本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域，提供了一種不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鍛件制備工藝方法。
背景技術(shù)：
不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(簡記為DRA)因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗疲勞、抗高溫蠕變、耐熱、耐磨、減振及尺寸穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且制造工藝簡單，原材料價格低廉，因而成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。發(fā)達(dá)國家已成功地將DRA用于飛機(jī)、汽車、軌道交通等領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)零部件的批量生產(chǎn)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益(International Materials Reviews,vol.39,No.1(1994)p.1-23)。
塑性成型加工是DRA的關(guān)鍵制備工序。自由鍛簡單的加工工藝和多樣的產(chǎn)品形狀和尺寸，使其成為重要的金屬材料成型加工方法之一。然而，由于DRA中含有大量的硬質(zhì)增強(qiáng)相，極大的降低了材料的塑性，使DRA變形加工十分困難。尤其在自由鍛造時，鍛坯沒有模具約束，材料呈單向壓應(yīng)力、雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，變形時容易造成產(chǎn)品開裂。此外，自由鍛壓時處于非等溫條件，給調(diào)控DRA復(fù)雜的組織如顆粒團(tuán)聚、晶粒尺寸等帶來極大困難。
對于粉末冶金或攪拌鑄造制備的DRA坯錠，由于材料未完全致密、增強(qiáng)相與鋁基體界面結(jié)合不理想，塑性較低，直接進(jìn)行自由鍛，不僅道次變形量受到限制，而且極易產(chǎn)生開裂，降低了自由鍛的效率與成材率，同時鍛件性能也不夠理想。綜上，如何減少DRA自由鍛造裂紋、調(diào)控變形組織并提高鍛造效率是DRA自由鍛件工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。
然而，目前關(guān)于DRA自由鍛造工藝的專利較少，僅有一項(xiàng)中國專利(ZL200910241853)涉及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鍛造工藝。該方法是在鋁基復(fù)合材料坯錠外加鋼包套，類似模鍛原理，利用鋼包套產(chǎn)生約束作用避免鍛造裂紋的產(chǎn)生。但該工藝僅適于制備圓盤形的工件，對于其它形狀如長方體工件，鍛壓時鋼包套不能完全包覆鍛坯，因而并不適用。另外，鋼包套需要更大的鍛造力，對設(shè)備的要求更高。最后，該工藝需要在鍛造前加工包套模具，鍛造后需機(jī)械加工去除包套，增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和成本。
擠壓變形可明顯提高DRA的致密性、改善界面結(jié)合并調(diào)控顆粒分布，從而大幅度提高DRA的后續(xù)塑性加工工藝性。但DRA的變形組織比未增強(qiáng)鋁合金復(fù)雜，擠壓時常形成增強(qiáng)相富集帶或貧增強(qiáng)相區(qū)，在后續(xù)鍛造時，裂紋容易在增強(qiáng)相富集區(qū)形核，而且微觀不均勻的組織給鍛造組織調(diào)控帶來困難，容易降低制品力學(xué)性能。因此需要調(diào)控?cái)D壓溫度和速度來調(diào)控增強(qiáng)相分布均勻性。已有研究表明高溫?cái)D壓時鋁合金基體極易發(fā)生變形，而增強(qiáng)相的流動相對滯后，易導(dǎo)致增強(qiáng)相沿?cái)D壓方向發(fā)生偏聚，形成鏈狀分布(塑性變形對噴射沉積7090Al/SiCp復(fù)合材料SiC分布及組織性能影響，孫有平，湖南大學(xué)博士學(xué)位論文，2009；擠壓處理對SiCp/2014Al復(fù)合材料組織及性能的影響，劉小玉，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015)。鍛壓變形中，存在增強(qiáng)相再分布和裂紋形核的問題。這與鍛壓溫度、速度和道次變形率相關(guān)。已有研究表明高速下鍛造，容易產(chǎn)生絕熱剪切帶，導(dǎo)致組織均勻性變差。而動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)溫度下鍛造易于改善增強(qiáng)相分布(Y.V.R.K.Prasad等，Hot Working Guide，ASM International Materials Park，Ohio44073-0002，ISBN-13:978-1-62708-091-0)。但自由鍛為非等溫、等應(yīng)變速率條件，而且對大尺寸鍛件，變形均勻性差異巨大，現(xiàn)有的資料數(shù)據(jù)并未給出自由鍛件組織控制方法。
綜上所述，本發(fā)明提出一種適用于不同形狀產(chǎn)品的自由鍛工藝，用于DRA鍛件的快速、高效與可控制備。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種適用于DRA的鍛件制備工藝。采用粉末冶金或攪拌鑄造方法制備坯錠，采用熱擠壓方法制備鍛坯，擠壓時控制擠壓溫度和速度進(jìn)而控制獲得均勻的擠壓材微觀組織。采用優(yōu)化微觀組織的擠壓材作為鍛坯，進(jìn)一步控制自由鍛的溫度和速度，實(shí)現(xiàn)DRA鍛件的快速、高效與可控制備。該方法不容易產(chǎn)生鍛造裂紋，能夠大幅提高鍛造效率和成品率，適用于不同形狀的DRA鍛件，并可采用常規(guī)的鋁合金自由鍛生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行，生產(chǎn)成本低。
本發(fā)明是通過以下工藝實(shí)現(xiàn)的：
一種不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鍛件制備工藝，其特征在于，步驟如下：
1.坯錠制備：采用粉末冶金或攪拌鑄造方法制備DRA坯錠；
2.鍛坯制備：采用熱擠壓方法制備出DRA棒材或矩形材，擠壓溫度在300-400℃之間，擠壓速度在0.2-0.8mm/s；
3.自由鍛造：鍛坯在空氣錘或液壓機(jī)上自由鍛造，每鍛造一道次后進(jìn)行退火，直至鍛到所需尺寸。
本發(fā)明在擠壓時控制擠壓溫度和速度進(jìn)而控制擠壓材的微觀組織，采用優(yōu)化微觀組織的擠壓材制成鍛坯，通過控制自由鍛的溫度、變形速率、終鍛溫度、大幅提高單道次變形量，減少鍛造裂紋。
本發(fā)明中，所述不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鋁合金基體為任意牌號的變形鋁合金與非商用鋁合金，增強(qiáng)相包括但不限于碳化硅、碳化硼、碳化鈦、氮化鋁、氧化鋁、二硼化鈦以及碳納米管中的任何一種。陶瓷增強(qiáng)相顆粒尺寸為1.5-50μm，在復(fù)合材料中的體積含量為5-30％；碳納米管等納米碳增強(qiáng)相體積含量為0.5-10％。
作為優(yōu)選的技術(shù)方案，采用熱擠壓方法制備出DRA棒材或矩形材，其中棒材直徑為50-450mm，矩形材邊長為50-300mm，根據(jù)需要截成所需鍛坯。
作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述自由鍛造的工藝為：鍛造溫度在420-480℃之間，終鍛溫度不低于420℃；鍛造變形速度為25-40mm/s，每道次鍛造變形量20-35％。
作為優(yōu)選的技術(shù)方案，每鍛造一道次后進(jìn)行退火，退火溫度在420-480℃之間，保溫2-6小時。
本發(fā)明的有益效果是：
1.將DRA在較低溫度和較慢速度范圍內(nèi)擠壓，不僅可避免擠壓裂紋的產(chǎn)生，而且鋁基體的變形抗力較大，增強(qiáng)相在基體中的運(yùn)動阻力大，不易形成團(tuán)聚。
2.擠壓鍛坯微觀均勻性的改善，降低了鍛造時裂紋在增強(qiáng)相團(tuán)聚區(qū)域形核的可能性，有利于提高每道次的鍛壓變形率。
3.較高的溫度下鍛造，材料塑性較好，有利于提高道次變形率。同時，規(guī)定在較高速度下鍛造，能增加塑性變形所釋放的熱量，彌補(bǔ)自由鍛時的溫度下降，從而控制鍛件的溫度均勻性。
4.控制終鍛溫度，可保持DRA始終在較窄溫度區(qū)間變形，易于控制變形組織，而且高溫下材料具有良好的塑性，不易產(chǎn)生微孔、裂紋等缺陷。
綜上，本發(fā)明所述方法可以在大變形量下鍛造而降低缺陷形成，此外可控制組織(如顆粒團(tuán)聚)，從而提高鍛造效率、成品率以及鍛件性能。另外，本發(fā)明可根據(jù)需要鍛造成不同形狀的產(chǎn)品。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
采用粉末冶金方法制備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度320℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造，沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，每道次變形量35％，終鍛溫度430℃。鍛造3道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。鍛造工件表面無開裂。
比較例1
采用粉末冶金方法制備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為φ150×300mm。將坯錠在480℃保溫3小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，道次變形量達(dá)15％時坯錠表面有微裂紋產(chǎn)生。將微裂紋打磨消除后，變形速度30mm/s，每道次變形量10％，終鍛溫度430℃。鍛造6道次，每道次之間在480℃保溫3小時。將工件鍛造成φ210×150mm的圓餅，將圓餅鍛造成長方形時，坯錠邊緣開裂。
實(shí)施例2
采用粉末冶金方法制備30vol.％SiCp/2009Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ350×1500mm，擠壓溫度350℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ350×350mm。在480℃保溫6小時。采用800噸油壓機(jī)自由鍛造。沿350mm高度方向燉粗，每道次變形量20％，變形速度25mm/s，終鍛溫度430℃。鍛造4道次，每道次之間在480℃保溫6小時。工件的鍛造尺寸為φ550×150mm。鍛造工件邊緣無裂紋。
比較例2
采用粉末冶金方法制備30vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為φ350×350mm。將坯錠在480℃保溫6小時。采用800噸油壓機(jī)自由鍛造。沿350mm高度方向燉粗，變形速度25mm/s，每道次變形量10％，終鍛溫度430℃。鍛造8道次，每道次之間在450℃保溫6小時。工件的鍛造尺寸為φ550×150mm。鍛造工件邊緣明顯開裂。
實(shí)施例3
采用攪拌鑄造法制備25vol.％SiCp/2009Al坯錠，采用熱擠壓方法制備矩形材，尺寸為150×200×3000mm，擠壓溫度380°，擠壓速度在0.2mm/s。將矩形材截成150×200×300mm。在460℃保溫4小時。采用800噸油壓機(jī)自由鍛造。沿150mm高度方向鍛造，沿200mm寬度方向拔長，變形速度30mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造2道次，每道次之間在460℃保溫4小時。工件的鍛造尺寸為70×350×350mm。鍛造工件表面無開裂。
比較例3
采用攪拌鑄造法制備25vol.％SiCp/2009Al坯錠，坯錠尺寸為150×200×300mm。將坯錠在460℃保溫4小時。采用800噸油壓機(jī)自由鍛造。沿150mm高度方向鍛造，沿200mm寬度方向拔長，變形速度30mm/s，道次變形量達(dá)15％時坯錠表面有微裂紋產(chǎn)生。將微裂紋打磨消除后，每道次變形量10％，終鍛溫度420℃，鍛造7道次，每道次之間在460℃保溫4小時。工件的鍛造尺寸為70×350×350mm。長方形的邊緣開裂嚴(yán)重。
實(shí)施例4
采用粉末冶金方法制備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度320℃，擠壓速度0.2mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，每道次變形量35％，終鍛溫度430℃。鍛造3道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。鍛造工件表面無開裂。
比較例4
采用粉末冶金方法制備20vol.％SiCp/2009Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ150×3000mm，擠壓溫度480℃，擠壓速度1mm/s。將棒材截成φ150×300mm。在480℃保溫3小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造。沿300mm高度方向燉粗，變形速度30mm/s，道次變形量達(dá)20％時坯錠表面有微裂紋產(chǎn)生。將微裂紋打磨消除后，變形速度30mm/s，每道次變形量15％，終鍛溫度430℃。鍛造5道次，每道次之間在480℃保溫3小時。工件的鍛造尺寸為150×150×230mm。最后一道次鍛造時工件表面有微小裂紋。
實(shí)施例5
用攪拌鑄造方法制備12vol.％Al2O3p/7075Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ50×3000mm，擠壓溫度340℃，擠壓速度在0.5mm/s。將棒材截成φ50×80mm。在450℃保溫2小時。采用50噸空氣錘自由鍛造。沿80mm高度方向燉粗，變形速度40mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造3道次，每道次之間在450℃保溫2小時。工件的鍛造尺寸為40×60×60mm。鍛造工件邊緣無裂紋。
比較例5
用攪拌鑄造方法制備12vol.％Al2O3p/7075Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ50×3000mm，擠壓溫度340℃，擠壓速度在0.5mm/s。將棒材截成φ50×80mm。在350℃保溫2小時。采用50噸空氣錘自由鍛造。沿80mm高度方向燉粗，變形速度40mm/s，道次變形量20％，出現(xiàn)裂紋。將裂紋機(jī)械加工掉后，在350℃保溫2小時繼續(xù)鍛造，道次變形量15％，鍛造5道次，終鍛溫度420℃。工件的鍛造尺寸為40×60×60mm。鍛造工件邊緣有微小裂紋。
實(shí)施例6
采用攪拌鑄造方法制備15vol.％B4Cp/6061Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ200×1500mm，擠壓溫度380℃，擠壓速度0.8mm/s。將棒材截成φ200×400mm。在450℃保溫5小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造。沿φ200方向鍛扁坯錠，變形速度30mm/s，每道次變形量30％，終鍛溫度420℃。鍛造3道次，每道次之間在450℃保溫5小時。工件的鍛造尺寸為100×300×400mm。鍛造工件表面無裂紋。
比較例6
采用攪拌鑄造方法制備15vol.％B4Cp/6061Al坯錠，采用熱擠壓方法制備棒材，尺寸為φ200×1500mm，擠壓溫度380℃，擠壓速度0.8mm/s。將棒材截成φ200×400mm。在450℃保溫5小時。采用500噸油壓機(jī)自由鍛造。沿φ200方向鍛扁坯錠，變形速度5mm/s，變形量為15％時，溫度為400℃。變形量為20％時，溫度為380℃，工件表面開裂。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。