[发明专利]一种梯度结构铝合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度结构铝合金材料及其制备方法，将铝合金铸锭进行均匀化处理，线切割成棒材，然后固溶水淬处理，获得成分均匀的粗晶结构铝合金棒材，最后经扭转变形处理，获得梯度结构铝合金材料；所述铝合金棒材的晶粒尺寸≧100μm。本发明将铝合金铸锭进行均匀化处理，固溶处理获得成分均匀的粗晶结构的铝合金棒材，经扭转变形工艺，实现在高层错能金属中引入梯度分布的位错形变微结构，即位错密度表层最高而芯部最低，呈现由高到低的连续梯度变化，同时保留原始态的晶粒尺寸，在变形过程中，梯度结构之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变，通过位错强化及背应力强化获得强度与塑性的良好匹配，制备高强度高塑性的铝合金材料。

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种梯度结构铝合金材料及其制备方法。

背景技术

超高强铝合金的强化方式有很多种，近年的研究主要集中于优化合金成分设计、发展新型热处理制度及探索塑性变形工艺等方面，以改变合金的位错、晶粒、第二相、纳米析出相等微观组织的状态和分布，进而调控合金性能。在上述强化方式中，强度与塑性通常是互斥的，而如何协调强度与塑性二者之间的关系，获得高强度和高塑性是铝合金的重要研究方向。

近年来，科研工作者提出设计梯度结构合金的概念，使材料充分发挥不同区域组织的特点及优势，进而优化金属材料综合性能。与传统的均匀金属材料相比，金属梯度材料的设计是通过改变材料从芯部到表面的晶粒尺寸、缺陷、相等结构以提供强化作用，而材料在整体变形过程中，梯度层之间差异化的应力状态导致材料变形行为发生改变会产生独特的强韧化机制，由此实现对金属材料综合力学性能的调控。目前通过塑性变形产生的缺陷梯度结构大都应用于钢、Cu合金、高熵合金等金属体系，实现了增强、增韧效果，但缺乏相应的工艺制备出梯度结构强化的铝合金材料，而实现铝合金强度和塑性的协同提高是发展高性能铝合金材料亟需解决的重要科学问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度、高塑性梯度结构铝合金材料及其制备方法。本发明的工艺过程简单高效，通过扭转变形构筑梯度分布的微结构，实现铝合金材料强度的明显提升，并且使其延伸率保持较高水平。克服了现有铝合金制备过程中强度-塑性的“倒置”关系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种梯度结构铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：将铝合金铸锭进行均匀化处理，再线切割成棒材，然后固溶水淬处理，获得成分均匀的粗晶结构铝合金棒材，最后经扭转变形处理，获得梯度结构铝合金材料；所述铝合金棒材的晶粒尺寸≧100μm。

铝合金作为中高层错能材料，其塑性变形主要是通过位错的滑移来实现，因此本发明巧妙的通过扭转变形引入梯度分布的位错形变微结构，从而改善强、塑性，而发明人发现，只有采用粗晶结构的铝合金(晶粒尺寸≧100μm)，通过扭转制备梯度结构铝合金的晶粒尺寸较大，才能在提升强度时，同步提升塑性，而晶粒过小则会出现塑性的损失。

优选的方案，所述铝合金铸锭，按质量百分比计，其成分组成如下：锌 (Zn)5.7-6.7％；镁(Mg)1.9-2.6％；铜(Cu)2.0-2.6％；锆(Zr)0.08-0.15％；钛 (Ti)≤0.06％；锰(Mn)≤0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。

其中，杂质中铁(Fe)≤0.15％、硅(Si)≤0.12％。

本发明铝合金锭通过铸锭冶金法制备，按照上述配料成分采用合金原料或元素单质进行配料，经铸造所得铝合金锭即符合上述成分。

发明人发现，上述成分的铝合金最终经本发明的工艺处理后，力学性能最优。

优选的方案，所述均匀化处理的温度为460-480℃，均匀化处理的时间为 20-24h。

在本发明中，通过在上述范围内的均匀化处理，可以消除微观偏析，使得熔铸的第二相回溶完全，从而确保力学性能。