一種製備變形鋁合金半固態漿料的方法

2023-05-17 18:00:11

專利名稱：一種製備變形鋁合金半固態漿料的方法
技術領域：
本發明涉及半固態鋁合金漿料製備技術領域，特別提供了一種不經攪拌直接製備高強變形鋁合金半固態漿料的方法。該方法不僅適用於難度較大的變形鋁合金半固態漿料的製備，還可用於鑄造鋁合金，鎂合金和其它合金體系半固態漿料的製備。
背景技術：
通常，鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。鑄造鋁合金是以鑄造方法 (液態金屬直接澆注)生產的鋁合金鑄件。變形鋁合金是以壓力加工方法生產的鋁合金加工產品，包括板，帶，箔，管，棒，以及其它各種異型材。目前流變成形研究的鋁合金主要集中在鑄造鋁合金A356、A357等上。雖然這類合金漿料的製備較易，但成形後材料的力學性能較差。將高性能變形鋁合金從液態直接近淨成形為零件，一直是材料工作者追求的目標。由於變形鋁合金結晶範圍寬、析出相與基體之間比重差異大，因此用傳統工藝生產這類合金時易導致組織粗大、熱裂傾向嚴重和明顯的宏觀偏析。近年來，國內外材料工作者開展了流變成形高性能變形鋁合金的製備-組織-性能的研究工作。研究中遇到的主要問題是 (1)變形鋁合金的固液兩相區通常較寬(例如，7075變形鋁合金的固相線溫度為477°C，固相線溫度為635°C，固液相線溫度差為158°C)，當工藝參數(如漿料溫度、比壓、模具預熱溫度等)控制不當時，易產生一些組織缺陷(如存在異常長大的薔薇形組織、冷夾層等)和表面缺陷(如部件外表面的冷隔等)，大大降低材料的性能；(2)目前多數的製漿工藝是依賴外場作用(機械攪拌、電磁攪拌等)使枝晶破碎，這種工藝能耗較高，設備投入較大，質量難以控制(由於合金固液相線溫度差大，枝晶發達，攪拌難度很大)，半固態流變成形較為困難。例如，申請號為200910099955. 6的中國專利申請文件介紹了使用一種彎道自攪拌製備半固態漿料的方法。由於彎道彎曲坡度較大，容易出現結殼和堵塞彎管的現象，實際應用比較困難。又如，EP0745691A1專利文件介紹了一種非機械或非電磁攪拌的低過熱度傾斜板澆注製備半固態漿料的方法。由於漿料只能獲得低強度的紊流(低剪切速率)，多用於鑄造鋁合金半固態漿料的製備。為了實現穩定的半固態漿料的生產，漿料組織形成機制應由枝晶破碎向促使球形組織直接生長的機制轉變。眾所周知，快速獲得理想的非枝晶半固態漿料是解決流變成形的技術關鍵，半固態漿料的諸多特性均與其球形或近球形的晶粒組織有關。球形或近球形晶粒的獲得主要來自樹枝晶破碎球化技術和控制形核抑制樹枝晶生長技術。前者的核心是通過攪拌使凝固生成的樹枝晶破碎。這種工藝能耗較高，較易引起合金液的飛濺和氧化。後者的核心是在合金熔體中形成大量的晶核，從合金熔體中直接獲得球形或近球形的初生固相。

發明內容
本發明的目的在於提供一種不經攪拌直接製備高強變形鋁合金半固態漿料的方法。這是一種短流程，易控制，低成本製備半固態變形鋁合金漿料的方法。
一種製備變形鋁合金半固態漿料的方法，其特徵是將熔鑄-原位合成陶瓷顆粒製備技術和近液相線澆注技術相結合，在變形鋁合金熔體中原位合成一定量的亞微米級TiB2 顆粒，作為異質形核核心，顯著促進變形鋁合金初生相的形核。再利用近液相線澆注技術控制球狀晶的長大，最終製備出高性能的變形鋁合金。製備步驟如下
1、選擇鋁合金體系，配製混合鹽按原子計量比Ti =B=I :2. 2配比K2TiF6 (純度高於 97wt%)和KBF4 (純度高於97wt%)混合鹽。混勻並經300°C烘乾。2、熔煉鋁合金將選定的鋁合金熔化並加熱至800_850°C保溫5_15分鐘使其均勻化。3、熔鑄-原位合成TW2顆粒當鋁合金熔體溫度為800_850°C時迅速加入上述一定量K2TiF6和KBF4混合鹽(理論生成TW2質量佔合金總質量的3%飛％)。用石墨攪拌器充分攪拌5-15分鐘後再保溫15分鐘。4、扒渣、精煉和除氣將步驟3所述複合材料熔體降溫至720V，扒除表面殘渣，進行常規的鋁合金精煉除氣。5、低溫澆注將步驟4所述複合材料熔體降到液相線以下5°C 10°C，保溫5 30分鐘後直接水淬或經壓鑄、擠壓成形。如上所述的製備變形鋁合金半固態漿料的方法，其特徵是鋁合金體系選擇 7075 變形鋁合金。化學成分為0. 40wt%Si,0. 50wt%Fe, 1. 2 2. 0wt%Cu,0. 30wt%Mn, 2. Γ2. 9wt%Mg,0. 20wt%Ti,0. 18 0. 28wt%Cr, 5. Γβ. lwt%Zn，其餘為 Al。步驟 5 所述複合材料熔體降到63(T625°C，保溫5 30分鐘後直接水淬或經壓鑄、擠壓成形。本專利申請的創新性在於將熔鑄-原位合成陶瓷顆粒製備技術和近液相線澆注技術相結合，在變形鋁合金熔體中原位合成一定量的亞微米級TW2顆粒(平均尺寸約 500nm)，作為異質形核核心，顯著促進變形鋁合金初生相的形核。再利用近液相線澆注技術控制球狀晶的長大(溫度過高不利於球狀晶的形成，溫度過低不利於熔體的流動和後續的充型過程)，最終製備出高性能的變形鋁合金。本發明的優點是
1、流程短合金的熔煉和陶瓷顆粒的生成同時進行，有利於實現半固態漿料製備與成形的一體化和連續化。2、操作簡單只需將複合材料熔體保溫5 35分鐘、經簡單的水淬或者壓鑄、擠壓成形過程就可以獲得較理想的半固態材料。3、成本低不需要添加任何其它特定的漿料製備裝置。製備過程中合金熔體表層覆蓋的氟鹽可有效減輕熔體的氧化和燒損。4、適用面廣不僅適用於難度較大的變形鋁合金半固態漿料的製備，還可用於鑄造鋁合金，鎂合金和其它合金體系半固態漿料的製備。原位合成陶瓷顆粒的添加還有利於提高材料的耐磨性。


圖1為3wt%TiB2/7075鋁基複合材料在630°C保溫不同時間後直接水淬得到的半固態組織(a) IOmin (b) 23min ；
圖2為3wt%TB2/7075鋁基複合材料在625°C保溫不同時間後直接水淬得到的半固態組織(a) 8min (b) 20min ；
圖3為6wt%TiB2/7075鋁基複合材料在630°C保溫不同時間後直接水淬得到的半固態組織(a) 30min (b) 33min ；
圖4為6wt%TB2/7075鋁基複合材料在625°C保溫不同時間後直接水淬得到的半固態組織(a)25min (b)30min。
具體實施例方式實施例1
將7075鋁合金熔化並加熱至800°C，保溫15分鐘。然後加入生成TW2質量佔合金總質量3%的K2TiF6和KBF4混合鹽。用石墨攪拌器充分攪拌10分鐘後再保溫15分鐘。降溫至720°C時扒除表面殘渣，加入佔熔體0. 5wt%的C2Cl6精煉劑進行精煉和除氣。再將熔體溫度降到液相線以下5°C即630°C，分別保溫10，23分鐘後直接水淬，得到3wt%TiB2/7075鋁基複合材料半固態漿料(圖la-b)。經計算，保溫23min時材料的平均晶粒尺寸為92. 15 mm, 形狀因子為0. 64。實施例2
將7075鋁合金熔化並加熱至825°C，保溫10分鐘。然後加入生成TW2質量佔合金總質量3%的K2TiF6和KBF4混合鹽。用石墨攪拌器充分攪拌12分鐘後再保溫15分鐘。降溫至720°C時扒除表面殘渣，加入佔熔體0. 5wt%的C2Cl6精煉劑進行精煉和除氣。再將熔體溫度降到液相線以下10°C即625°C，分別保溫8，20分鐘後直接水淬，得到3wt%TiB2/7075鋁基複合材料半固態漿料(圖加-b)。經計算，保溫20min時材料的平均晶粒尺寸為96. 02 mm, 形狀因子為0. 63。實施例3
將7075鋁合金熔化並加熱至840°C，保溫7分鐘。然後加入生成TW2質量佔合金總質量6%的K2TiF6和KBF4混合鹽。用石墨攪拌器充分攪拌10分鐘後再保溫15分鐘。降溫至 7200C時扒除表面殘渣，加入佔熔體0. 5wt%的C2Cl6精煉劑進行精煉和除氣。再將熔體溫度降到液相線以下5°C即630°C，分別保溫30，33分鐘後直接水淬，得到6wt%TiB2/7075鋁基複合材料半固態漿料(圖3a-b)。經計算，保溫33min時材料的平均晶粒尺寸為100. 05 mm, 形狀因子為0. 64。實施例4
將7075鋁合金熔化並加熱至850°C，保溫5分鐘。然後加入生成TW2質量佔合金總質量6%的K2TiFf^P KBFJg合鹽。用石墨攪拌器充分攪拌5分鐘後再保溫15分鐘。降溫至 7200C時扒除表面殘渣，加入佔熔體0. 5wt%的C2Cl6精煉劑進行精煉和除氣。再將熔體溫度降到液相線以下10°C即625°C，分別保溫25，30分鐘後直接水淬，得到6wt%TiB2/7075鋁基複合材料半固態漿料(圖4a-b)。經計算，保溫30min時材料的平均晶粒尺寸為106. 41 mm, 形狀因子為0. 66。
權利要求
1.一種製備變形鋁合金半固態漿料的方法，其特徵在於將熔鑄-原位合成陶瓷顆粒製備技術和近液相線澆注技術相結合，在變形鋁合金熔體中原位合成一定量的亞微米級 TiB2顆粒，作為異質形核核心，顯著促進變形鋁合金初生相的形核；再利用近液相線澆注技術控制球狀晶的長大，最終製備出高性能的變形鋁合金；具體方法如下(1)選擇鋁合金體系，配製混合鹽按原子計量比Ti=B=I 2. 2配比純度高於97wt%的 K2TiF6和純度高於97wt%的KBF4混合鹽，混勻並經300°C烘乾；(2)熔煉合金將選定鋁合金熔化並加熱至800-850°C保溫5-15分鐘使其均勻化；(3)熔鑄-原位合成TW2顆粒當鋁合金熔體溫度為800-850°C時迅速加入上述一定量的K2TiF6和KBF4混合鹽，生成TW2質量佔合金總質量的3%飛％，用石墨攪拌器充分攪拌 5-15分鐘後再保溫15分鐘；(4)扒渣、精煉和除氣將步驟(3)產生的複合材料熔體降溫至720°C，扒除表面殘渣， 進行常規的鋁合金精煉除氣；(5)低溫澆注將步驟(4)產生的複合材料熔體降到液相線以下5°C 10°C，保溫5 35 分鐘後直接水淬或經壓鑄、擠壓成形。
2.如權利要求1所述的製備變形鋁合金半固態漿料的方法，其特徵是鋁合金體系選擇 7075 變形鋁合金，化學成分為0. 40wt%Si，0. 50wt%Fe, 1. 2 2. 0wt%Cu, 0. 30wt%Mn, 2. Γ2. 9wt%Mg,0. 20wt%Ti,0. 18 0. 28wt%Cr, 5. Γ6. lwt%Zn,其餘為 Al ；步驟(5)所述複合材料熔體降到63(T625°C，保溫5 30分鐘後直接水淬或經壓鑄、擠壓成形。
全文摘要
一種製備變形鋁合金半固態漿料的方法，屬於半固態鋁合金漿料製備技術領域。本發明不經攪拌直接製備高強變形鋁合金半固態漿料，將熔鑄-原位合成陶瓷顆粒製備技術和近液相線澆注技術相結合，在變形鋁合金熔體中原位合成一定量的亞微米級TiB2顆粒，作為異質形核核心，顯著促進變形鋁合金初生相的形核。再利用近液相線澆注技術控制球狀晶的長大，最終製備出高性能的變形鋁合金。該方法不僅適用於難度較大的變形鋁合金半固態漿料的製備，還可用於鑄造鋁合金，鎂合金和其它合金體系半固態漿料的製備。
文檔編號B22D21/04GK102319890SQ20111026798
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月12日 優先權日2011年9月12日
發明者楊濱, 梅晗, 甘貴生, 貝舒瑜 申請人:北京科技大學