一種不連續增強鋁基複合材料的鍛件製備工藝的製作方法

2023-05-07 23:55:26 3

本發明涉及鋁基複合材料領域，提供了一種不連續增強鋁基複合材料的鍛件製備工藝方法。

背景技術：

不連續增強鋁基複合材料(簡記為DRA)因具有輕質、高強、抗疲勞、抗高溫蠕變、耐熱、耐磨、減振及尺寸穩定等一系列優點，而且製造工藝簡單，原材料價格低廉，因而成為國民經濟發展和國防安全領域的重要結構材料。發達國家已成功地將DRA用於飛機、汽車、軌道交通等領域，並實現零部件的批量生產，取得顯著的經濟效益和社會效益(International Materials Reviews,vol.39,No.1(1994)p.1-23)。

塑性成型加工是DRA的關鍵製備工序。自由鍛簡單的加工工藝和多樣的產品形狀和尺寸，使其成為重要的金屬材料成型加工方法之一。然而，由於DRA中含有大量的硬質增強相，極大的降低了材料的塑性，使DRA變形加工十分困難。尤其在自由鍛造時，鍛坯沒有模具約束，材料呈單向壓應力、雙向拉應力狀態，變形時容易造成產品開裂。此外，自由鍛壓時處於非等溫條件，給調控DRA複雜的組織如顆粒團聚、晶粒尺寸等帶來極大困難。

對於粉末冶金或攪拌鑄造製備的DRA坯錠，由於材料未完全緻密、增強相與鋁基體界面結合不理想，塑性較低，直接進行自由鍛，不僅道次變形量受到限制，而且極易產生開裂，降低了自由鍛的效率與成材率，同時鍛件性能也不夠理想。綜上，如何減少DRA自由鍛造裂紋、調控變形組織並提高鍛造效率是DRA自由鍛件工業化生產的關鍵。

然而，目前關於DRA自由鍛造工藝的專利較少，僅有一項中國專利(ZL200910241853)涉及顆粒增強鋁基複合材料的鍛造工藝。該方法是在鋁基複合材料坯錠外加鋼包套，類似模鍛原理，利用鋼包套產生約束作用避免鍛造裂紋的產生。但該工藝僅適於製備圓盤形的工件，對於其它形狀如長方體工件，鍛壓時鋼包套不能完全包覆鍛坯，因而並不適用。另外，鋼包套需要更大的鍛造力，對設備的要求更高。最後，該工藝需要在鍛造前加工包套模具，鍛造後需機械加工去除包套，增加了產品的生產周期和成本。

擠壓變形可明顯提高DRA的緻密性、改善界面結合併調控顆粒分布，從而大幅度提高DRA的後續塑性加工工藝性。但DRA的變形組織比未增強鋁合金複雜，擠壓時常形成增強相富集帶或貧增強相區，在後續鍛造時，裂紋容易在增強相富集區形核，而且微觀不均勻的組織給鍛造組織調控帶來困難，容易降低製品力學性能。因此需要調控擠壓溫度和速度來調控增強相分布均勻性。已有研究表明高溫擠壓時鋁合金基體極易發生變形，而增強相的流動相對滯後，易導致增強相沿擠壓方向發生偏聚，形成鏈狀分布(塑性變形對噴射沉積7090Al/SiCp複合材料SiC分布及組織性能影響，孫有平，湖南大學博士學位論文，2009；擠壓處理對SiCp/2014Al複合材料組織及性能的影響，劉小玉，吉林大學碩士學位論文，2015)。鍛壓變形中，存在增強相再分布和裂紋形核的問題。這與鍛壓溫度、速度和道次變形率相關。已有研究表明高速下鍛造，容易產生絕熱剪切帶，導致組織均勻性變差。而動態再結晶和動態回復溫度下鍛造易於改善增強相分布(Y.V.R.K.Prasad等，Hot Working Guide，ASM International Materials Park，Ohio44073-0002，ISBN-13:978-1-62708-091-0)。但自由鍛為非等溫、等應變速率條件，而且對大尺寸鍛件，變形均勻性差異巨大，現有的資料數據並未給出自由鍛件組織控制方法。

綜上所述，本發明提出一種適用於不同形狀產品的自由鍛工藝，用於DRA鍛件的快速、高效與可控制備。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種適用於DRA的鍛件製備工藝。採用粉末冶金或攪拌鑄造方法製備坯錠，採用熱擠壓方法製備鍛坯，擠壓時控制擠壓溫度和速度進而控制獲得均勻的擠壓材微觀組織。採用優化微觀組織的擠壓材作為鍛坯，進一步控制自由鍛的溫度和速度，實現DRA鍛件的快速、高效與可控制備。該方法不容易產生鍛造裂紋，能夠大幅提高鍛造效率和成品率，適用於不同形狀的DRA鍛件，並可採用常規的鋁合金自由鍛生產設備進行，生產成本低。

本發明是通過以下工藝實現的：

一種不連續增強鋁基複合材料的鍛件製備工藝，其特徵在於，步驟如下：

1.坯錠製備：採用粉末冶金或攪拌鑄造方法製備DRA坯錠；

2.鍛坯製備：採用熱擠壓方法製備出DRA棒材或矩形材，擠壓溫度在300-400℃之間，擠壓速度在0.2-0.8mm/s；

3.自由鍛造：鍛坯在空氣錘或液壓機上自由鍛造，每鍛造一道次後進行退火，直至鍛到所需尺寸。

本發明在擠壓時控制擠壓溫度和速度進而控制擠壓材的微觀組織，採用優化微觀組織的擠壓材製成鍛坯，通過控制自由鍛的溫度、變形速率、終鍛溫度、大幅提高單道次變形量，減少鍛造裂紋。

本發明中，所述不連續增強鋁基複合材料的鋁合金基體為任意牌號的變形鋁合金與非商用鋁合金，增強相包括但不限於碳化矽、碳化硼、碳化鈦、氮化鋁、氧化鋁、二硼化鈦以及碳納米管中的任何一種。陶瓷增強相顆粒尺寸為1.5-50μm，在複合材料中的體積含量為5-30％；碳納米管等納米碳增強相體積含量為0.5-10％。

作為優選的技術方案，採用熱擠壓方法製備出DRA棒材或矩形材，其中棒材直徑為50-450mm，矩形材邊長為50-300mm，根據需要截成所需鍛坯。

作為優選的技術方案，所述自由鍛造的工藝為：鍛造溫度在420-480℃之間，終鍛溫度不低於420℃；鍛造變形速度為25-40mm/s，每道次鍛造變形量20-35％。

作為優選的技術方案，每鍛造一道次後進行退火，退火溫度在420-480℃之間，保溫2-6小時。

本發明的有益效果是：

1.將DRA在較低溫度和較慢速度範圍內擠壓，不僅可避免擠壓裂紋的產生，而且鋁基體的變形抗力較大，增強相在基體中的運動阻力大，不易形成團聚。

2.擠壓鍛坯微觀均勻性的改善，降低了鍛造時裂紋在增強相團聚區域形核的可能性，有利於提高每道次的鍛壓變形率。

3.較高的溫度下鍛造，材料塑性較好，有利於提高道次變形率。同時，規定在較高速度下鍛造，能增加塑性變形所釋放的熱量，彌補自由鍛時的溫度下降，從而控制鍛件的溫度均勻性。

4.控制終鍛溫度，可保持DRA始終在較窄溫度區間變形，易於控制變形組織，而且高溫下材料具有良好的塑性，不易產生微孔、裂紋等缺陷。

綜上，本發明所述方法可以在大變形量下鍛造而降低缺陷形成，此外可控制組織(如顆粒團聚)，從而提高鍛造效率、成品率以及鍛件性能。另外，本發明可根據需要鍛造成不同形狀的產品。

具體實施方式

實施例1

採用粉末冶金方法製備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度320℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。採用500噸油壓機自由鍛造，沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，每道次變形量35％，終鍛溫度430℃。鍛造3道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。鍛造工件表面無開裂。

比較例1

採用粉末冶金方法製備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為φ150×300mm。將坯錠在480℃保溫3小時。採用500噸油壓機自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，道次變形量達15％時坯錠表面有微裂紋產生。將微裂紋打磨消除後，變形速度30mm/s，每道次變形量10％，終鍛溫度430℃。鍛造6道次，每道次之間在480℃保溫3小時。將工件鍛造成φ210×150mm的圓餅，將圓餅鍛造成長方形時，坯錠邊緣開裂。

實施例2

採用粉末冶金方法製備30vol.％SiCp/2009Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ350×1500mm，擠壓溫度350℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ350×350mm。在480℃保溫6小時。採用800噸油壓機自由鍛造。沿350mm高度方向燉粗，每道次變形量20％，變形速度25mm/s，終鍛溫度430℃。鍛造4道次，每道次之間在480℃保溫6小時。工件的鍛造尺寸為φ550×150mm。鍛造工件邊緣無裂紋。

比較例2

採用粉末冶金方法製備30vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為φ350×350mm。將坯錠在480℃保溫6小時。採用800噸油壓機自由鍛造。沿350mm高度方向燉粗，變形速度25mm/s，每道次變形量10％，終鍛溫度430℃。鍛造8道次，每道次之間在450℃保溫6小時。工件的鍛造尺寸為φ550×150mm。鍛造工件邊緣明顯開裂。

實施例3

採用攪拌鑄造法製備25vol.％SiCp/2009Al坯錠，採用熱擠壓方法製備矩形材，尺寸為150×200×3000mm，擠壓溫度380°，擠壓速度在0.2mm/s。將矩形材截成150×200×300mm。在460℃保溫4小時。採用800噸油壓機自由鍛造。沿150mm高度方向鍛造，沿200mm寬度方向拔長，變形速度30mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造2道次，每道次之間在460℃保溫4小時。工件的鍛造尺寸為70×350×350mm。鍛造工件表面無開裂。

比較例3

採用攪拌鑄造法製備25vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為150×200×300mm。將坯錠在460℃保溫4小時。採用800噸油壓機自由鍛造。沿150mm高度方向鍛造，沿200mm寬度方向拔長，變形速度30mm/s，道次變形量達15％時坯錠表面有微裂紋產生。將微裂紋打磨消除後，每道次變形量10％，終鍛溫度420℃，鍛造7道次，每道次之間在460℃保溫4小時。工件的鍛造尺寸為70×350×350mm。長方形的邊緣開裂嚴重。

實施例4

採用粉末冶金方法製備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度320℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。採用500噸油壓機自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，每道次變形量35％，終鍛溫度430℃。鍛造3道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。鍛造工件表面無開裂。

比較例4

採用粉末冶金方法製備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度480℃，擠壓速度1mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。採用500噸油壓機自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，道次變形量達20％時坯錠表面有微裂紋產生。將微裂紋打磨消除後，變形速度30mm/s，每道次變形量15％，終鍛溫度430℃。鍛造5道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。最後一道次鍛造時工件表面有微小裂紋。

實施例5

用攪拌鑄造方法製備12vol.％Al2O3p/7075Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ50×3000mm，擠壓溫度340℃，擠壓速度在0.5mm/s。將棒材截成φ50×80mm。在450℃保溫2小時。採用50噸空氣錘自由鍛造。沿80mm高度方向燉粗，變形速度40mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造3道次，每道次之間在450℃保溫2小時。工件的鍛造尺寸為40×60×60mm。鍛造工件邊緣無裂紋。

比較例5

用攪拌鑄造方法製備12vol.％Al2O3p/7075Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ50×3000mm，擠壓溫度340℃，擠壓速度在0.5mm/s。將棒材截成φ50×80mm。在350℃保溫2小時。採用50噸空氣錘自由鍛造。沿80mm高度方向燉粗，變形速度40mm/s，道次變形量20％，出現裂紋。將裂紋機械加工掉後，在350℃保溫2小時繼續鍛造，道次變形量15％，鍛造5道次，終鍛溫度420℃。工件的鍛造尺寸為40×60×60mm。鍛造工件邊緣有微小裂紋。

實施例6

採用攪拌鑄造方法製備15vol.％B4Cp/6061Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ200×1500mm，擠壓溫度380℃，擠壓速度0.8mm/s。將棒材截成φ200×400mm。在450℃保溫5小時。採用500噸油壓機自由鍛造。沿φ200方向鍛扁坯錠，變形速度30mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造3道次，每道次之間在450℃保溫5小時。工件的鍛造尺寸為100×300×400mm。鍛造工件表面無裂紋。

比較例6

採用攪拌鑄造方法製備15vol.％B4Cp/6061Al坯錠，採用熱擠壓方法製備棒材，尺寸為φ200×1500mm，擠壓溫度380℃，擠壓速度0.8mm/s。將棒材截成φ200×400mm。在450℃保溫5小時。採用500噸油壓機自由鍛造。沿φ200方向鍛扁坯錠，變形速度5mm/s，變形量為15％時，溫度為400℃。變形量為20％時，溫度為380℃，工件表面開裂。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。