CN117778911A - 一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其涉及一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺。工艺步骤为：将6082铝合金进行520‑560℃高温固溶，之后进行水冷冷却至室温；将固溶冷淬的材料进行约束变形；最终对约束形变的材料进行时效处理，从而获得具有梯度异质结构的微观组织。得到的铝合金抗拉强度大于410MPa，断裂延伸率大于15％。经过模具约束变形处理的铝合金具有较高塑性的同时明显提升了其强度，具有良好的强度和塑性匹配。生产工艺简单可控，处理效率高，工序时间短，节省了生产成本，制备的铝合金强度和塑性得到协同提高，使之满足航空航天、汽车等领域的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其涉及一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺。
背景技术
轻量化是解决汽车环境污染、能源短缺和交通事故等问题的有效方法之一，具有环保和可持续发展等优势。铝合金是轻量化的首选金属材料，因为它具有密度小、比强度和比刚度高、良好的成形性和耐腐蚀性以及可回收利用等一系列优点，因此正在逐渐取代传统钢材在汽车车身和零部件上的应用。这也意味着对铝合金的力学性能和加工性能有更高的要求，无论是用于承受载荷的材料替代钢材，还是用于其他结构材料的用途，提高铝合金的强度和塑性都是首要解决的问题。6082铝合金是一种可热处理强化的铝合金，通过车身板的烘烤过程，可以进一步提高板材的强度，因此非常适合用作车身外板，以提高抗冲击能力。
目前，制备梯度组织的材料主要采用表面处理方法，例如激光喷丸、干式喷涂+温度梯度烧结法、超声表面滚压等。然而，这些方法要么工艺复杂，要么设备要求高。虽然能够成功制备具有梯度组织的材料，但受到成本高、效率低以及产品尺寸受限等问题的制约。目前，这些方法主要仍处于实验室研究阶段，实现广泛应用仍面临一定的困难。对于铝合金而言，若用简单的制备工艺中实现梯度材料的制备，不仅能大大提升变形铝合金的综合力学性能，还有利于促进铝合金的进一步广泛应用。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，提出一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺。
本发明提出一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，以商业6082铝合金为原料，原料中各组分质量百分比含量为0.92％的Si、0.35％的Fe、0.55％的Mn、0.76％的Mg、0.066％的Cu、0.017％的Cr、0.019％的Zn、0.027％的Ti，余量为Al和杂质，上述原料化学成分符合GB/T 3190-2020要求的范围；制备步骤如下：
S1、将6082铝合金进行固溶处理，随后冷淬至室温，使得强化相完全固溶于基体；
S2、将S1中试样进行约束形变，形变累积量在40-80％之间；
S3、将S2中试样进行时效处理，得到具有梯度结构的铝合金；梯度结构铝合金材料的表面至芯部具有从超细晶的组织逐渐变为粗晶的组织。
优选的，S1中固溶处理温度为520-560℃，保温时间为：0.5-2.5h。
优选的，S1中进一步回溶第二相获得过饱和固溶体。
优选的，S1中淬火为水淬，且其温度不超过35℃，整个淬火过程控制在10s以内。
优选的，S3中时效处理温度为80-170℃，保温时间为16min-144h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
一、本发明通过对铝合金样品进行约束形变处理，导致显微硬度由外到内也呈现递减的变化，同时在表面组织密度增大的情况下，芯部组织仍然能保留原始态的晶粒尺寸，进而制备出高强度高塑性的铝合金材料，实现强度和塑性的良好匹配。梯度结构铝合金材料的抗拉强度≥410MPa，同时断裂+延伸率为≥15％，与传统的时效强化工艺相比较，经过模具约束变形处理的铝合金具有较高塑性的同时明显提升了其强度，因此，经约束形变热处理的铝合金具有与原始结构相当的塑性，同时提高了强度，具有良好的强度和塑性匹配。
二、本发明制备的高强度高塑性铝合金，生产工艺简单可控，处理效率高，工序时间短，节省了生产成本，制备的铝合金强度和塑性得到协同提高，使之满足航空航天、汽车等领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明通过实施例2制备铝合金板材的金相图；
图2为本发明通过实施例5制备铝合金板材的金相图；
图3为本发明通过对比例2制备铝合金板材的金相图；
图4为本发明通过对比例2制备铝合金板材的金相图；
图5为本发明通过对比例3制备铝合金板材的金相图；
图6为实施例1、2、3维氏硬度沿径向的梯度分布图；
图7为实施例4、5、6维氏硬度沿径向的梯度分布图；
图8为实施例2、5以及对比例1、2、3的力学性能图。
具体实施方式
本发明涉及的铝合金，以商业6082铝合金为原料，原料中各组分质量百分比含量为0.92％的Si、0.35％的Fe、0.55％的Mn、0.76％的Mg、0.066％的Cu、0.017％的Cr、0.019％的Zn、0.027％的Ti，余量为Al和杂质，上述原料化学成分符合GB/T 3190-2020要求的范围。下述实施例中使用的6082铝合金产品规格是130*20*11mm。
实施例1
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中。将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温。固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为40-50％的梯度结构形变铝合金。而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为80℃，保温时间为96h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料采用显微硬度计进行测试，通过图6所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线。
实施例2
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中。将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温。固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为40-50％的梯度结构形变铝合金。而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为80℃，保温时间为120h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料在金相显微镜下观察，其显微组织如图1所示，其组织边部超细晶晶粒区域，随着深度的增加，逐渐过渡到约束层的宽、粗的粗晶晶粒区域。通过与图3进行比较，可知锻造过程中其芯部组织仅受到少许力的渗透，维氏硬度如图6所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线。将上述步骤得到的梯度结构铝合金进行室温单向拉伸试验，由图8也可知，少许力的渗透并不会影响材料的塑性降低，获得具有梯度结构的铝合金室温拉伸抗拉强度为351.92MPa，断裂延伸率为14.39％。
实施例3
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将所述的6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中。将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温；固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为40-50％的梯度结构形变铝合金。而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为80℃，保温时间为144h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料采用显微硬度计进行测试，通过图6所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线。
由图6可知，通过实施例一、二、三可制备具有40％变形量梯度结构的6082铝合金，其时效温度为80℃，时间为96h-144h。
实施例4
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中。将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温。固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为70-80％的梯度结构形变铝合金。而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为95℃，保温时间为72h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料采用显微硬度计进行测试，通过图7所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线。
实施例5
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中。将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温。固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为70-80％的梯度结构形变铝合金。而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为95℃，保温时间为96h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料在金相显微镜下观察，显微组织如图2所示，从图2中可以看出材料表面形成了超细晶区域，随着深度的增加，逐渐过渡到约束层的宽、粗的粗晶晶粒区域，形成了具有梯度结构的铝合金材料；将维氏硬度如图7所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线；上述制得的梯度结构铝合金进行室温单向拉伸试验，力学性能如图8所示，获得合金室温拉伸抗拉强度为413.03MPa，断裂延伸率为15.05％。
实施例6
本发明提出的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，将6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中；将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温；固溶后的样品进行约束变形，制备出变形量为70-80％的梯度结构形变铝合金；而后将约束变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为95℃，保温时间为120h，获得具有梯度结构的铝合金材料。
将本实施例得到的材料采用显微硬度计进行测试，通过图7所示，其硬度呈现表面硬度高，芯部硬度较低的曲线。
由图7可知，通过实施例四、五、六可知制备具有70％变形量梯度结构的6082铝合金，其时效温度为95℃，时间为72h-120h。
对比例1
将所述的6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中；将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温；固溶后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为160℃，保温时间为12h。
将本实施例得到的型材在金相显微镜下观察，其显微组织如图3所示，从图中可以看出，所得铝合金材料，整体为粗、宽的粗晶晶粒；将其进行室温单向拉伸试验，力学性能如图8所示，获得合金室温拉伸抗拉强度为293.72MPa，断裂延伸率为15.01％。因此，普通热处理的铝合金虽然具有良好的拉伸塑性，但其抗拉强度较低。
对比例2
将所述的6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中；将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温；固溶后的样品进行自由变形，制备出完全变形40％的样品；而后将自由变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为80℃，保温时间为120h。
将本实施例得到的型材在金相显微镜下观察，其显微组织如图4所示，从图中可以看出，所得铝合金材料，整体为超细晶粒；将本实施例热处理完全变形铝合金进行室温单向拉伸试验，力学性能如图8所示，获得合金室温拉伸抗拉强度为354.27MPa，断裂延伸率为8.91％。因此，完全变形热处理的铝合金虽然具有良好的抗拉强度，但其塑性较低。
对比例3
将所述的6082铝合金置于温度为540℃的电阻炉内进行固溶处理，保温2h，促使析出相重新融入铝合金基体中；将保温后的6082铝合金进行水冷冷却至室温；固溶后的样品进行自由变形，制备出完全变形70％的样品；而后将自由变形后的样品进行时效热处理，时效工艺为：采用温度为95℃，保温时间为72h。
将本实施例得到的型材在金相显微镜下观察，其显微组织如图5所示，从图中可以看出，所得铝合金材料，整体为更加细长的晶粒；将得到的材料进行室温单向拉伸试验，力学性能如图8所示，获得合金室温拉伸抗拉强度为420.32MPa，断裂延伸率为6.42％。因此完全变形热处理的铝合金虽然具有良好的抗拉强度，但其塑性较低。
结果表明，本发明提出的通过对铝合金样品进行约束形变处理，导致显微硬度由外到内也呈现递减的变化，同时在表面组织密度增大的情况下，芯部组织仍然能保留原始态的晶粒尺寸，进而制备出高强度高塑性的铝合金材料，实现强度和塑性的良好匹配。梯度结构铝合金材料的抗拉强度≥410MPa，同时断裂+延伸率为≥15％，与传统的时效强化工艺相比较，经过模具约束变形处理的铝合金具有较高塑性的同时明显提升了其强度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
Claims (5)
1.一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，以商业6082铝合金为原料，原料中各组分质量百分比含量为0.92％的Si、0.35％的Fe、0.55％的Mn、0.76％的Mg、0.066％的Cu、0.017％的Cr、0.019％的Zn、0.027％的Ti，余量为Al和杂质，上述原料化学成分符合GB/T 3190-2020要求的范围；其特征在于，制备步骤如下：
S1、将6082铝合金进行固溶处理，随后冷淬至室温，使得强化相完全固溶于基体；
S2、将S1中试样进行约束形变，形变累积量在40-80％之间；
S3、将S2中试样进行时效处理，得到具有梯度结构的铝合金；梯度结构铝合金材料的表面至芯部具有从超细晶的组织逐渐变为粗晶的组织。
2.根据权利要求1所述的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，其特征在于，S1中固溶处理温度为520-560℃，保温时间为：0.5-2.5h。
3.根据权利要求1所述的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，其特征在于，S1中进一步回溶第二相获得过饱和固溶体。
4.根据权利要求1所述的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备工艺，其特征在于，S1中淬火为水淬，且其温度不超过35℃，整个淬火过程控制在10s以内。
5.根据权利要求1所述的一种具备梯度结构高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，S3中时效处理温度为80-170℃，保温时间为16min-144h。
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