[发明专利]一种利用半固态成型技术制备超细晶铝合金方法

说明书

本发明属于超细晶铝合金技术领域，具体涉及一种在利用半固态成型技术制备超细晶铝合金的方法。本发明是在氩气保护下利用高能球磨将铝粉与二氧化硅粉末混合并干燥后加入到熔炼好的A356合金中，静置除渣后获得原位Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料。再利用机械搅拌将稀土元素Ce加入进上述原位Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料中，待反应完全后保温并利用导流器浇注制成超细晶铝基复合材料。本文之中稀土元素Ce是镧系金属中自然丰度最高的一种,价格低廉而细化效果好。该方法制备的超细晶工艺过程简单，价格低廉，适合大规模化生产。

技术领域

本发明属于超细晶铝合金技术领域，具体涉及一种在利用半固态成型技术制备超细晶铝合金的方法。

背景技术

A356合金具有流动性好、比重小、热裂倾向小等一系列优良特性广泛应用于航空航天、汽车等行业。随着航空航天技术的发展，传统方法制备的铝及铝合金材料已经难以满足发展要求，需要对铝及铝合金材料的微观结构进一步优化，提高其力学性能。半固态加工技术是一种新型加工技术，其生产效率高、能够降低气孔率且对铸型冲击小，有利于模具寿命的提高，因而具有广泛应用前景。半固态加工技术的核心就是要使得制备出的半固态合金浆料具有非枝晶的细小、均匀球状晶粒组织。稀土元素被称为“工业界的维生素”具有细化α-Al枝晶、除气除渣及细化共晶硅的长效变质作用，且稀土的变质作用具有相对长效性和重熔稳定性，是目前铸造铝合金优良变质剂。研究表明，将铝及铝合金制备成块体超细晶/纳米晶材料可有效提高其力学性能。目前制备超细晶铝硅合金大多采用剧烈塑性变形方法，但就目前而言,剧烈塑性变形工艺加工过程复杂,成本较高,制作大的零件十分困难。因此我们还需要从各方面进行进一步研究、改善制备出超细晶的方法。

Ce铈是周期系第Ⅲ族副族镧系元素，是一种稀土元素。原子序数58。在铝合金中加入少量的Ce就能很好的细化晶粒和提高铝合金的各项性能。在制备Al-Ce中间合金时，共晶反应生成α-Al和Al₁₁Ce₃。而Al₁₁Ce₃与Al存在一定的共格关系，可作为A356合金初生相的异质形核核心，起到细化晶粒的作用。根据现有文献，利用Ce元素细化半固态A356铝合金，平均等圆直径大多只能细化到30微米以上，未能达到超细晶级别。

发明内容

本发明的目的在于利用半固态成型技术制备出超细晶铝合金。这种生产超细晶的方式的克服了大塑性变形工艺制备超细晶铝合金中的加工困难的问题，且成本较低。

本发明的原理如下：本文采用的稀土元素Ce与Al₂O₃协同细化晶粒，配合导流器的作用进一步降低晶粒尺寸。Al₂O₃可以作为异质形核的核心。稀土Ce自身也可作为形核核心，且可以促进Al₂O₃颗粒的分散。Al-Ce反应是利用铝硅合金自身凝固所形成的晶粒细化剂在热力学上和动力学上均满足合金凝固要求，对合金本身和环境无污染，是一种绿色、环保的晶粒细化技术。Ce在A356合金中产生的A1-Ce共晶反应：L→α-Al+Al₁₁Ce₃。A356液相线温度为615℃，而共晶分应温度为621℃，共晶反应先发生，凝固后发生，该共晶反应的产物的α-Al和Al₁₁Ce₃皆可作为A356合金凝固时的形核核心，从而起到细化合金初生α-Al相的作用。利用高转速800-1200r/min机械搅拌机进行机械搅拌，将α-Al枝晶破碎并控制保温温度、保温时间、浇注模具采用铜膜、从而进一步细化晶粒。且本发明中，采用45°倾斜板导流器浇注，由于导流器温度较低而产生激冷效果，导流器表面形成细小的枝晶凝固壳，溶质偏析导致枝晶根部生长受限形成颈缩晶粒，金属熔体在剪切力作用下脱离导流器表面产生游离，后续由于液流冲刷作用凝固壳表层的树枝晶会被折断或凝固壳完全脱离导流器壁并随金属熔体一起进入模具中，增加了形核率，从而细化晶粒制备成超细晶。