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专利名称：一种高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310171904.X

专利申请（专利权）人：安徽陶铝新材料研究院有限公司
权利人地址：安徽省淮北市杜集区威龙路21号

专利发明（设计）人：耿继伟,陈东,李宇罡,夏培康,王晓猛,潘江涛,王浩伟

专利摘要：本发明公开了一种高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，通过热场和电场耦合作用，在轧制过程中实现晶粒组织、析出相和位错密度控制，在基体中获得均匀弥散分布的纳米短程有序结构和强化相，进而提高颗粒增强铝基复合材料板材强度的同时改善塑性，降低疲劳裂纹扩展速率。同时，可以减少后续热处理工艺流程。

主权利要求：
1.一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于，包括步骤：（1）对陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭进行均匀化处理；
（2）将陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭初轧成板材坯料；
（3）对板材坯料进行固溶处理；
（4）对板材坯料进行热?电耦合轧制得到颗粒增强铝基复合材料板材；脉冲电源的正负极通过一对弹簧和导电球头，分别连接至上轧辊和下轧辊；导电球头在弹簧的作用下与上下轧辊的轧面接触；当对板材坯料进行热?电耦合轧制时，脉冲电源通过导电球头向上下轧辊和板材坯料施加脉冲电流热?电耦合轧制时，轧辊温度为80℃，脉冲电流为500A，频率为
100Hz；进行多道次，往复轧制，单道次的下压量为2%，最后轧制成厚度为8mm厚；每道次轧制前进行水冷，使板材温度低于50℃。
2.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其中，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为3.5wt.%TiB2/7050铝基复合材料。
3.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其中，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为5wt.%TiB2/2026铝基复合材料。
4.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其中，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为8wt.%TiB2/6061。
5.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其中，固溶处理时，固溶温度为480℃，保温时间为1.5h，随后在冷水中快速冷却，水温为小于20℃。
6.如权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，其中，将板材轧制至目标厚度之后，将板材在水中冷却，然后在空气温度为60℃环境下保温1天。 说明书 : 一种高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法。背景技术[0002] 铝合金由于具有中等的强度、良好的塑性、较好的耐蚀性以及优异的耐损伤容限性，是一种航空航天领域中广泛应用的铝合金。然而，随着航空航天及汽车领域的发展，合金材料难以满足高模量、高强度及疲劳性能的要求。颗粒增强金属基复合材料因其高比强度、高比模量、优异的耐磨性和疲劳性能，在航空航天及汽车等领域受到更多的关注和极其广阔的应用前景。[0003] 原位自生纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料与其他传统的金属基复合材料相比，具有更好的综合力学性能，在结构材料领域中具有很大的应用潜力。由于原位自生纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料具备良好的塑性，可以通过轧制工艺制备铝基复合材料薄板。然而，通常轧制板材，晶粒粗大，再结晶充分导致板材的强度较低。另外，对于可热处理的合金基体，在常规的人工时效后(峰时效)析出相大量析出，对强度有一定的提高，但是会导致延伸率降低，不利于疲劳性能。发明内容[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法，包括步骤：(1)对陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭进行匀化处理；(2)将陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭初轧成板材坯料；(3)对板材坯料进行固溶处理；(4)对板材坯料进行热?电耦合轧制得到颗粒增强铝基复合材料板材。[0005] 进一步地，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料。[0006] 进一步地，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为5wt.％TiB2/2026铝基复合材料。[0007] 进一步地，陶瓷颗粒增强铝基复合材料为8wt.％TiB2/6061。[0008] 进一步地，初轧得到板材坯料的厚度范围为4?20mm。[0009] 进一步地，固溶处理时，固溶温度为480℃，保温时间为1.5h，随后在冷水中快速冷却，水温为小于20℃。[0010] 进一步地，热?电耦合轧制时，轧辊温度为80℃，脉冲电流为500A，频率为100Hz；进行多道次，往复轧制，单道次的下压量为2％，最后轧制厚度为8mm厚；每道次轧制前进行水冷，使板材温度低于50℃。[0011] 进一步地，将板材轧制至目标厚度之后。将板材在水中冷却，然后在空气温度为60℃环境下保温1天。[0012] 进一步地，脉冲电源的正负极通过一对弹簧和导电球头，分别连接至上轧辊和下轧辊；导电球头在弹簧的作用下与上下轧辊的轧面接触。当对板材坯料进行热?电耦合轧制时，脉冲电源通过导电球头向上下轧辊和板材坯料施加脉冲电流。[0013] 本发明中提供了一种多场耦合的轧制工艺，使铝基复合材料板材在轧制过程中动态析出纳米尺度的短程有序结构且均匀分布在基体中，从而提高板材的强度和疲劳性能。本发明通过热场和电场耦合作用，在轧制过程中实现晶粒组织、析出相和位错密度控制，在基体中获得均匀弥散分布的纳米短程有序结构和强化相，进而提高颗粒增强铝基复合材料板材强度的同时改善塑性，降低疲劳裂纹扩展速率。同时，可以减少后续热处理工艺流程。[0014] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。附图说明[0015] 图1为本发明的高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法的流程图。[0016] 图2为对板材坯料热?电耦合轧制时的示意图。具体实施方式[0017] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。[0018] 如图1所示，本发明的高耐损伤颗粒增强铝基复合材料板材的制备方法主要包括如下几个步骤：[0019] (1)对陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭进行匀化处理；[0020] (2)将陶瓷颗粒增强铝基复合材料铸锭初轧成板材坯料；[0021] (3)对板材坯料进行固溶处理；[0022] (4)对板材坯料进行热?电耦合轧制得到颗粒增强铝基复合材料板材。[0023] 如图2所示，脉冲电源4正负极通过弹簧5和导电球头6，分别连接至上轧辊1和下轧辊2。导电球头6在弹簧5的作用下与轧辊的轧面接触。当对板材坯料3热?电耦合轧制时，脉冲电源4通过导电球头6向上下轧辊和板材坯料3施加脉冲电流。相比于脉冲电源将的正负极直接连接至轧辊，这种脉冲电流的施加方式不需要对轧辊本身进行电气改造，可以直接用于普通轧辊，其应用范围更广，使用更为灵活。[0024] 实施例1[0025] 首先对3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料铸锭进行匀化处理，均匀化温度为475℃，保温时间为12?24h，随后空冷。[0026] 其次，3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料铸锭轧制，在420℃进行轧制至16mm。[0027] 然后进行固溶处理，固溶温度为480℃，保温时间为1.5h，随后在冷水中快速冷却，水温为～20℃。[0028] 将淬火后的板材快速转移至轧机，进行热?电耦合轧制。其轧辊温度为80℃，脉冲电流为500A，频率为100Hz。进行多道次，小变形量进行往复轧制，单道次的下压量为2％，最后轧制厚度为8mm厚。每道次轧制前进行水冷，板材温度需低于50℃。[0029] 最后将板材在水中冷却之后，在空气温度为60℃环境下保温1天。[0030] 力学性能测试表明，最终3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料的屈服强度为560MPa，0.5抗拉强度为620MPa，延伸率为12％。当应力强度因子范围ΔK＝15MPa·m 时，疲劳裂纹扩?4展速率为3×10 mm/cycle。[0031] 实施例2[0032] 首先对5wt.％TiB2/2026铝基复合材料铸锭进行匀化处理，均匀化温度为495℃，保温时间为36h，随后空冷。[0033] 其次，5wt.％TiB2/2026铝基复合材料铸锭在450℃进行轧制，轧制至6mm。[0034] 然后进行固溶处理，固溶温度为510℃，保温时间为1h，随后在冷水中快速冷却，水温为～20℃。[0035] 将淬火后的板材快速转移至轧机，进行热?电耦合轧制。其轧辊温度为80℃，脉冲电流为100A，频率为1000Hz。进行多道次，小变形量进行往复轧制，单道次的下压量为1％，最后轧制厚度为2mm厚。每道次轧制前进行水冷，板材温度需低于50℃。[0036] 最后将板材在水中冷却之后，在空气中自然放置4天。[0037] 力学性能测试表明，最终5wt.％TiB2/2026铝基复合材料的屈服强度为480MPa，抗0.5拉强度为590MPa，延伸率为16％。当应力强度因子范围ΔK＝15MPa·m 时，疲劳裂纹扩展?4速率为1×10 mm/cycle。[0038] 实施例3[0039] 首先对8wt.％TiB2/6061铝基复合材料铸锭进行匀化处理，均匀化温度为550℃，时间为48h，随后空冷。[0040] 其次，8wt.％TiB2/6061铝基复合材料铸锭在460℃进行轧制，轧制至20mm。[0041] 然后进行固溶处理，固溶温度为565℃，保温时间为2h，随后在冷水中快速冷却，水温为～20℃。[0042] 将淬火后的板材快速转移至轧机，进行热?电耦合轧制。其轧辊温度为80℃，脉冲电流为300A，频率为500Hz。进行多道次，小变形量进行往复轧制，单道次的下压量为1％，最后轧制厚度为10mm厚。每道次轧制前进行水冷，板材温度需低于50℃。[0043] 最后将板材在水中冷却之后，在空气温度为80℃环境下保温1天。当应力强度因子0.5 ?4范围ΔK＝15MPa·m 时，疲劳裂纹扩展速率为5×10 mm/cycle。[0044] 力学性能测试表明，最终8wt.％TiB2/6061铝基复合材料的屈服强度为270MPa，抗拉强度为310MPa，延伸率为10％。[0045] 对比例1[0046] 采用常规轧制工艺对3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料进行轧制。首先，铸锭在465℃进行匀化处理24h，随后空冷。[0047] 将均匀化后的3wt.％TiB2/7050铝基复合材料在460℃进行轧制，轧制至厚度为8mm。[0048] 然后进行固溶处理，固溶温度为480℃，保温时间为1.5h，随后在冷水中快速冷却，水温为～20℃，最后板材在120℃时效24h，使其达到峰时效。[0049] 力学性能测试表明，最终3.5wt.％TiB2/7050铝基复合材料的屈服强度为450MPa，0.5抗拉强度为560MPa，延伸率为11％。当应力强度因子范围ΔK＝15MPa·m 时，疲劳裂纹扩?4展速率为8×10 mm/cycle。[0050] 对比例2[0051] 采用常规轧制工艺对5wt.％TiB2/2026铝基复合材料进行轧制。首先，对5wt.％TiB2/2026铝基复合材料铸锭在490℃进行匀化处理48h，随后空冷。[0052] 将均匀化后的5wt.％TiB2/2026铝基复合材料在420℃进行轧制，轧制至厚度为6mm。随后进行冷轧至2mm。[0053] 然后进行固溶处理，固溶温度,510℃，保温时间为1h，随后在冷水中快速冷却，水温为～20℃，最后进行自然失效4天。[0054] 力学性能测试表明，最终5wt.％TiB2/2026铝基复合材料的屈服强度为320MPa，抗0.5拉强度为500MPa，延伸率为15％。当应力强度因子范围ΔK＝15MPa·m 时，疲劳裂纹扩展?4速率为5×10 mm/cycle。[0055] 对比例3[0056] 采用常规轧制工艺对8wt.％TiB2/6061铝基复合材料进行轧制。首先，8wt.％TiB2/6061铝基复合材料铸锭在550℃进行匀化处理48h，随后空冷。[0057] 将均匀化后的5wt.％TiB2/2026铝基复合材料在4620℃进行轧制，轧制至厚度为10mm。[0058] 然后进行固溶处理，在565℃进行常规固溶处理2h，然后迅速水淬，最后在180℃时效20h，使其达到峰时效。[0059] 力学性能测试表明，力学性能测试表明，最终8wt.％TiB2/6061铝基复合材料的屈服强度为230MPa，抗拉强度为290MPa，延伸率为10％。当应力强度因子范围ΔK＝15MPa·0.5 ?3m 时，疲劳裂纹扩展速率为1×10 mm/cycle。[0060] 从实施例1?3,和对比例1?3，可以看出经本发明热处理工艺的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的力学性能得到提升且疲劳裂纹扩展速率降低。[0061] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

专利地区：安徽

专利申请日期：2023-02-23

专利公开日期：2024-10-25

专利公告号：CN116219334B