專利名稱：一種超高強度塊體納米鋁合金的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鋁合金和納米材料制備技術領域，特別是提供了一種超高強度塊體納米鋁合金的制備方法。該材料可應用于航空、航天、軍工、機電、汽車和微型機械等領域的關鍵結構件。
背景技術：
塊體納米結構材料的研究和應用是納米材料發(fā)展的一個重要方向，對整個納米材料科學技術的進一步發(fā)展和應用具有舉足輕重的作用。雖然實驗室研究已經(jīng)證明納米結構材料的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)粗晶材料(張立德，牟季美，納米材料和納米結構，科學出版社，北京，2001，p260)，但是實驗室研究成果向工程應用的轉化進程卻明顯滯后。其中一個主要的障礙是塊體納米材料的制備成形技術沒有取得突破，即獲得具有納米結構的粉體和小樣品相對較容易，而獲得可以滿足實際結構應用要求的塊體材料卻困難的多。由納米粉體制備塊體材料，一般需要經(jīng)過一系列的致密化成形過程，其關鍵是在致密化過程中控制晶粒的長大，因此要求首先制備出具有較高熱穩(wěn)定性的納米粉體。近年來，低溫球磨技術在制備具有高度熱穩(wěn)定性的納米粉體方面取得了重要突破(D.Witkin，Z.Lee，R.Rodrigurz，S.Nutt，E.J.Lavernia.Scripta Mater.，2003；49297；F.Zhou，X.Z.Liao，Y.T.Zhu，S.Dallek，E.J.Lavernia，Acta Materialia，2003；512777)。申請人在發(fā)明專利“一種液氮低溫球磨制備高熱穩(wěn)定性納米粉體的方法”(申請?zhí)?00410000066.7)中詳細介紹了有關的技術細節(jié)。將該技術與中低溫強加工技術結合起來，可以制備出高性能的塊體納米結構材料。
鋁合金作為金屬材料中最典型的輕質材料，具有比重低、易加工、成本低等優(yōu)點，一直是一種關鍵的軍民兩用材料。以Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)系合金為代表的高強高韌鋁合金是20世紀三十年代在Al-Zn-Mg系合金的基礎上逐漸發(fā)展起來的，經(jīng)過數(shù)十年來不斷的進行成分優(yōu)化調整，同時結合對傳統(tǒng)鑄造及變形加工、后續(xù)熱處理工藝的不斷優(yōu)化改進，使合金的極限抗拉強度(σb)范圍從早期的500～580MPa提高至630～680MPa，同時材料的塑性、斷裂韌性和耐腐蝕性能也得到了提高。但隨著合金中的Zn含量增加，材料中的宏觀偏析和鑄錠過程中的熱裂傾向加大，嚴重影響到鑄錠的成材率和材料的最終使用性能。加上在鋁合金的傳統(tǒng)制備、成形與加工技術的研究開發(fā)方面沒有突破性進展，導致這類合金的極限抗拉強度(σb)很難突破700MPa大關。進入八十年代以來，隨著快速凝固等非平衡材料制備技術的實用化，使得開發(fā)新一代高強高韌鋁合金成為現(xiàn)實。
在超高強度高韌性鋁合金開發(fā)方面，以美國、日本、英國、德國、法國、意大利為代表的工業(yè)發(fā)達國家均在九十年代初采用先進的制備技術開發(fā)成功了含Zn量8重量％以上(最高達14重量％)、σb為780～810MPa、δ10為8～13％的新一代超高強鋁合金產(chǎn)品，并被用于制造核電站燃料生產(chǎn)工業(yè)關鍵設備中的結構件、航空航天器中的結構部件、高速列車關鍵結構件、汽車和其它體育競技器材中的零部件等。我國的高強高韌鋁合金是從仿制的基礎上發(fā)展起來的，受歷史條件的制約和其它各種因素的影響，低水平和仿制材料多，創(chuàng)新材料少。我國現(xiàn)在每年仍需耗費大量外匯進口所需的高強度鋁合金。還有相當多的高強鋁合金由于政治原因，不能進口。隨著我國進入WTO和使用高強高韌鋁合金產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，該類材料的需求量將急劇增加。
目前納米材料技術的快速發(fā)展為我國高性能鋁合金的發(fā)展提供了新的機遇。在現(xiàn)有鋁合金系列中選擇具有強度改善潛力的合金，利用機械合金化驅動“遠離平衡態(tài)”的效應，提高原有合金中的合金化元素含量并通過納米化處理使其性能大幅度提高，可以達到進一步提高鋁合金性能的目的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用液氮低溫球磨加中低溫強加工技術制備超高強鋁合金材料的方法。有利于促進我國納米材料技術的實際應用與發(fā)展，為其工程實際應用提供先進的材料基礎和技術儲備。
本發(fā)明的構成選用含Zn量大于8重量％的Al-Zn-Mg-Cu合金，用感應爐預制合金錠并用氣霧化方法獲得鋁合金粉體，然后采用液氮低溫球磨技術制備出高熱穩(wěn)定性的納米鋁合金粉體，最后利用中低溫強加工技術制備出超高強塊體納米鋁合金材料；具體方法如下1、選擇合金成分合金成分為9.5～11.0重量％Zn，2.7～3.2重量％Mg，1.7～2.2重量％Cu，0.1～0.2重量％Zr，0.1～0.2重量％Ni，其余為Al。本發(fā)明選用的Al、Zn、Mg、Cu、Zr和Ni分別為工業(yè)純Al，工業(yè)純Zn，工業(yè)純Mg，電解Cu，Al-Zr中間合金和Al-Ni中間合金。
2、預合金錠制備按上述合金成分進行配料，利用感應爐將合金料熔化并加熱至800～850℃保溫5-15分鐘使其均勻化。采用常規(guī)的鋁合金精煉除氣操作后澆鑄成預合金錠。
3、氣霧化制粉將上述預合金錠放入非真空氣霧化設備中。利用中頻感應爐加熱，升溫至800～850℃，采用常規(guī)的鋁合金精煉除氣操作后制取鋁合金粉。氣霧化工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體為氬氣或氮氣，霧化壓力為0.4～0.6MPa，導流管直徑為3.0～3.5mm。
4、低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米鋁合金粉體將低溫液體介質加入球磨環(huán)境中將極大地影響球磨過程。研究工作表明液氮溫度下的球磨導致原位形成納米尺度的氮氧化物。低溫球磨粉末中觀察到的明顯熱穩(wěn)定性被歸結為這些氮氧化物顆粒以及雜質原子產(chǎn)生的釘扎效應。
(1)球磨裝置的選用選擇立式轉子球磨機或高能臥式轉子球磨機進行球磨。
(2)球磨溫度低溫球磨液氮的溫度?？刂圃?110～-160℃之間。在較低的溫度下球磨可以使鋁合金變脆，有利于顆粒的破碎，獲得較小的納米晶尺寸。
(3)球磨時間球磨時間選為2～12小時。
(4)球料比球料比選擇為30～50∶1。
5、利用中低溫強加工技術制備出超高強塊體納米鋁合金材料(1)真空熱壓真空度為10-2～10-3帕，加熱溫度為400～550℃，壓力為200～500MPa。
(2)擠壓溫度為400～490℃，擠壓比為20～50∶1。
(3)固溶處理可采用單級固溶或雙級固溶。采用單級固溶時，固溶溫度為475～485℃，保溫時間3小時。采用雙級固溶時，固溶溫度分別為445～455℃和475～485℃、保溫時間分別為4.5～5小時和50～70分鐘。
(4)時效可采用單級時效或雙級時效。采用單級時效時，時效溫度為110～130℃，保溫時間為8～24小時。采用雙級時效時，時效溫度分別為110～130℃和170～190℃，保溫時間分別為8～24小時和50～70分鐘。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)規(guī)模，有利于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)；(2)設備簡單，工藝過程容易控制，綜合制備成本較低。


圖1是本發(fā)明的霧化Al-Zn-Mg-Cu合金粉末的形貌。
圖2是本發(fā)明的經(jīng)2小時15分鐘液氮球磨后形成的平均晶粒尺寸為39nm的Al-Zn-Mg-Cu合金粉末組織圖。
圖3是本發(fā)明的經(jīng)455℃/240MPa/40min真空熱壓獲得的塊體納米Al-Zn-Mg-Cu合金材料。
圖4是本發(fā)明的經(jīng)410℃、擠壓比為25∶1擠壓后的Al-Zn-Mg-Cu合金棒材。
具體實施例方式
實施例1合金成分為9.9重量％Zn，2.9重量％Mg，1.9重量％Cu，0.1重量％Zr，0.1重量％Ni，其余為Al。利用感應爐將合金料熔化并加熱至810℃保溫10分鐘使其均勻化。采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣，然后澆鑄成預合金錠。將上述預合金錠放入非真空氣霧化設備中。利用中頻感應爐加熱并升溫至800℃，采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣后制取鋁合金粉。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為0.4MPa，導流管直徑為3.1mm。
選取立式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為40∶1，球磨溫度為-120℃，球磨2小時15分鐘后形成平均晶粒尺寸為39nm的Al合金粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料。真空度為10-3帕，加熱溫度為450℃，壓力為284MPa。塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料平均晶粒尺寸為68nm。對上述塊體材料擠壓出試棒。加熱溫度為420℃，擠壓比為25∶1。采用單級固溶，固溶溫度為475℃，保溫時間為3小時。隨后進行單級時效，時效溫度為120℃，保溫時間為24小時。試棒極限抗拉強度為786MPa，延伸率為8％。
實施例2合金成分為10.2重量％Zn，3.1重量％Mg，1.9重量％Cu，0.1重量％Zr，0.1重量％Ni，其余為Al。利用感應爐將合金料熔化并加熱至830℃保溫10分鐘使其均勻化。采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣，然后澆鑄成預合金錠。將上述預合金錠放入非真空氣霧化設備中。利用中頻感應爐加熱并升溫至820℃，采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣后制取鋁合金粉。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為0.5MPa，導流管直徑為3.2mm。
選取立式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為35∶1，球磨溫度為-140℃，球磨7小時后形成平均晶粒尺寸為32nm的Al合金粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料。真空度為10-2帕，加熱溫度為500℃，壓力為368MPa。塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料平均晶粒尺寸為72nm。對上述塊體材料擠壓出試棒。加熱溫度為450℃，擠壓比為30∶1。采用雙級固溶，固溶溫度分別為450℃和480℃、保溫時間分別為5小時和1小時。隨后進行單級時效，時效溫度為120℃，保溫時間為10小時。試棒極限抗拉強度為860MPa，延伸率為6％。
實施例3合金成分為10.6重量％Zn，2.8重量％Mg，2.0重量％Cu，0.2重量％Zr，0.2重量％Ni，其余為Al。利用感應爐將合金料熔化并加熱至840℃保溫10分鐘使其均勻化。采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣，然后澆鑄成預合金錠。將上述預合金錠放入非真空氣霧化設備中。利用中頻感應爐加熱并升溫至840℃，采用常規(guī)的六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣后制取鋁合金粉。霧化氣體為氬氣，霧化壓力為0.6MPa，導流管直徑為3.3mm。
選取高能臥式轉子球磨機和不銹鋼球及罐，球料比為50∶1，球磨溫度為-150℃，球磨11小時后形成平均晶粒尺寸為29nm的Al合金粉。采用真空熱壓法獲得塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料。真空度為10-3帕，加熱溫度為550℃，壓力為500MPa。塊體Al-Zn-Mg-Cu合金材料平均晶粒尺寸為78nm。對上述塊體材料擠壓出試棒。加熱溫度為420℃，擠壓比為50∶1。采用單級固溶，固溶溫度為475℃，保溫時間為3小時。隨后進行雙級時效，時效溫度分別為120℃和180℃，保溫時間分別為12小時和1小時。試棒極限抗拉強度為910MPa，延伸率為5％。
權利要求
1.一種超高強度塊體納米鋁合金的制備方法，其特征在于選用Al-Zn-Mg-Cu合金為原料，其合金成分為9.5～11.0重量％Zn，2.7～3.2重量％Mg，1.7～2.2重量％Cu，0.1～0.2重量％Zr，0.1～0.2重量％Ni，其余為Al；用感應爐預制合金錠，并用氣霧化方法獲得鋁合金粉體，然后采用液氮低溫球磨制備出高熱穩(wěn)定性的納米鋁合金粉體，最后利用中低溫強加工技術制備出超高強塊體納米鋁合金材料。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于選用的Al、Zn、Mg、Cu、Zr和Ni分別為工業(yè)純Al，工業(yè)純Zn，工業(yè)純Mg，電解Cu，Al-Zr中間合金和Al-Ni中間合金。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的預制合金錠是指按上述合金成分進行配料，利用感應爐將合金料熔化并加熱至800～850℃，保溫5-15分鐘使其均勻化；然后采用常規(guī)的鋁合金精煉除氣操作后澆鑄成預合金錠。
4.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的用氣霧化方法獲得鋁合金粉體是將上述預合金錠放入非真空氣霧化設備中，利用中頻感應爐加熱，升溫至800～850℃，采用常規(guī)的鋁合金精煉除氣操作后制取鋁合金粉；氣霧化工藝參數(shù)為霧化氣體為氬氣或氮氣，霧化壓力為0.4～0.6MPa，導流管直徑為3.0～3.5mm。
5.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的低溫球磨制取高熱穩(wěn)定性的納米鋁合金粉體工藝為a、球磨裝置的選用選擇立式轉子球磨機或高能臥式轉子球磨機進行球磨；b、球磨溫度低溫球磨液氮的溫度控制在-110～-160℃之間；c、球磨時間球磨時間選為2～12小時；d、球料比球料比選擇為30～50∶1。
6.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的利用中低溫強加工技術制備出超高強塊體納米鋁合金材料的工藝為a、真空熱壓真空度為10-2～10-3帕，加熱溫度為400～550℃，壓力為200～500Mpa；b、擠壓溫度為400～490℃，擠壓比為20～50∶1；c、固溶處理采用單級固溶或雙級固溶；采用單級固溶時，固溶溫度為475～485℃，保溫時間3小時；采用雙級固溶時，固溶溫度分別為445～455℃和475～485℃、保溫時間分別為4.5～5小時和50～70分鐘。d、時效采用單級時效時，時效溫度為110～130℃，保溫時間為8～24小時；采用雙級時效時，時效溫度分別為110～130℃和170～190℃，保溫時間分別為8～24小時和50～70分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超高強度塊體納米鋁合金的制備方法，其特征在于選用Al－Zn－Mg－Cu合金為原料，其合金成分為9.5～11.0重量％Zn，2.7～3.2重量％Mg，1.7～2.2重量％Cu，0.1～0.2重量％Zr，0.1～0.2重量％Ni，其余為Al；用感應爐預制合金錠，并用氣霧化方法獲得鋁合金粉體，然后采用液氮低溫球磨制備出高熱穩(wěn)定性的納米鋁合金粉體，最后利用中低溫強加工技術制備出超高強塊體納米鋁合金材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)規(guī)模，有利于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)；設備簡單，工藝過程容易控制，綜合制備成本較低。
文檔編號B21C23/01GK1600466SQ20041000966
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權日2004年10月14日
發(fā)明者楊濱, 樊建中, 張濟山, 程軍勝, 田曉風, 熊柏青, 崔華, 張永安 申請人:北京科技大學