[发明专利]一种高强高韧Al-Mg-(Al-Ti-Nb-B)合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高韧Al‑Mg‑(Al‑Ti‑Nb‑B)合金及其制备方法，采用氟盐反应法和热挤压法制得包含MAl₃和MB₂的Al‑Ti‑Nb‑B合金杆，M代表Ti或Nb。Al‑Mg‑(Al‑Ti‑Nb‑B)合金各元素质量百分比为，9.5‑11.0％的Mg，0.005‑0.1％的Ti，0.005‑0.1％的Nb，0.001‑0.02％的B，余量为Al；Al‑Mg‑(Al‑Ti‑Nb‑B)合金的的物相为，NbAl₃、TiAl₃、TiB₂、NbB₂及MgB₂细化及强化物相中的一种及多种，其余为Al₃Mg₂及α‑Al相。其制备方法为：Al‑Ti‑Nb‑B合金锭和合金杆的制备；Al‑Mg合金熔体的熔炼和晶粒细化过程；铸态Al‑10Mg‑(Al‑Ti‑Nb‑B)合金的制备和固溶处理。所得Al‑Mg‑(Al‑Ti‑Nb‑B)合金的α‑Al相的晶粒尺寸小于102.6微米；最高室温屈服强度为184.9MPa，最高抗拉强度为402.3MPa，最高延伸率为35.2％。降低了生产成本，扩展了应用范围。

技术领域

本发明涉及有色金属材料及冶金领域，具体涉及一种高强高韧Al-Mg-(Al-Ti-Nb-B)合金及其制备方法。

背景技术

铸造铝合金由于其低密度、高比强度等优点而被广泛应用在航空航天、轮船以及汽车制造领域，其主要有Al-Si、Al-Cu、Al-Mg以及Al-Zn等体系。Al-Mg系合金密度小，切削性能好，具有很好的室温机械性能和耐蚀性。由于Mg在Al中最大固溶度可达14.9％且Mg原子半径比Al原子大13％，Mg大量溶入α固溶体，引起固溶强化作用，机械性能获得显著提升。当镁含量增加至9-10％，流动性较好，热裂倾向减少。其中的Al-10Mg合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点，被应用于海水承重件、汽车底盘结构件、5G手机中板等部件。但由于Al-10Mg合金组织中存在有β-Al₃Mg₂脆性相且晶粒粗大，导致塑性降低，影响其在航空航天、汽车制造等领域的应用。对合金进行晶粒细化处理，在获得晶粒细小的合金组织的同时可减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而可以提高合金的综合性能。

晶粒细化最常用且有效的细化方法是添加晶粒细化剂，现有文献1，(《ZL301-xRe合金组织及力学性能的研究》，吴健等人通过于Al-10Mg合金中添加Al-20RE的方式，改善Al-10Mg系合金的微观组织，细化粗大的α-Al；此外，适量添加稀土元素还可在晶界处形成弥散分布且尺寸细小(～11微米)的Al-RE相，进而钉扎晶界，防止晶间变形，提高合金抵抗裂纹扩展的能力。当Al-10Mg合金中RE质量百分比达0.6％时，其固溶处理状态下室温的抗拉强度为266.7MPa，延伸率为7.2％。

但该技术存在以下两个问题：1、过量的添加稀土元素会导致第二相数量增多、尺寸增大(～69微米)，对合金产生割裂作用，导致在服役过程中容易出现应力集中，发生开裂失效；2、稀土成本较高，添加稀土元素后的Al-10Mg合金综合力学性能不佳，限制了此技术的应用范围。

基于上述原因，采用一种应用范围广泛且成本较低的晶粒细化剂对Al-10Mg合金进行晶粒细化处理，可以解决成本较高且生成的Al-RE相粗大的问题。现有文献2，《Effectsof Zr,Ti and B on structure and tensile properties of Al–10Mg alloy(A520)》，Emamy等人通过于Al-10Mg合金中添加质量百分比为2％的Al-5Ti-B中间合金，将Al-10Mg合金中粗大的α-Al枝晶细化至约105微米，固溶处理后的室温抗拉强度为290MPa，延伸率为14％。