[发明专利]一种细化Al‑Si‑Fe‑Cu‑Mg合金组织及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种细化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金组织及其制备方法，特别是属于材料加工技术领域。

背景技术

过共晶Al-Si合金因具有低密度、高比强度、低的热膨胀系数、高的导热以及优异的耐磨耐蚀性能，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。大量的研究表明在过共晶Al-Si合金中添加一定量的Fe元素可形成AlSiFe金属间化合物，有利于提高合金的高温力学性能；同时在合金中添加少量的Cu、Mg元素能够形成固溶体相，经时效析出后形成细小的弥散相，可提高合金的室温力学性能。此外，这些合金元素的添加还能改善合金的热稳定性。但是传统的熔铸方法由于较慢的冷却速度，很容易形成大尺寸的含Fe相(金属间化合物相)和Si相(初晶硅相和共晶硅相)(如附图1所示)，严重恶化合金的机械性能，阻碍其广泛应用。而且传统工艺熔炼时还需要模具，工艺复杂，耗时较长。

发明内容

本发明克服上述工艺局限，本发明提出采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)制备高Fe含量的过共晶Al-Si合金，并通过后续热挤压的方法进一步改善合金物相的尺寸，从而提高合金的机械性能。

为了实现以上技术效果，本发明的细化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金组织的制备方法是通过如下步骤实现：

本发明提供的细化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金组织的制备方法，包括以下步骤：

S1.将Al、Si、Fe、Cu和Mg熔炼，除气、除渣后浇铸成型，得到熔配的铸锭；所述Al、Si、Fe、Cu和Mg的重量百分比为Si 19～22wt.％，Fe 4～5wt.％，Cu 2～3wt.％，Mg 0.5～1wt.％，余量为Al。其中，Al、Si、Fe、Cu和Mg优选为工业纯Al(99.7％)，纯Si(99.5％)，工业纯Mg(99.7％)、电解Cu(99.97％)，工业纯Fe(99.8％)。其中，熔炼可以为将金属料放入镁砂坩埚采用感应熔炼，并实时用热电偶测试熔体的温度，在熔炼的过程中利用石墨搅拌棒搅拌，使合金元素能够均匀分布。其中，浇铸成型可以为浇注到金属模具。此时，初晶硅呈现多边形状，铸态组织中含Fe金属间化合物呈现长条状，平均尺寸在165μm。

S2.在惰性气体保护下，将步骤S1中的熔配的铸锭气体雾化后，过筛得到合金粉末；所述气体雾化的过程可以使用喷射沉积设备，将熔配的铸锭放入喷射沉积熔化坩埚中，调整坩埚的角度，安装雾化器，对设备抽真空，并冲入0.5atm的氩气进行保护；升温使铸锭熔化，然后将合金熔体转移到具有一定温度的保温坩埚内，熔体经过导液管流出被高速的气体雾化成细小的液滴，导液管的材料为氮化硼，内径在3.0～3.5mm之间，保持气体压力；收集雾化后粉末，经过250目筛子后，去除尺寸偏大的粉末。

S3.在惰性气体保护下，利用激光选区熔化技术将步骤S2中的合金粉末制备成所需构件形状的成形合金。激光选区熔化的方法可以为安装沉积盘，将粉末放入激光熔覆的漏斗中，调试漏斗的移动装置；对设备抽真空，并冲入一定量的氩气作为保护气体，减少合金的氧化；调试激光参数，开始实验；实验结束，取出成形合金，对粉末进行回收。

S4.将步骤S3中的合金构件进行热挤压后，得到所述高Fe含量的过共晶Al-Si-Fe-Cu-Mg铝合金。热挤压的过程可以为调整挤压的尺寸，将样品放入铜管中，然后将铜管放入热挤压模具中，调整上压头的距离，打开热挤压设备施加少量的压力；对热挤压设备抽真空，并冲入一定量的氩气作为保护气体，减少合金在挤压过程中氧化；对模具和样品进行加热，到设定温度后保温10min开始挤压；挤压结束后，关闭加热电源，等待模具冷却至室温后卸真空，取出样品，进行组织和性能观察。热挤压处理后，针状Al-Si-Fe金属间化合物被挤碎，尺寸减小至1.6μm，热影响区消失不见，组织变得均匀。

其中，在步骤S1中所述熔炼之前，先将Fe与Al按质量比1:5，Cu与Al按质量比1:2制成Fe-Al和Cu-Al中间合金。

其中，在步骤S1中所述熔炼温度为800-850℃，熔炼时间为使所有组分熔化后保温20-30min，熔炼时保持搅拌。

其中，在步骤S2中所述气体雾化时，熔化温度控制在820±10℃，雾化时气体压力控制在1.2MPa。

其中，在步骤S3中所述激光选区熔化使用的激光工艺参数为激光为Yb-YAG激光，能量为310-330W，扫描速度1400-1600mm/s，扫描间距100-120μm，铺粉厚度30-60μm。

其中，在步骤S4中所述热挤压的挤压比为9:1。