[发明专利]一种高强高塑轻合金材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种高强度高塑性轻合金材料及其制备方法与应用，将可热处理强化轻合金材料依次通过固溶处理、冷处理、高温变形、冷处理、时效处理来得到高强高塑轻合金材料。本发明在高温变形前冷处理，可以促进少量均匀分布第二相的形成，这些细小的第二相可以钉扎晶界，阻碍高温变形过程中再结晶晶粒的异常长大，形成均匀分布微米尺度的晶粒组织，这将提高材料的均匀延伸率，进而提高材料的塑性。本发明中的冷处理可以借助在我国北方地区的冬天自然环境温度处理，省去了液氮等制冷剂的使用，不会大幅增加成本，也避免了液氮深冷处理工艺中快冷导致的工件开裂。

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种高强度高塑性轻合金材料及其制备方法与应用。

背景技术

轻合金是指由两种或两种以上密度小于或等于4.5g/cm³的金属元素(如铝、镁、钛等) 熔合而成的合金。近年来，快速发展的航空航天、汽车、建筑和机械制造等行业对轻合金需求不断增加，并且对强度和塑性提出更高的要求，这使得高强度高塑性轻合金逐步成为研发的主要方向。

目前，大多数高强度轻合金都是高合金化材料，采用固溶时效工艺析出强化提高材料的强度。虽然第二相析出强化效果比较显著，但塑性也因第二相的产生而大幅度下降。

近年来，国内外学者们在提高轻合金强度、塑性和成形性等方面做了大量的工作。上海交通大学在高性能镁合金材料开发及应用方面取得了一系列科研成果。其中，吴国华及其课题组阐明了稀土镁合金强韧化理论与耐热机制，开发了高强耐热新型镁稀土合金材料；并通过调控镁合金熔体的预结晶组织与结构，实现了铸态组织微细化和均质化。重庆大学潘复生团队提出“固溶强化增塑”理论，并基于此开发了多种新型高性能镁合金；在熔铸和塑性加工领域，开发出无熔剂纯净化技术和非对称加工技术，显著提高了镁合金材料的性能。

根据霍尔佩奇关系，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑性。晶粒细化到纳米尺度后，会严重增加位错产生和运动的阻力，进而导致超细晶材料的塑性和延展性降低。近年来，双峰晶粒尺寸分布组织在提高镁合金强度和塑性的实验中，取得了良好的效果——大晶粒提高材料塑性、小晶粒提高材料强度。然而，制备上述双峰组织需要低温或者大塑性变形制备(如等通道角挤压、高压扭转)；并且实验中的合金大多是纯金属或低合金化材料。因此，上述方法的工程应用还不多见。

另外，深冷处理也是改善材料强塑性的一个有效途径。但其处理过程需要大量液氮冷却，成本较高；且工程领域产品的深冷处理常常受到尺寸限制，而无法大规模推广。

因此，开发一种低成本的高强高塑轻合金材料的制备方法是轻合金工程应用迫切需要解决的问题，相关技术是目前研究的热点。

发明内容

本发明针对目前高强度轻合金塑性较低问题，提供了一种高强高塑轻合金材料及其制备方法与应用，其目的是通过工业化技术，制备含有微米尺度晶粒和纳米尺度第二相的变形轻合金材料。即，通过微米尺度晶粒改善材料塑性，通过细小弥散相改善材料强度。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种高强高塑轻合金材料的制备方法，将可热处理强化轻合金材料依次通过固溶处理、冷处理、高温变形、冷处理、时效处理来得到高强高塑轻合金材料。

本发明的设计思路为，将“可热处理强化轻合金材料”经过“固溶处理”、“冷处理”、“高温变形”、“冷处理”、“时效处理”等方法制备高强高塑轻合金，具体思路如下。

(1)“可热处理强化轻合金材料”是制备高强度或超高强度镁合金的基础，因为材料中含有一定比例的合金化元素，才能保证后续制备过程中产生足够多的第二相，进而通过第二相强化达到高强度，并且只有第二相尽可能的弥散分布，才可能使该材料获得更高的强度和塑性。