[发明专利]一种高强高韧材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高韧材料，由如下重量百分含量的成分组成：0.6～0.8％Fe，0.95～1.25％Cr，2～6％Zn，0.05～0.08％Pt，2～6％Sn，0.2～0.8％Bi，0.01～0.04％Th，0.1～0.5％Sb，0.01～0.04％Dy，0.01～0.04％P，其余为Al；融入固溶体中的溶质原子使合金固溶体的强度与硬度增加，具有良好的稳定性、实用性和力学性能。制备方法采用预冷铸型的激冷作用，促进了元素的细晶强化。铸造时采用铝锑合金进行变质反应，可有效提高α相晶型的体积分数，提高合金强度和硬度。铸造后的热挤压工艺，改善了微观组织，提高了力学性能,可广泛应用于制造领域。

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，尤其涉及一种高强高韧材料及其制备方法。

背景技术

自20世纪50年代起，高强高韧铝合金在航空航天领域得到了迅速发展，成为当代飞机轻量节能的主要结构材料之一。高强高韧铝合金指经热处理强化后，在保持所需塑性和断裂韧性同时，室温抗拉强度大于1100MPa的铝合金，一般包括富β稳定元素的α+份型、近β型和亚稳β型。

Αl以置换形式存在于α相中，提高合金强度、在结晶温度和相变点，属于α稳定元素，ΑL是合金中最常用的合金元素之一，主要是由于：(1)Αl在地壳中含量较多，易于制取且价格便宜，降低原料成本；(2)Αl密度小，且1wt％的铝元素可使强度增大50MPa，从而提高合金比强度Αl可以增加原子间的键合力使晶粒细化，提高合金的弹性模量和高温强度。

Fe和Cr以置换方式优先溶解于β相中，具有最好的固溶强化效果，属于慢共析型β稳定元素。含Fe和Cr的铝合金在高温条件下长时间工作时会缓慢发生共析反应，析出的化合物会导致合金脆化。另外，含Fe的铝合金在熔炼时易发生成分偏析，导致局部相变点低于基体转变温度，从而产生“β斑”，降低合金塑性。

Sn和Zr在α相和β相中均有较大溶解度，起到补充强化的作用，属于中性元素。Zr与Ti属于同族元素，不会降低原子间的结合力，因此对合金塑性变形能力影响较小。Zr的添加量不宜过多，否则会加速合金氧化过程。Sn可以提高合金的高温性能，是高温铝合金的良好合金元素。

在实际生产中，合金元素不仅起到固溶强化的作用，还会改变组织中相的比例关系。多元铝合金通过[Mo]eq值来考虑合金元素的综合强化效果，当[Mo]eq在10左右时，无论是退火还是固溶时效状态下，合金都具有较高的强度。当[Mo]eq在10左右时，合金中α相和β相的体积分数相当，二者相互制约，抑制晶粒长大，从而使合金的强度提高。合金的[Mo]eq较低时，快速冷却过程中β相不能完全被保留至室温，合金达不到很好的强化效果；但是[Mo]eq过高会提高合金中β相的稳定性，时效过程中析出的次生α相体积分数减少，合金的强化效果减弱，因此刘高强高韧铝合金进行成分设计时应充分考虑合金元素的添加量，不宜过多或过少，以[Mo]eq为10左右时为好。

高强高韧铝合金的主要特点是加入了大量的β稳定元素，使得固溶处理后的β相通过快速冷却(水冷或空冷)就可以全部保留至室温，形成“过冷β相”。固溶处理后的材料在适当的时效温度下保温一段时间，β基体上弥散析出大量的针状次生α相，使合金强度大幅度提高[t5ol。几乎所有的高强高韧铝合金中均含有2％～5％的α稳定元素Αl，这不仅可以保证时效处理后α，相的析出量，还可以通过固溶强化的方式提高α相的强度。

由于铸造铝硅合金可锻性差，目前国内几乎均采用铸造成型工艺。但是，在常规铸造条件下获得的铝硅合金的微观组织中，共晶硅相为粗大的针片状，初晶硅为粗大的多角块状，使合金丧失了必要的使用性能，同时恶化了合金的切削加工性能，更不能通过变形使其强化。因此，该类合金力学性能受到限制。在常规铸造条件下获得的共晶铝硅合金的微观组织中，出现板条状的共晶Si，甚至出现出大的多角形板状初晶Si，严重地割裂了Α1基体；在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处，或者板状Si本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，机械性能特别是伸长率显著降低，切削加工性能也不好。