粉末冶金法製備高強度鋁合金的製作方法
2023-06-26 03:51:56
專利名稱：粉末冶金法製備高強度鋁合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用粉末冶金方法製造高強度鋁合金製品工藝。
背景技術：
本世紀七十年代以來，科學技術在生產和生活的各個領域獲得突飛猛進的發展。特別是航空航天等高新技術的發展，對材料的各種性能提出了一系列的新要求。其中主要包括要求材料的比剛度、比強度高、耐腐蝕、耐磨損。隨著科學技術的發展，各國汽車工業向安全、環保、節能方向發展，其中最主要的措施之一是使用鋁合金減輕汽車自重。
目前提高鋁合金的強度主要有以下幾種方法1、合金化方法在鋁合金中添加Cu、Zn、Mg等合金元素來增強合金強度；2.塑性變形法；3.組織非晶化法，包括組織為非晶相或納米晶、α-Al基體分布納米尺寸金屬間化合物粒子、α-Al基體分布納米尺寸準晶相。。
通過合金化方法目前在實驗室中可獲得最高強度740MPa的鋁合金，實際應用的鋁合金最高強度為540MPa，用合金化方法進一步提高鋁合金強度很困難。而用冷塑性變形方法來提高合金強度受形狀和尺寸的制約，而且合金的塑性急劇下降，並且不穩定。第三種方法目前取得了很大的進展，可獲得比傳統方法更高強度的鋁合金。在近幾年的研究中，各種高含Al量(Al≥85％)非晶合金合金條帶，其表現出了優異的綜合機械性能拉伸斷裂強度＞1000MPa、良好的彎曲韌性、耐腐蝕。1987年出現了第一份Al基非晶合金報告，合Al量85-90at％的合金由於其化合物具有優良的韌性和高強度而引起廣泛的注意。1988年以來Inoue等人分別研究Al-Ln-TM系非晶態合金。製取的合金條帶的拉伸強度超過1000MPa，最高可達1250MPa，是普通高強度Al合金強度的2倍。
非晶態高強鋁合金的形成方法主要是熔體急冷法，需要極高冷卻速度來抑制晶體的生成，從而得到非晶態，所以形成的非晶態合金的形態至少在一個方向上尺寸很小，如薄膜，條帶，粉末。這些形態在一定程度上限制了非晶態合金的應用，尤其是在工程材料方面。儘管非晶態合金有很高的強度，比強度和良好的耐腐蝕性，但是難以製成機器零件。
發明內容
本發明的目的是提供一種粉末冶金法製備高強度鋁合金工藝，採用該工藝可獲得抗壓強度大於820MPa的高強度鋁合金製品。
本發明高強度鋁合金的製造工藝特點是用預製的原子百分比含量為Al86La10Ni4或Al90Mn8Ce2的合金粉末在模具中熱壓成型而獲得抗壓強度大於820MPa的高強度鋁合金製品，其合金粉末粒度≤40μm、壓制壓力為1GPa-1.6GPa、壓制溫度為753K-803K。
合金成分的選擇合金的成分設計主要考慮材料的成本和性能。性能主要是指其力學性能(σb、HRC、耐磨性)。從降低合金成本考慮，合金的鋁含量應大於85％(原子百分數)，同時應該含有一定量的鎳或錳和鑭系等元素形成非常細小的強化相。本發明通過大量實驗，將上述兩種合金作為優選組分。
合金粉末的製備採用純度為99.9％的Al，Ni，Mn，99％La和Ce分別按原子百分比混合，在電弧爐中熔煉成中間合金，然後在氬氣保護下採用超聲波霧化法製取合金粉末，氣體冷卻速度約為103K/s製取的合金粉末粒度為小於40μm。
壓制工藝的確定1、溫度的選擇是獲得緻密的塊體合金的前提，壓制時要發生表面熔化才能獲得緻密的合金，即壓制溫度高於0.8Tm(Tm合金熔點)。而只有發生粉末表面熔化，壓制合金的緻密度才能很高。壓制溫度應在753K-803K。2、壓力選擇壓制條件下壓力產生應力集中，破壞合金粉末表面的氧化鋁膜(由於合金粉末製備和儲備中形成)，使得合金粉末的新鮮表面相互接觸，同時合金粉末發生表面熔化所產生的液相填充粉末粒子之間的空隙。壓力不小於1GPa時能獲得緻密的塊體合金製品。
壓制鋁合全的密度和空隙率的測量。
壓制試樣的密度測定採用阿基米德法在精度為十萬分之一的光電天平上進行。合金的空隙率(δ)由下式計算δ＝(ρtρm)/ρtρt和ρm；分別為合金的計算理論密度和測量密度。測量結果顯示，合金的密度隨著壓制溫度的增加而增加。在較低溫度下壓制，合金的空隙大而且組織中仍保持粉木顆粒形狀。隨著溫度的增加，組織密度增加。壓制塊體合金的空隙率可低於2％。
組織與性能壓制合金的顯微組織在低於473K壓制合金組織仍保留粉末的原有球狀形貌。隨著壓制溫度的增加，仍可見粉末的形貌(參閱圖2)。只有壓制溫度為593K時，粉末的形貌消失，組織中沒有明顯的空隙(參閱圖3)。溫度高於粉末發生表面熔化溫度(即0.8Tm)，得到完全再結晶的枝晶組織。溫度進一步增加，合金的微觀組織相同，合金為細小的再結晶組織(參閱圖4)。
X衍射結構分析分析結果，AlLaNi合金組織為α-Al，La3Al，LaNi，Al3Ni，La3Al11化合物和Al2O3，AlMnCe合金由α-Al，MnAl6，Al4Ce化合物和Al2O3組成。合金的強化主要為這些金屬間化合物和氧化物的貢獻(參閱圖5)研製的合金最高硬度可達到HRc31，抗壓強度可達到950MPa。耐磨性高於105鋁合金(見應用實例1和2)。
採用本發明技術方案製備的鋁合金具有以下效果1.本發明技術方案的製備高強度鋁合金的工藝簡單操作方便，壓制溫度在一定範圍內容易控制。
2、採用本發明技術方案製備的鋁合金的硬度和強度明顯優於傳統的高強鋁合金。
圖1是壓制裝置示意圖。
圖2是553K壓制合金的光學顯微照片。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。
圖3是593K壓制合金的光學顯微照片。(a)AlMnCe合金，(b)AlLaNt合金。
圖4是773K壓制合金電子顯微照片。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。
圖5是合金X射線衍射曲線。(a)AlMnCe合金，(b)AlLaNi合金。
圖6是壓制合金的空隙度與壓制溫度的關係曲線。
圖7是壓制合金的抗壓強度與壓制溫度的關係曲線。
圖8是不同壓制溫度下所獲壓制合金的耐磨性曲線。(a)AlLaNi合金，(b)AlMnCe合金。
具體實施例方式
應用實施例1用Al86La10Ni4(原子百分數)合金粉末，壓力為1.2GPa壓制合金，壓制工藝裝置簡示如圖1。
當溫度低於473K時壓制不能形成塊體合金，合金的空隙率隨著壓制溫度增加而增加。高於773K下壓制，合金的空隙率小於3％(參閱圖6所示)。合金的硬度最高可達HRC31，合金的抗壓強度最高達950MPa(參閱圖7)。合金的耐磨性是105鋁合金的2倍(參閱圖8(a))。
在不同的溫度下壓制Al86La10Ni4合金性能見表1。
表1壓制Al86La10Ni4合金性能測試結果
應用實施例2採用Al90Mn8Ce2(原子百分數)冶金粉末壓制合金。低於473K壓制不能形成塊體合金，壓制合金的空隙率隨著壓制溫度增加而增加。高於773K下壓制，合金的空隙率小於1％(參閱圖6所示)，合金的硬度最高可達HRC26，合金的抗壓強度最高達895MPa(參閱圖7)。合金的耐磨性是105鋁合金的3倍(參閱圖8(b))。
在不同的溫度下壓制Al90Mn8Ce2合金性能見表2。
表2壓制Al90Mn8Ce2合金性能測試結果
上述實施例所用的Al86La10Ni4或Al90Mn8Ce2合金粉末均是由熔煉的中間合金在氬氣保護下採用超聲波霧化法製取，粉末粒度≤40μm。
權利要求
1.粉末冶金法製備高強度鋁合金工藝，其特徵在於用預製的原子百分比含量為Al86La10Ni4或Al90Mn8Ce2的合金粉末在模具中熱壓成型而獲得抗壓強度大於820MPa的高強度鋁合金製品，其合金粉末粒度≤40μm、壓制壓力為1GPa-1.6GPa、壓制溫度為753K-803K。
2.根據權利要求1所述的粉末冶金法製備高強度鋁合金工藝，其特徵在於所說的Al86La10Ni4或Al90Mn8Ce2合金粉末是由熔煉的中間合金在氬氣保護下採用超聲波霧化法製取。
全文摘要
本發明涉及一種用粉末冶金方法製造高強度鋁合金製品工藝。該工藝用預製的原子百分比含量為Al
文檔編號C22C1/04GK1405344SQ0210989
公開日2003年3月26日 申請日期2002年5月31日 優先權日2002年5月31日
發明者李建忱, 趙明, 趙佔奎, 隋忠祥, 蔣青 申請人:吉林大學