一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料，具体涉及一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法。
技术背景
Al-Zn-Mg系铝合金为可通过热处理来强化的中高强铝合金，其比强度高，成型和可焊性能好，广泛应用于航空航天，轨道交通，军事装备等领域，尤其是高速列车的制造，其重要承力部件大量运用Al-Zn-Mg系铝合金。然而目前仅靠合金化来提高强度已接近极限且可焊性差，无法满足对铝合金性能日益增长的需求，因此需要寻求一种新的铝合金强化方法。
目前强化铝合金的方法有引入陶瓷颗粒或者添加适量稀土元素等。申请号为“CN201811286812.1”的发明专利报道了“一种原位双相纳米颗粒增强铝基复合材料的制备方法”，此方法采用熔体直接反应法在铝合金中原位合成ZrB2+Al2O3颗粒，形成双相颗粒增强铝基复合材料，然而由于纳米颗粒本身团聚，复合材料性能会因此受到影响，双相纳米颗粒的引入也没有很好的解决这个问题。申请号为“CN202011069290.7”的发明专利报道了“一种铝合金材料及其制备方法”，这种方法向铝合金中混合添加稀土Ce+Tb，来提升铝合金的机械性能、抗腐蚀性能、压铸性能、可焊性能、耐磨性和导热性，然而由于稀土添加过量反而会使材料性能恶化，少量的稀土强化效果有限，铝合金综合性能有待进一步提高。
因此开发一种新的铝合金强化方法有效提升铝合金综合性能具有广泛的应用前景，对铝合金及复合材料领域发展有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法。所述铝合金材料在保留其轻质高强的特点的同时，韧性也得到了提升，可焊性显著加强，有效改善了单一强化方法带来的弊端。
本发明向Al-Zn-Mg合金中同时引入的原位纳米陶瓷颗粒和稀土元素可有效细化晶粒、显著提高合金的强韧性，且晶内/晶界分布的稀土纳米析出相和原位纳米颗粒还可显著提高合金的再结晶温度并有效抑制动态回复、减少合金元素的回溶，提高合金的可焊性。
本发明通过以下技术手段实现上述目的。
一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金，其特征在于：以Al-Zn-Mg系铝合金为基体，通过成分调控，原位纳米陶瓷颗粒强化、细化，稀土微合金化，以及声磁场调控复合和超声半连铸技术，制备晶内均匀分布纳米Al3(Er+Zr)、Al3(Sc+Zr)、Al3Y稀土析出相，晶界包含大量原位纳米ZrB2、Al2O3、TiB2陶瓷颗粒的高强韧可焊接原位纳米强化稀土铝合金材料。
所述铝合金的化学成分按照质量百分比计算为:Zn：5-7，Mg：2-3，Mn：0.7-0.8，Cr：0.1-0.2，Cu：0.2-0.3，Zr：1.5-8，Ti：1.5-8，B：0.4-5，O：0.2-2，Er：0.05-0.3，Sc：0.05-0.3，Y：0.1-0.5，其余为Al。
一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：制备步骤包括：
(1)在声磁场调控下原位生成纳米陶瓷颗粒；
(2)待反应完全后，再补入其余金属元素和稀土元素；
(3)通过超声半连铸获得成分均匀，纳米陶瓷颗粒晶内/晶界分布可控的铝合金铸锭；
(4)最后通过均匀化处理、成形加工和热处理，获得高强韧的可焊原位纳米强化稀土铝合金及型材。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：纳米陶瓷颗粒为在熔体中原位反应生成的纳米ZrB2、Al2O3、TiB2陶瓷颗粒，颗粒尺寸为10-100nm，体积分数为高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的1-15％。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：稀土元素为Sc，Er和Y。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，形成纳米陶瓷颗粒的反应物为Co3O4，K2ZrF6，K2TiF6，KBF4，Na2B4O7，ZrO2，B2O3和Al2(SO4)3中的两种至多种。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，原位反应温度为850-900℃，反应时间为20-30min。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，电磁调控参数为：脉冲宽度的调节范围为100μs-50ms，频率范围为10-15Hz，脉冲磁场峰值强度的调节范围为1-10T。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，超声功率为5-10kW，超声时间为超声10min，间歇两分钟。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，其余各成分加入顺序为：待原位反应完成后，降温至750-760℃，加入纯Zn，纯Cu，Al-Cr，Al-Mn，Al-Zr以及稀土中间合金，反应10-15min；反应结束后进行扒渣，精炼除气，降温至680℃加入纯Mg，继续反应10-15min。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的超声半连铸工艺，其中超声的输出频率为(25±0.5)kHz，输出功率为200-300w，超声处理方式为连续超声。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中均匀化处理为二级均匀化工艺：350-370℃/8-10h+450-470℃/10-12h。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的成形加工为轧制、挤压、锻造中的一种至多种，成形加工前进行500℃/4h退火，成形加工温度为450-500℃，变形量为50％-500％。
所述的一种高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金及其制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中热处理为T6：470-500℃/1-2h(水冷)+150-160℃/30min-12h。
本发明采用纳米颗粒和稀土协同增强的依据为：
原位纳米颗粒强化的增强体颗粒直接在铝熔体中反应生成与基体结合较好，热稳定性高，尺寸细小，因此复合材料的强度和塑韧性较为良好，在工业制造领域有着广泛应用。然而纳米颗粒强化存在增强体颗粒易团聚，颗粒尺寸及分布不易控制等缺点，这些缺点会导致复合材料韧性降低。将稀土元素引入Al-Zn-Mg系铝合金中，可以提高再结晶温度，抑制合金再结晶和细化晶粒，促进η′相的析出，提高塑性改善疲劳性能和应力腐蚀敏感性。然而少量稀土的引入对于Al-Zn-Mg系铝合金的强化效果有限，过量的稀土又会导致晶粒粗化。因此利用原位纳米颗粒和稀土协同强化铝合金，两者优劣互补，可以让铝合金的强韧性和焊接性大幅提升。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
(1)本发明采用熔体直接反应法并结合电磁与超声调控制备原位纳米陶瓷颗粒，此外还引入稀土元素，获得在晶内均匀分布的纳米稀土析出相，细化晶粒，抑制再结晶。此外稀土还可以使纳米颗粒增强体分布更加均匀，改善了基体与增强体之间的润湿和结合强度，使得铝合金的强韧性大幅提升。
(2)稀土的引入改善了铝合金的可焊接性，进一步拓展了铝合金的应用空间。
附图说明
图1是高强韧可焊原位纳米强化稀土铝合金的金相图及区域放大图：(a)金相图；(b)A区域放大图。从图中可以看出稀土的加入使得纳米颗粒的分布分散而均匀，这将有助于改善合金性能。
具体实施方式
本发明可以根据以下示例实施，但是不限于以下实例；在本发明中所使用的的属于，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
以下对本发明进行进一步描述。
实施实例1
稀土铝合金的化学成分为(质量百分比):Zn：6.02，Mg：2.59，Mn：0.76，Cr：0.11，Cu：0.23，Zr：1.80，Ti：1.82，B：0.80，O：0.20，Er：0.10，Sc：0.12，Y：0.10，其余为Al。
称取一定量的K2ZrF6、K2TiF6、KBF4和Na2B4O7，于200℃脱水3h后混合研磨均匀；将纯铝置于坩埚中，利用感应线圈进行加热熔化，保持铝液温度在850℃，将混合研磨后的反应物粉末用铝箔包好后用钟罩压入铝液中充分反应；开启电磁调控装置与超声，脉冲宽度为500μs，频率为10Hz，脉冲磁场峰值强度为1T，超声功率5kW，超声处理10min，间歇2min，反应30min，将熔体温度降至750℃，加入纯Cu，纯Zn，Al-Mn，Al-Cr，Al-Zr，Al-Sc，Al-Er，Al-Y。反应10min，反应结束后进行扒渣，精炼除气，降温至680℃，加入纯Mg，继续反应10min，超声半连铸输出频率为25kHz，输出功率为200W，获得成分均匀，纳米陶瓷颗粒晶内/晶界分布可控的铝合金铸锭。将铸锭进行均匀化处理，均匀化处理参数为350℃/8h+450℃/10h。均匀化处理后进行轧制，轧制前进行500℃/4h退火，轧制温度为450℃，最终变形量为90％。样品在拉伸测试前进行T6热处理参数为500℃/2h(水冷)+160℃/6h。焊接测试选用激光焊接，激光频率为8.5Hz，激光脉宽5ms，氩气保护。测试结果表明该原位纳米强化稀土铝合金的抗拉强度为480MPa，屈服强度为412MPa，延伸率为16.3％，相比未添加纳米颗粒和稀土的原合金，分别提高了30％，28.5％，10％。该原位纳米强化稀土铝合金板材激光焊缝的抗拉强度为415MPa,屈服强度为397MPa,延伸率为14.7％，综合性能高于未强化合金板材，较未强化板材激光焊缝提高了65％，53％，30％。
实施实例2
Zn：5.03，Mg：2.06，Mn：0.71，Cr：0.13，Cu：0.25，Zr：2.30，Ti：2.26，B：1.90，O：0.45，Er：0.2，Sc：0.2，Y：0.21，其余为Al。
称取一定量的K2ZrF6、K2TiF6、KBF4和Na2B4O7，于200℃脱水3h后混合研磨均匀；将纯铝置于坩埚中，利用感应线圈进行加热熔化，保持铝液温度在870℃，将混合研磨后的反应物粉末用铝箔包好后用钟罩压入铝液中充分反应；开启电磁和超声调控装置，脉冲宽度为1ms，频率为12Hz，脉冲磁场峰值强度为3T，超声功率6kw，超声处理10min，间歇2min，反应25min，熔体温度降至760℃，加入纯Cu，纯Zn，Al-Mn，Al-Cr，Al-Zr，Al-Sc，Al-Er，Al-Y。反应10min，反应结束后进行扒渣，精炼除气，降温至680℃，加入纯Mg，继续反应10min，超声半连铸输出频率为25kHz，输出功率为250W，获得成分均匀，纳米陶瓷颗粒晶内/晶界分布可控的铝合金铸锭。将铸锭进行均匀化处理，均匀化处理参数为360℃/9h+460℃/11h。均匀化处理后进行热挤压，挤压前进行500℃/4h退火，挤压模具温度为470℃，最终变形量为70％。样品在拉伸测试前进行T6热处理参数为480℃/2h(水冷)+160℃/10h。焊接测试选用MIG焊接，焊接电压为25V，焊接电流为200A，氩气保护。测试结果表明该原位纳米强化稀土铝合金的抗拉强度为470MPa，屈服强度为406MPa，延伸率为15.8％，相比未添加纳米颗粒和稀土的原合金，分别提高了27.3％，26.6％，9％。该原位纳米强化稀土铝合金板材MIG焊缝的抗拉强度为410MPa,屈服强度为390MPa,延伸率为14.1％，综合性能高于未强化合金板材，较未强化板材MIG焊缝提高了63％，50.3％，24.7％。
实施实例3
稀土铝合金合金成分为：Zn：6.99，Mg：2.98，Mn：0.74，Cr：0.15，Cu：0.28，Zr：3.11，Ti：3.23，B：2.45，O：0.53，Er：0.3，Sc：0.3，Y：0.3，其余为Al。
称取一定量的K2ZrF6、K2TiF6、KBF4和Na2B4O7，于200℃脱水3h后混合研磨均匀；将纯铝置于坩埚中，利用感应线圈进行加热熔化，保持铝液温度在890℃，将混合研磨后的反应物粉末用铝箔包好后用钟罩压入铝液中充分反应；开启电磁和超声调控装置，脉冲宽度为5ms，频率为15Hz，脉冲磁场峰值强度为5T，超声功率10kW，超声处理10min，间歇2min，反应20min，将熔体温度降至770℃，加入纯Cu，纯Zn，Al-Mn，Al-Cr，Al-Zr，Al-Sc，Al-Er，Al-Y。反应10min，反应结束后进行扒渣，精炼除气，降温至680℃，加入纯Mg，继续反应10min，超声半连铸输出频率为25kHz，输出功率为300W，获得成分均匀，纳米陶瓷颗粒晶内/晶界分布可控的铝合金铸锭。将铸锭进行均匀化处理。均匀化处理参数为370℃/10h+470℃/12h。均匀化处理后进行轧制，轧制前进行500℃/4h退火，轧制温度为500℃，最终变形量为80％。样品在拉伸测试前进行T6热处理参数为480℃/2h(水冷)+160℃/10h。焊接测试选用FSW焊接，搅拌头轴肩直径10mm，转速1500r/min，焊接速度为500mm/min。测试结果表明该原位纳米强化稀土铝合金的抗拉强度为473MPa，屈服强度为410MPa，延伸率为16.1％，相比未添加纳米颗粒和稀土的原合金，分别提高了28.1％，27.9％，8.7％。该原位纳米强化稀土铝合金板材FSW焊缝的抗拉强度为409MPa,屈服强度为388MPa,延伸率为14％，综合性能高于未强化合金板材，较未强化板材FSW焊缝提高了62.6％，49.5％，23.9％。
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