[发明专利]一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属及合金的制备技术领域，涉及一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法。

背景技术

作为一种重要的不可热处理合金，5000系Al-Mg合金具有良好的抗腐蚀性、成形性、可焊性和中等强度，是迄今为止在低温储罐、铝墙板、照明产品、内存磁盘基板、船用发动机部件、大型船舶用板材、军用装甲车外板、坦克底板、汽车车身内部面板等方面应用最广泛的铝合金材料，但随着工业的快速发展，现有技术中5000系Al-Mg铝合金的强度等力学性能已不能满足实际应用，迫切需要提高合金的综合力学性能。

目前，提高5000系Al-Mg铝合金的强度已经成为国内外研究开发的热点；例如美国公开号为US6695935B1的发明专利，获得了抗拉强度σ_b超过403MPa，的5000系铝合金，但是该合金中含有贵重的合金元素Ag和Sc等，使得合金的制备困难，成本提高，因而限制了合金的应用范围；再如国内公开号为CN104032192A的发明专利“一种提高含铒铝合金板材抗疲劳损伤性能的轧制及热处理工艺”，获得了抗拉强度σ_b达到447MPa的5000系铝合金，但是，该方法需加入贵重的稀土Er，同样提高了成本，应用范围有限。

提高5000系Al-Mg铝合金的强度，可通过大塑性变形(SPD)实现，如高压扭转(HPT)、等通道转角挤压(ECAP)、表面机械研磨(SMAT)和动态塑性变形(DPD)等(Phys.Met.Metall.106(2008)90-96)；这些大塑性变形方法可使合金的晶粒尺寸明显细化，因而提高了合金的强度，其中，高压扭转法细化晶粒的能力最强，能制备晶粒尺寸小于100nm的纳米晶金属材料，例如Valiev等用高压扭转方法制备出的5083铝合金(俄罗斯牌号为1570铝合金)，其平均晶粒尺寸为45nm，强度σ_b高达950MPa(Phys.Met.Metall.106(2008)90-96)，但该合金中同样含有贵重的合金元素Sc，因而成本较高，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有5000系Al-Mg铝合金强度较低的问题，提供一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法，通过适当的成分设计和高压扭转相结合，使Al-Mg铝合金的晶粒细化到小于100nm纳米尺度，并在合金中获得高密度位错和高密度纳米尺度的层错，利用很强的细晶强化、位错强化和纳米尺度层错强化等强化机制使合金的强度大幅度提高，扩大了5000系Al-Mg铝合金的应用范围，该方法制备方法简单，相比现有的制备方法制造成本更低。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。

本发明的成分配方为(重量百分比wt.％)：6.0-10.0％Mg，其余为Al和杂质元素，所述杂质元素为：Si<0.06％，Fe<0.08％，Ti<0.05％。

本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其新型制备方法，包括下述步骤：

第一步：制备铸态坯料和高压扭转圆盘

按上述设计的Al-Mg铝合金成分配方添加合金各组分，加热至720～750℃熔炼，除杂除气后静置10～20分钟，浇注成直径为50mm的圆形铸态坯料，得到Al-Mg铝合金铸态坯料，将铸态坯料车削成高压扭转用尺寸为Φ20×2mm的圆盘。

第二步：均匀化处理

将上述高压扭转圆盘进行均匀化处理，均匀化处理工艺为：以10～30℃/分钟的升温速度加热到420～460℃，保温1～6小时后，以300℃/h的冷却速度冷却到室温，得到均匀化处理后的圆盘。

第三步：高压扭转

将上述均匀化处理后的圆盘进行高压扭转大塑性变形，高压扭转的工艺参数为：在室温、压力6GPa和转速1r/min工艺条件下扭转1～10圈，高压扭转的工艺过程为：盘状试样置于上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头扭转的同时对试样施加高达6GPa的压力，试样表面与压头之间的摩擦力使试样产生极高的剪切应变，从而实现对试样的扭转剪切变形。

本发明所述的超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法，所述浇注铸态坯料是将合金熔体采用直接水冷半连续铸造(DCcasting)工艺成型。

本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法，所述经高压扭转1～10圈，相应的试样边缘等效应变可高达60～600。