金化法、非晶晶化法、摩擦压扭法、电解沉积法、快速凝固法和强烈塑性变形法等；但是，上述方法由于各自的技术限制，如喷射沉积法工艺复杂、非晶晶化法实现非晶化过程比较困难等，目前还位能实现工业应用。

搅拌摩擦加工是一种全新的细晶材料制备技术，该方法利用搅拌头造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现材料显微组织的致密化、均匀化和细化；采用该技术制备晶粒尺寸为纳米级的细晶铝合金，其强度和塑性都得到很大提高；该方法的基本过程是：搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待处理材料；停留一段时间，搅拌头附近区域的材料得到足够的摩擦热而出现软化变形；此时可以进行处理，热塑化的材料不断被搅拌头向后转移，这部分材料在一定锻压力的作用下可以与周围材料形成牢固的扩散连接；搅拌摩擦加工过程中，在热和机械的双重作用下，材料发生剧烈的塑性变形和回复再结晶，促使晶粒细化，使材料组织均匀致密，缺陷减少；目前，该技术主要用于改善各种铸造合金的微观组织，从而提高合金的综合性能。

然而，研究表明，由于搅拌摩擦加工的加热方式为由一端进行加热，材料的加工厚度受到很大限制，目前加工的材料一般为板类，切厚度在10mm以下；同时，只有通过增加FSP道次来提高材料组织的均匀性和得到大范围的FSP材料，但仍不能得到完全意义上的组织分布均匀；从目前研究来看，在FSP的实现方式上未能脱离FSW模式，这就从根本上难于解决材料微观结构不均匀现象。因此，迫切需要开发基于FSP基本思想的材料制备新工艺，以突破组织均匀性和材料厚度的瓶颈。

发明内容

本发明提出一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，其原理是：通过对一定厚度的板材在厚度方向上进行摩擦加热，然后通过局部加压并采用跨越整个板材宽度的搅拌杆的搅拌作用，将板材的大平面部分连接在一起，在实现连接的同时实现材料组织的细化；该方法在材料整个宽度上加热，可实现搅拌细化的范围更大；而局部加压方式的采用，可以用更小的设备对需要连接的部分施加更大的压力，更加有利于搅拌杆的行走。

本发明提出一种制备超细晶铝合金及其复合材料的方法，具体而言为：首先将铝合金或者铝基复合材料制备成板材，然后将板材与一定厚度的相同材质的块体材料贴合，采用摩擦加热部件在压力作用下对板材进行加热，将板材与上述块体材料加热到指定温度，随后在板材与块体材料之间引入旋转的搅拌杆，摩擦加热部件与搅拌杆一起从板材一端向另一端移动，边施压边搅拌，直至搅拌杆移出材料；然后在上述板材的大平面上贴合上另一块相同材质的板材，重复上述过程实现连接，如此不断连接上新的板材，直到达到要求的厚度，去除最初的块体材料部分即得到块体细晶材料。

所涉及的板材，是指厚度为3~6mm、宽度为50~160mm的铝合金或者颗粒增强铝基复合材料板材。

所涉及的一定厚度的相同材质的块体材料，是指厚度为5~10mm，长度、宽度及材质与板材相同的铝合金或者铝基复合材料。

所涉及的摩擦加热部件，是指由5~8个可旋转的摩擦头组成的摩擦加热部件，摩擦头与板材贴合的一面做成目前搅拌摩擦加工轴肩常见的形状，如多道同心凸起圆环状，摩擦头的直径为9~18mm，相邻摩擦头之间相距1~2mm，板材越宽摩擦头个数越多。

所涉及的压力作用，是指将摩擦加热部件以0.5~5.0MPa的压应力贴合指定在板材的表面。

所涉及的加热到指定温度，是指通过摩擦加热部件对板材加热，并通过板材对块体材料进行加热，加热温度为0.8~0.9T_m，其中T_m为板材的熔点，单位是K。

所涉及的搅拌杆，是指直径4~8mm，带有标准螺纹的高速钢圆柱杆，搅拌杆的长度与板材的宽度相等，长度越长，直径越大。

所涉及的保温挡板，是指直径为8~15mm、厚度为10~15mm的由耐热保温材料，如耐火棉制作的挡板，两侧的保温挡板与搅拌杆做成一体，搅拌杆与保温挡板居中连接。