一種鋁基複合材料板材的軋制方法與流程

2023-04-22 18:02:16

本發明涉及金屬基複合材料成型加工技術領域，具體涉及一種鋁基複合材料板材的軋制方法。

背景技術：

鋁基複合材料是在塑性良好的鋁合金基體中添加陶瓷、纖維以及碳納米管等高性能增強相而形成的固相材料，具有高強高模、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻照等特性。在航空航天、核工業、交通運輸以及國防領域應用前景廣闊，特別是航空航天領域使用SiC增強鋁基複合材料板材替代傳統金屬材料，提升了零件剛度和耐疲勞性；核電領域採用B4C增強鋁基複合材料板材，替代硼鋼等傳統含硼材料提高了中子吸收能力。

然而，添加上述增強相後，一方面基體的塑性變形受到約束，使複合材料塑性變形加工特別是軋制變得十分困難，容易產生增強相與界面開裂等問題；另一方面複合材料變形機制變得複雜，變形過程中除了基體晶粒尺寸、織構等變化，更重要的是增強相分布發生變化。鋁基複合材料從300～500℃的溫度範圍內，變形機制會發生從動態回復向動態再結晶以及晶界滑動的轉變(Y.V.R.K.Prasad等，Hot Working Guide，ASM International Materials Park，Ohio 44073-0002，ISBN-13:978-1-62708-091-0)。由此，增強相分布、晶粒尺寸和織構產生變化，成為影響板材性能的主要因素。除了軋制溫度，軋制變形速率決定變形生熱和散熱速率，間接影響變形機制。即使採用最優的變形溫度，如果不控制軋制速度，仍難以避免缺陷產生，例如經過大變形量軋制仍然產生顆粒團聚(A.El-Sabbagh等，Journal of Materials Processing Technology，2012年，212卷，497-508頁)。

針對大型板材，其軋制過程為非等溫、非均勻變形，因而有必要制定合理的軋制溫度與軋制速度範圍。以往研究報導提供的軋制溫度和速度範圍過於寬泛，而如上所述複合材料組織對變形工藝參數十分敏感，現有數據很難指導實際生產。由於缺乏合理的軋制溫度、速度工藝窗口，軋制時很容易導致缺陷產生，特別是大變形量下極易產生裂紋等缺陷。因此，目前資料報導的複合材料板材熱軋多局限在5～15％的保守變形率下(中國專利，申請號201310126296.7)，導致生產效率過低，制約了複合材料板材的應用。

此外，軋制時板材厚度方向呈壓應力，而軋制方向為拉應力，與擠壓時三向為壓應力不同，軋制對坯錠中的微孔洞緻密化作用有限。因此對緻密度不高的複合材料坯錠，如採用粉末冷壓後進行無壓燒結的坯錠(中國專利，申請號201210155440.5，以及申請號為201410547374.5的公開期專利)，很難通過軋制而獲得100％的緻密度。同時，軋制拉應力是複合材料板材軋制開裂的主要原因，緻密度不高、組織均勻性差的坯錠軋制時更容易發生開裂而降低成材率，甚至形成廢品，無法實現高性能複合材料板材的製備。對複合材料坯錠進行擠壓是提高緻密度和改善複合材料性能的重要手段，因此採用擠壓板坯可以提高成材率。但通常擠壓板坯截面尺寸較小，難以適用於大尺寸厚板的軋制。如果以粉末冶金或攪拌鑄造坯錠直接作為板坯，如前所述，坯錠質量較差，難以滿足複合材料大尺寸厚板的高效軋制。

最後，板材終軋狀態對後續的熱處理強化影響顯著。對複合材料，增強相會影響終軋後基體中的位錯密度等微觀結構特徵，因此終軋條件對隨後熱處理時形成的晶粒度以及第二相分布等因素的影響比未增強的鋁合金更為顯著，從而影響力學與耐腐蝕性，然而以往的研究報導很少關注於此，因此複合材料板材性能的控制缺乏依據。

技術實現要素：

針對現有技術中鋁基複合材料軋制過程中存在的上述不足之處，本發明的目的在於提供一種鋁基複合材料板材的軋制方法，該方法中規定了軋制所需的坯錠狀態和特徵，並提供了細緻的軋制方案與關鍵參數，從而更加準確地控制鋁基複合材料板材的組織和性能，並且提高軋制效率，可適用於不同尺寸的板材製備，可以提高板材的性能與成材率，而且特別適用於大尺寸厚板的軋制。

為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：

一種鋁基複合材料板材的軋制方法，該方法是針對鋁基複合材料坯錠進行軋制，軋制過程包括如下步驟：

(1)對鋁基複合材料坯錠採用多方向自由鍛壓或擠壓技術製備成板坯；

(2)在動態再結晶溫度區間軋制開坯，其中：開坯變形率為5～25％，優選10～20％，軋制速度為40～80m·min-1，優選50～70m·min-1。

(3)經過步驟(2)軋制後的板材在動態回復溫度區間進行軋制；其中：道次變形率為10～35％，優選15～30％，軋制速度30～80m·min-1，優選40～60m·min-1。

(4)接近成品板厚度時(即與成品板厚度相差5-15％時)，改用中低溫軋制定尺，終軋變形率控制為5～10％，軋制速度為10～60m·min-1，優選15～40m·min-1。

所述鋁基複合材料坯錠採用粉末冶金或攪拌鑄造法製備而成，坯錠緻密度為96～100％，而且組織與化學成分均勻。

所述鋁基複合材料是由基體與增強相組成，基體為任意牌號變形鋁合金或改進型鋁合金，增強相為陶瓷增強相(SiC、Al2O3、B4C、TiC等)或碳納米管增強相；如為陶瓷增強相，則陶瓷增強相在鋁基複合材料中的體積含量為10～40％；如為碳納米管增強相，則碳納米管增強相在鋁基複合材料中的體積含量為0.5～10％。

所述動態再結晶溫度區間為400～500℃，優選420～480℃；所述動態回復溫度區間為300～400℃，優選320～380℃。

步驟(3)軋制過程中，換向軋制時，每次換向的第一道次軋制在動態再結晶溫度區間進行，變形量控制在5～20％(該方向進行的其他道次軋制在動態回復溫度區間進行)。

步驟(4)中，終軋溫度為150～300℃，優選180～250℃。

所軋制的鋁基複合材料成品板厚度為1～150mm。

本發明與已經報導的資料文獻相比，不同之處在於：

(1)嚴格控制原始坯錠的質量，並進一步通過擠壓或多方向自由鍛造提升緻密度、改善坯錠組織，從而使板坯性能得到改善，使之能承受軋輥剪切作用產生的剪切與拉應力，因而能在較大變形率下軋制而不開裂。此外，板坯原始質量優良，不需通過軋制來密化，從而能使軋制在較低溫度下進行，有利於控制變形組織從而改善材料性能。

(2)除了採用擠壓板坯，還使用多方向自由鍛造製備板坯。相比擠壓板坯，對坯錠直接鍛造，可獲得大截面尺寸板坯，因而能製備大尺寸厚板。本方法可製備尺寸達150×1500×2000mm的厚板。此外，多方向自由鍛坯錠可以降低板坯各向異性，開坯時不容易產生開裂。

(3)採用兩段式溫度軋制。動態再結晶溫度下軋制易於改變增強相取向並減輕織構，從而降低板坯各向異性，避免垂直擠壓方向軋制或換向軋制時開裂。而動態回復溫度比動態再結晶溫度低，基體軟化程度相對較小，增強相在基體中的運動阻力較大，因此在大變形率下軋制不易發生增強相偏聚，從而提高板材性能，同時提高軋制效率。

(5)規定了較準確的軋制速度範圍，對變形熱和散熱導致的溫升進行控制，並縮小了軋制溫度範圍，因而能準確地控制變形機制，從而控制變形組織。

(6)終軋溫度和速度較低，不僅提高板材表面質量和尺寸精度，而且較小的變形率可避免形成高密度位錯，從而抑制後續熱處理時可能的異常晶粒長大，避免第二相沿位錯線優先形核而形成粗大、不均勻分布的第二相，有利於保證板材的強度、耐疲勞性與耐腐蝕性。此外，終軋變形在較低溫度下，小變形率可以避免產生裂紋等缺陷的可能性，特別是高含量增強相的板材，有利於提高成材率。

具體實施方式：

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的鋁合金及其與增強相複合製備鋁基複合材料的方法進行詳細說明，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。

實施例1

採用平均粒徑10μm的SiC顆粒和2009Al粉末共混，SiC顆粒體積含量20％，製備大厚度板材。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，緻密度為99％～100％，坯錠直徑450mm，高度650mm。

(2)使用2000噸液壓機沿坯錠軸向自由鐓粗至260mm、沿徑向將坯錠規方，並機加工成500×800×250mm的方板坯。

(3)板坯在470℃下保溫4h，取出沿500mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min-1。厚度從250mm減至220mm。

(4)開坯後的板重新加熱到350℃條件下保溫1h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min-1，每道次厚度壓下量30％，2道次後軋製成1146×800×110mm板材，道次間在350℃條件下保溫0.5h。

(5)將板材冷卻加熱到200℃下保溫1h，取出沿800mm方向軋制，軋制速度20m·min-1，將厚度減至100mm，獲得1250×800×100mm的厚板。

(6)將厚板在490℃下固溶1h並淬水，放在2000噸液壓機下加壓校直消除淬火變形。

上述複合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強度達550～580MPa，屈服強度400～420MPa，延伸率5～8％，彈性模量105±1GPa。沿軋制方向測試軸向疲勞強度380MPa(R＝0.1，Kt＝1，50Hz@107)

實施例2

採用平均粒徑1.5μm的SiC顆粒和6092Al粉末共混，SiC顆粒體積含量25％，製備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，緻密度為99％～100％，坯錠直徑200mm，高度150mm。

(2)使用800噸液壓機沿坯錠軸向自由鐓粗至55mm、沿徑向將坯錠規方，並機加工成500×188×50mm的方板坯。

(3)板坯在480℃下保溫2h，取出沿188mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min-1。厚度從50mm減至45mm。

(4)開坯後的板重新加熱到360℃保溫2h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min-1，每道次厚度壓下量30％，3道次後軋製成500×627×15mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(5)將板材加熱到480℃保溫1h，取出換向90°，軋制速度60m·min-1，一道次軋製成624×627×12mm板材。

(6)將板材加熱到360℃保溫0.5h，沿換向後方向繼續軋制，軋制速度50m·min-1，每道次厚度壓下量30％，5道次後軋製成3400×627×2.2mm板材。

(7)將板材加熱到180℃下保溫1h，取出沿3500mm方向軋制，軋制速度20m·min-1，將厚度減至2.0mm，裁剪獲得3700×600×2mm的薄板，成材率94％。

(8)將薄板在520℃下固溶1h並淬水，放在多輥校直機上校直消除淬火變形。

上述複合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強度達540～580MPa，屈服強度430～480MPa，延伸率4～6％，彈性模量115±1GPa。沿軋制方向測試軸向疲勞強度400MPa(R＝0.1，Kt＝1，50Hz@107)

實施例3

採用平均粒徑5μm的B4C顆粒和6063Al粉末共混，B4C顆粒體積含量35％，製備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，緻密度為99％～100％，坯錠直徑160mm，高度200mm。

(2)使用800噸液壓機沿坯錠軸向自由鐓粗至52mm、沿徑向將坯錠規方，並機加工成420×190×50mm的方板坯。

(3)板坯在460℃下保溫1h，取出沿190mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min-1。厚度從50mm減至42mm。

(4)開坯後的板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度45m·min-1，每道次厚度壓下量30％，10道次後軋製成420×4300×2.2mm板材，道次間在360℃下保溫20min。

(5)將板材加熱到180℃保溫0.5h，取出沿4300mm方向軋制，軋制速度20m·min-1，將厚度減至2.0mm，裁剪獲得4500×400×2mm的薄板，成材率超過89％。

(6)將薄板在400℃下退火4h，放在多輥校直機上校直。

上述複合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強度達300～350MPa，屈服強度230～280MPa，延伸率3～5％，浸泡在90℃、濃度25ppm的硼酸水溶液中8000h，無點蝕發生，腐蝕失重率小於0.2％。

實施例4

採用平均粒徑10μm的SiC顆粒和2024Al粉末共混，SiC顆粒體積含量15％，製備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，緻密度為99％～100％，坯錠直徑420mm，高度500mm。

(2)使用5500噸臥式擠壓機將坯錠擠壓成截面尺寸為250×40的帶板(擠壓比約14：1)，將帶板切斷為250×40×600mm板坯。

(3)板坯在480℃下保溫2h，取出沿寬度方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min-1。厚度從40mm減至32mm。

(4)開坯後的板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min-1，每道次厚度壓下量30％，3道次後軋製成1000×600×10mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(5)將板材加熱到480℃保溫1h，取出換向90°，軋制速度60m·min-1，一道次軋製成1000×660×9mm板材。

(6)板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿寬度方向軋制，軋制速度50m·min-1，每道次厚度壓下量30％，3道次後軋製成1000×1850×3.2mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(7)將板材加熱到180℃保溫0.5h，取出沿1850mm方向軋制，軋制速度20m·min-1，將厚度減至3.0mm，裁剪獲得1900×1000×3mm的薄板，成材率超過95％。

(8)將薄板在490℃下固溶1h並淬水，並使用多輥校直機消除淬火變形，自然時效10天。

上述複合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強度達520～540MPa，屈服強度380～420MPa，延伸率5～8％，彈性模量98±1GPa，軸向疲勞強度330MPa(R＝0.1，Kt＝1，50Hz@107)

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過參照本發明的優選實施例已經對本發明進行了描述，但本領域的普通技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。