本發(fā)明涉及一種鋁合金材料的制備工藝，更特別地說，是指一種采用等離子體噴射工藝制備高強鋁合金(2000系、7000系)的方法。

背景技術：

《金屬學報》第51卷第3期，2015年3月，第257-271頁，公開了“高強鋁合金的發(fā)展及其材料的制備加工技術”。文中介紹了：高強鋁合金一般指含銅2×××系、含鋅7×××系鋁合金，但后者依據(jù)強度的不同，也分為中強7×××鋁合金(如7020、7011、7051等)和高強7×××鋁合金(如7050、7010、7075等)。迄今為止，被廣泛應用于航空工業(yè)的鋁合金主要涉及2×××系(Al-Cu)和7×××系(Al-Zn-Mg-Cu)。

由于我國的制備技術及后續(xù)固溶、時效等熱處理過程的裝備及控制技術的落后，導致國產(chǎn)相同牌號高強鋁合金的微觀組織比較粗大，此外鋁合金中起主要增強作用的MgZn₂等金屬間化合物析出尺寸較粗大、不均一，從而導致該合金的強度性能不理想，較低的強度和硬度很難滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對高性能鋁合金材料的不斷需求?，F(xiàn)階段國內(nèi)用7xxx系高強鋁合金主要依賴于進口。

常規(guī)Al-Zn-Mg-Cu系高強鋁合金的制備過程比較復雜，第一步將鋁錠熔化后加入合金元素，通過攪拌使其合金化，澆鑄冷凝后得到鋁合金錠；第二步將鋁合金錠車掉氧化物外表皮，再將該鋁合金錠預熱后經(jīng)擠壓機擠出得到鋁合金棒，此時得到的棒材性能較低，不能直接使用；第三步將鋁合金棒在一定溫度下進行固溶處理；第四步對棒材在一定溫度下進行時效處理，使得金屬間化合物沉淀在晶界上從而起到增強效果，最終使得材料獲得理想的力學性能。

因而，如何突破原有技術的限制，找到一種更好的制備方法以提高高強鋁合金的性能，是鋁合金材料的重要發(fā)展方向，也是本領域前沿學者一直致力研究的主要問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種高強鋁合金的制備方法，尤其是針對Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的制備方法。本發(fā)明采用等離子體工藝能夠有效破除鋁合金氧化膜，使其更好的融合，成分更加均勻；同時工作氣體兼做噴粉運載氣體，工作氣體可使鋁合金脫氧脫氣。本發(fā)明提供的制備方法，能夠使得高性能鋁合金具有更好的強度和硬度，同時制備方法簡單，自動化程度高，易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和綠色生產(chǎn)。

本發(fā)明是一種采用等離子工藝制備高強鋁合金的方法，其包括有下列步驟：

步驟一，按目標成分配原料；

制100Kg目標成分稱取0.01～9.0Kg的鋅、0.1～5.0Kg的鎂、0.1～5.0Kg的銅、0.01～1.5Kg的錳、0.01～1.0Kg的鉻、0.01～1.5Kg的鈦、0.01～2.0Kg的硅、0.01～1.5Kg的鐵和余量的鋁組成原料；原料中各元素的平均粒度為150目；

步驟二，等離子制鋁合金熔體；

以等離子槍頭的鎢極作為電流的負極、基板作為電流的正極，在兩極上通交流電，電流100～200A，兩極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，等離子槍起弧高度2.5～3.5㎜，掃描速度200～500㎜/min；

離子氣流量為0.45～0.8L/min，保護氣氣流量為3.5～7L/min；

等離子焰的溫度達到8000℃～20000℃；

將均勻混合的原料裝入送粉器，調(diào)節(jié)送料速率為15～30g/min；

快速冷卻速率為1.0×10⁴～1.0×10⁵K/s；

鋁合金熔體在保護氣的保護作用下采用多層往復噴射沉積的方式，每層厚度1.5～2.0㎜，在離子氣和保護氣的運載作用下噴射沉積在基板上，制得鋁合金錠子；

步驟三，合金化鋁合金；

將步驟二的鋁合金錠子銑去氧化皮，對銑去氧化皮的錠子在400℃～550℃下進行16～48小時均勻化處理，得到合金化的鋁合金錠子；

步驟四，致密化處理鋁合金；

將步驟三得到的合金化鋁合金錠子在350℃～450℃溫度下預熱30～60分鐘進行變形加工，得到成致密化高強鋁合金。

本發(fā)明方法制得的致密化高強鋁合金的晶粒平均尺寸為20～40微米。

本發(fā)明方法制得的致密化高強鋁合金的顯微硬度為150～180HV，抗拉強度為520～585MPa。

本發(fā)明方法與其它工藝相比，采用等離子體工藝能夠有效破除鋁合金氧化膜，使其更好的融合，成分更加均勻。例如采用激光生產(chǎn)，由于鋁對激光的反射率高達60％～80％，會造成能量的巨大浪費，并且鋁合金存在嚴重的成分偏析。

本發(fā)明由于等離子體氣氛的壓力，抑制了添加的合金元素的蒸發(fā)，大大提高了易揮發(fā)元素的收得率，合金成分與配料成分偏差小。采用等離子工藝，其工作氣體兼做噴粉運載氣體，強化了冶煉過程，且氬氣作工作氣體可使合金脫氧脫氣。

采用等離子體中的活性粒子可以以極高的速度轟擊鋁合金熔體，使熔體中作晶核的原子團簇變小，合金的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻。

本發(fā)明在槍頭高溫等離子體的加熱作用下，超細粉末融化的合金小液滴沉積到基板上時形成微小熔池，在基板、保護氣及空氣的快速冷卻作用下，熔池內(nèi)合金熔體迅速以枝晶方式結(jié)晶。然而，在后續(xù)交流電源產(chǎn)生的震動等離子體和噴射沉積的合金小液滴的沖擊作用下，熔凝層的氧化鋁以及枝晶發(fā)生斷裂、破碎，消除冷隔現(xiàn)象，即本發(fā)明工藝具有陰極清理作用；另一方面，大量的細小破碎枝晶可作為晶核，殘留在熔凝組織中的合金熔體將以這些晶核為核心結(jié)晶，然而這些結(jié)晶只能在已形成的固相之間的間隙中進行，因此這種結(jié)晶受到阻礙而進一步細化晶粒。由于保護氣、空氣及基板(包括水冷系統(tǒng))對粉末熔池具有快速冷卻作用，因此本制備工藝可顯著細化合金晶粒、抑制偏析。本發(fā)明具有能量利用率高，步驟少、自動化程度高，綠色生產(chǎn)等優(yōu)點，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。利用這種工藝制備高強鋁合金的在國內(nèi)外尚屬首次。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明制備的鋁合金型材其顯微硬度為150～180HV，抗拉強度為520～585MPa。

附圖說明

圖1是等離子設備示意圖。

圖2為本發(fā)明采用例1制備的鋁合金的晶粒金相照片。

圖3為本發(fā)明采用例1制備的高強鋁合金的透射電鏡照片(TEM)及相應區(qū)域衍射斑點。

圖4為本發(fā)明采用例1制備的高強鋁合金析出相的高分辨透射(HRTEM)電鏡照片及其衍射斑點。

具體實施方式

以下將通過具體實施例來進一步說明本發(fā)明，本技術領域技術人員應該可以理解，實施例僅用于示意說明，而不能限制本發(fā)明的權利要求的范圍。

本發(fā)明所用鋁合金粉料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或按照本領域技術人員熟知的常規(guī)方法制備的即可。

本發(fā)明的一種采用等離子工藝制備高強鋁合金的方法，其包括有下列步驟：

步驟一，按目標成分配原料；

制100Kg目標成分稱取0.01～9.0Kg的鋅、0.1～5.0Kg的鎂、0.1～5.0Kg的銅、0.01～1.5Kg的錳、0.01～1.0Kg的鉻、0.01～1.5Kg的鈦、0.01～2.0Kg的硅、0.01～1.5Kg的鐵和余量的鋁組成原料；原料中各元素的平均粒度為150目。

步驟二，等離子制鋁合金熔體；

以等離子槍頭的鎢極作為電流的負極、基板作為電流的正極，在兩極上通交流電，電流100～200A，兩極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，等離子槍起弧高度2.5～3.5㎜，掃描速度200～500㎜/min；

離子氣流量為0.45～0.8L/min，保護氣氣流量為3.5～7L/min；

等離子焰的溫度達到8000℃～20000℃；

將均勻混合的原料裝入送粉器，調(diào)節(jié)送料速率為15～30g/min；

快速冷卻速率為1.0×10⁴～1.0×10⁵K/s；

鋁合金熔體在保護氣的保護作用下采用多層往復噴射沉積的方式，每層厚度1.5～2.0㎜，在離子氣和保護氣的運載作用下噴射沉積在基板上，制得鋁合金錠子；

由于等離子焰的中心和局部溫差很大，等離子體和保護氣的流速很大，達到300m/s，因而經(jīng)等離子槍頭后的熔體快速冷卻凝固形成鋁合金錠子。

步驟三，合金化鋁合金；

將步驟二得到的鋁合金錠子銑去氧化皮，對銑去氧化皮的錠子在400℃～550℃下進行16～48小時均勻化處理，得到合金化的鋁合金錠子；

步驟四，致密化處理鋁合金；

將步驟三得到的合金化鋁合金錠子在350℃～450℃溫度下預熱30～60分鐘進行變形加工，得到成致密化高強鋁合金。

實施例1

等離子工藝制7A52高強鋁合金的步驟如下：

步驟一，按目標成分配原料；

制100Kg目標成分稱取4.5Kg的鋅、2.5Kg的鎂、0.2Kg的銅、0.4Kg的錳、0.2Kg的鉻、0.1Kg的鈦、0.05Kg的硅、0.05Kg的鐵和余量的鋁組成原料；原料中各元素的平均粒度為150目。

步驟二，等離子制鋁合金熔體；

以等離子槍頭的鎢極作為電流的負極、基板作為電流的正極，在兩極上通交流電，電流100A，兩極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，等離子槍起弧高度3㎜，掃描速度300㎜/min；

離子氣流量為0.5L/min，保護氣氣流量為4L/min；

等離子焰的溫度達到8000℃；

將均勻混合的原料裝入送粉器，調(diào)節(jié)送料速率為20g/min；

快速冷卻速率為3×10⁴K/s；

鋁合金熔體在保護氣的保護作用下采用多層往復噴射沉積的方式，每層厚度1.8㎜，在離子氣和保護氣的運載作用下噴射沉積在基板上，制得鋁合金錠子；

由于等離子焰的中心和局部溫差很大，等離子體和保護氣的流速很大，達到300m/s，因而經(jīng)等離子槍頭后的熔體快速冷卻凝固形成鋁合金錠子。

步驟三，合金化鋁合金；

將步驟二得到鋁合金錠子銑去氧化皮，對銑去氧化皮的錠子在450℃下進行16小時均勻化處理，得到合金化的鋁合金錠子；

采用金相顯微鏡(LEICA DM4000)測試“合金化的鋁合金錠子”的晶粒照片如圖2所示，圖中晶粒平均尺寸為20微米，晶粒顯著細化。

步驟四，致密化處理鋁合金；

將步驟三得到的合金化鋁合金錠子在400℃溫度下預熱30分鐘進行變形加工，得到成致密化7A52高強鋁合金。

采用透射電子顯微鏡(JEM-2100F)測試“致密化7A52高強鋁合金”GP區(qū)分布及尺寸，如圖3、圖4所示。圖3中的合金相內(nèi)GP區(qū)透射電鏡照片及相應的衍射斑點，GP區(qū)分布均勻，尺寸在5至15納米。圖4表征的合金相中析出了η′相的高倍透射電鏡照片及相應的衍射斑點，η′相尺寸在2至5納米，沿<1 1 0>_Al方向生長。圖4的(a)是圖3(a)中的選定區(qū)域。

實施例1制得產(chǎn)物的性能分析：

采用“恒-FM800顯微硬度儀”測量實施例1制得產(chǎn)物的顯微硬度達到178HV。采用“50KN SANS電子萬能試驗機(50KN)”測量實施例1制得產(chǎn)物的抗拉強度達到577MPa。

實施例2

等離子工藝制7050高強鋁合金的步驟如下：

步驟一，按目標成分配原料；

制100Kg目標成分稱取6.3Kg的鋅、2.5Kg的鎂、2.3Kg的銅、0.1Kg的錳、0.05Kg的鉻、0.15Kg的鈦、0.12Kg的硅、0.15Kg的鐵和余量的鋁組成原料；原料中各元素的平均粒度為150目。

步驟二，等離子制鋁合金熔體；

以等離子槍頭的鎢極作為電流的負極、基板作為電流的正極，在兩極上通交流電，電流150A，兩極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，等離子槍起弧高度3.5㎜，掃描速度500㎜/min；

離子氣流量為0.7L/min，保護氣氣流量為5.5L/min；

等離子焰的溫度達到8000℃；

將均勻混合的原料裝入送粉器，調(diào)節(jié)送料速率為30g/min；

快速冷卻速率為5×10⁴K/s；

鋁合金熔體在保護氣的保護作用下采用多層往復噴射沉積的方式，每層厚度2.0㎜，在離子氣和保護氣的運載作用下噴射沉積在基板上，制得鋁合金錠子；

由于等離子焰的中心和局部溫差很大，等離子體和保護氣的流速很大，達到400m/s，因而經(jīng)等離子槍頭后的熔體快速冷卻凝固形成鋁合金錠子。

步驟三，合金化鋁合金；

將步驟二得到鋁合金錠子銑去氧化皮，對銑去氧化皮的錠子在470℃下進行16小時均勻化處理，得到合金化的鋁合金錠子；

采用金相顯微鏡(LEICA DM4000)測試“合金化的鋁合金錠子”的晶粒平均尺寸為25微米，晶粒顯著細化。

步驟四，致密化處理鋁合金；

將步驟三得到的合金化鋁合金錠子在400℃溫度下預熱60分鐘進行變形加工，得到成致密化7050高強鋁合金。

采用透射電子顯微鏡(JEM-2100F)測試“致密化7050高強鋁合金”GP區(qū)分布及尺寸。合金相內(nèi)GP區(qū)透射電鏡照片及相應的衍射斑點，GP區(qū)分布均勻，尺寸在5至15納米。合金相中析出了η′相的高倍透射電鏡照片及相應的衍射斑點，η′相尺寸在2至3納米，沿<1 1 0>_Al方向生長。

實施例2制得產(chǎn)物的性能分析：

采用“恒-FM800顯微硬度儀”測量實施例2制得產(chǎn)物的顯微硬度達到180HV。采用“50KN SANS電子萬能試驗機(50KN)”測量實施例2制得產(chǎn)物的抗拉強度達到578MPa。

實施例3

等離子工藝制2017高強鋁合金的步驟如下：

步驟一，按目標成分配原料；

制100Kg目標成分稱取0.25Kg的鋅、0.8Kg的鎂、4.5Kg的銅、0.8Kg的錳、0.1Kg的鉻、0.15Kg的鈦、0.3Kg的硅、0.7Kg的鐵和余量的鋁組成原料；原料中各元素的平均粒度為150目。

步驟二，等離子制鋁合金熔體；

以等離子槍頭的鎢極作為電流的負極、基板作為電流的正極，在兩極上通交流電，電流100A，兩極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，等離子槍起弧高度3㎜，掃描速度300㎜/min；

離子氣流量為0.55L/min，保護氣氣流量為4.5L/min；

等離子焰的溫度達到8000℃；

將均勻混合的原料裝入送粉器，調(diào)節(jié)送料速率為20g/min；

快速冷卻速率為3.5×10⁴K/s；

鋁合金熔體在保護氣的保護作用下采用多層往復噴射沉積的方式，每層厚度1.8㎜，在離子氣和保護氣的運載作用下噴射沉積在基板上，制得鋁合金錠子；

由于等離子焰的中心和局部溫差很大，等離子體和保護氣的流速很大，達到350m/s，因而經(jīng)等離子槍頭后的熔體快速冷卻凝固形成鋁合金錠子。

步驟三，合金化鋁合金；

將步驟二得到鋁合金錠子銑去氧化皮，對銑去氧化皮的錠子在520℃下進行24小時均勻化處理，得到合金化的鋁合金錠子；

采用金相顯微鏡(LEICA DM4000)測試“合金化的鋁合金錠子”的晶粒平均尺寸為35微米，晶粒顯著細化。

步驟四，致密化處理鋁合金；

將步驟三得到的合金化鋁合金錠子在410℃溫度下預熱60分鐘進行變形加工，得到成致密化2017高強鋁合金。

采用透射電子顯微鏡(JEM-2100F)測試“致密化2017高強鋁合金”GP區(qū)分布及尺寸。合金相內(nèi)GP區(qū)透射電鏡照片及相應的衍射斑點，GP區(qū)分布均勻，尺寸在10至25納米。合金相中析出了η′相的高倍透射電鏡照片及相應的衍射斑點，η′相尺寸在5至10納米，沿<1 1 0>_Al方向生長。

實施例3制得產(chǎn)物的性能分析：

采用“恒-FM800顯微硬度儀”測量實施例3制得產(chǎn)物的顯微硬度達到165HV。采用“50KN SANS電子萬能試驗機(50KN)”測量實施例3制得產(chǎn)物的抗拉強度達到550MPa。

本發(fā)明提出了一種采用等離子工藝制備高強鋁合金的方法，所要解決的是如何提高鋁合金性能的技術問題，該方法采用等離子體工藝能夠有效破除鋁合金氧化膜，使其更好的融合，成分更加均勻；同時工作氣體兼做噴粉運載氣體，工作氣體可使鋁合金脫氧脫氣。經(jīng)本發(fā)明工藝制得的高強鋁合金與目前傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鋁合金相比晶粒顯著細化，微觀結(jié)構(gòu)組織和成分更加均勻，抑制偏析。采用等離子體噴射加工工藝具有能量利用率高，步驟少、自動化程度高，綠色生產(chǎn)等優(yōu)點，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高強鋁合金。