[发明专利]一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法，是在原料体系中加入稀土元素Sc、Zr用以合金化，经感应熔炼炉铸造、双级均匀化退火处理及等径角挤压变形，从而获得成品。本发明制备的铝合金材料出现难变形区和严重变形区，组织和性能呈现梯度分布，且本发明的方法工艺简单、操作方便、成本低廉。

技术领域

本发明属于铝合金制备技术，具体涉及一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法。

背景技术

随着全球环保形势愈发严峻，“碳达峰”、“碳中和”的目标给汽车行业带来了新的考验，汽车轻量化作为节能减排的重要措施成为汽车行业发展的大趋势。在汽车结构设计变革、新材料创新应用、新工艺新技术迭代更新等方面，轻量化给汽车制造业带来了翻天覆地的变化，越来越多的汽车行业机构和企业将其研究工业重点放在汽车轻量化上。

超高强度铝合金结构材料由于具有比强度、比刚度高等优异性能，正在逐渐的取代钢铁材料，在汽车上的应用越来越广泛。近年来，从合金元素、塑性变形以及热处理来提高铝合金综合性能的技术已经日益成熟，但对于铝合金梯度材料方面的研究还有待拓展。与传统的合金材料以及复合材料相比，梯度材料可针对不同的使用环境以及性能要求选择不同的成分梯度和结构梯度，使材料各自的特点和优势共同存在。目前，已有较多的材料成形技术可用来制备梯度材料，其主要针对的都是异种材料的连接，如激光选区熔化技术、等离子喷涂法、离心铸造法等。上述制备方法固然有诸多优点，但其在实际应用中通常受到许多限制。由于材料的不同，其具有的物理性质例如密度、热膨胀系数、熔点等存在差异，导致材料的致密性差，成形件的性能无法达到要求，还需要继续深入研究和努力探索。

因此，开发一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法来解决上述问题十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法，通过合理选择合金化元素、采用合适的热处理方法以及对合金施加大塑性变形，从而解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法，其特点在于包括如下质量百分比的各原料：锌(Zn)5.92～6.5wt％、镁(Mg)1.95～2.5wt％、铜(Cu)2.3～2.55wt％，钪(Sc)0.17～0.2wt％，锆(Zr)0.1～0.12wt％，余量为铝(Al)。将稀土元素Sc、Zr用以合金化，Sc、Zr的质量比为1.5～2.1：1。其它不可避免的微量杂质铁(Fe)≤0.12％、镍(Ni)≤0.06％、铬(Cr)≤0.04％、硅(Si)≤0.09％。

本发明的强化机理为：如图1所示为等径角挤压模具结构图(图1(a))及实物图(图1(b)))，经过等径角挤压变形后，合金横截面的应力呈现梯度分布，合金组织出现如图2所示的难变形区和严重变形区。与变形前相比，难变形区晶粒尺寸基本不发生改变，严重变形区的晶粒尺寸在长轴方向上与变形前的晶粒尺寸相同、但在短轴方向上与变形前相比显著缩短(如实施例1中缩短了58％)。在进行90°转角挤压变形后，合金组织难变形区三叉晶界处残留较大的含钪化合物，但在严重变形区中发现粗大含钪化合物明显减少，且尺寸变得细小。这是因为在塑性大变形过程中，晶粒受到剪切力的作用，剪切力的大小从下水平面往上逐渐增大，同时剪切倾斜角也在增大，这些晶粒受到的剪切力大小达到滑移系移动所需的最小切应力时，晶粒就被压缩、拉长，部分晶粒连带着晶间化合物发生破碎，沿着某一晶面或晶向移动，这些沿着同一方向移动的滑移面与滑移方向便可以组成多个滑移系，在滑移系不断迁移和晶间化合物不断被挤压破碎下，聚集在晶界的粗大化合物变得细化和分散。这些弥散细小的化合物钉扎在晶界处阻碍了晶界的位移，产生弥散强化，从而导致了强度的提高。由此，合金横截面强度呈梯度分布：从难变形区到严重变形区逐渐提高。

本发明高强度梯度微合金化铝合金材料的制备方法为：首先在感应熔炼炉中制备铝合金铸锭，待冷却后将所得到的铝合金铸锭进行双级均匀化退火处理，所得合金水淬冷却后进行等径角挤压变形，即得到高强度梯度微合金化铝合金材料。具体是按如下步骤进行：