一种高强高韧Al-Mg-(Al-Ti-Nb-B)合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧Al

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧Al
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Mg
‑
(Al
‑
Ti
‑
Nb
‑
B)合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及有色金属材料及冶金领域，具体涉及一种高强高韧Al
‑
Mg
‑
(Al
‑
Ti
‑
Nb
‑
B)合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]铸造铝合金由于其低密度、高比强度等优点而被广泛应用在航空航天、轮船以及汽车制造领域，其主要有Al
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Si、Al
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Cu、Al
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Mg以及Al
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Zn等体系。Al
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Mg系合金密度小，切削性能好，具有很好的室温机械性能和耐蚀性。由于Mg在Al中最大固溶度可达14.9％且Mg原子半径比Al原子大13％，Mg大量溶入α固溶体，引起固溶强化作用，机械性能获得显著提升。当镁含量增加至9
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10％，流动性较好，热裂倾向减少。其中的Al
‑
10Mg合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点，被应用于海水承重件、汽车底盘结构件、5G手机中板等部件。但由于Al
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10Mg合金组织中存在有β
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Al3Mg2脆性相且晶粒粗大，导致塑性降低，影响其在航空航天、汽车制造等领域的应用。对合金进行晶粒细化处理，在获得晶粒细小的合金组织的同时可减轻铸件的热裂和偏析倾向，降低气孔率，从而可以提高合金的综合性能。
[0003]晶粒细化最常用且有效的细化方法是添加晶粒细化剂，现有文献1，(《ZL301
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xRe合金组织及力学性能的研究》，吴健等人通过于Al
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10Mg合金中添加Al
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20RE的方式，改善Al
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10Mg系合金的微观组织，细化粗大的α
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Al；此外，适量添加稀土元素还可在晶界处形成弥散分布且尺寸细小(～11微米)的Al
‑
RE相，进而钉扎晶界，防止晶间变形，提高合金抵抗裂纹扩展的能力。当Al
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10Mg合金中RE质量百分比达0.6％时，其固溶处理状态下室温的抗拉强度为266.7MPa，延伸率为7.2％。
[0004]但该技术存在以下两个问题：1、过量的添加稀土元素会导致第二相数量增多、尺寸增大(～69微米)，对合金产生割裂作用，导致在服役过程中容易出现应力集中，发生开裂失效；2、稀土成本较高，添加稀土元素后的Al
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10Mg合金综合力学性能不佳，限制了此技术的应用范围。
[0005]基于上述原因，采用一种应用范围广泛且成本较低的晶粒细化剂对Al
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10Mg合金进行晶粒细化处理，可以解决成本较高且生成的Al
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RE相粗大的问题。现有文献2，《Effects of Zr,Ti and B on structure and tensile properties of Al
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10Mg alloy(A520)》，Emamy等人通过于Al
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10Mg合金中添加质量百分比为2％的Al
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5Ti
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B中间合金，将Al
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10Mg合金中粗大的α
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Al枝晶细化至约105微米，固溶处理后的室温抗拉强度为290MPa，延伸率为14％。
[0006]但该技术存在以下问题：1、目前商业常用的Al
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5Ti
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B晶粒细化剂由于其中TiAl3颗粒尺寸粗大且TiB2颗粒易发生团聚及沉降等问题，导致其形核能力未充分发挥，细化效果较弱；2、且过高的Ti含量会降低铝镁合金的脱溶激活能，加快Al
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10Mg合金中Al3Mg2脆性物相的形成，导致合金的机械性能下降。
[0007]基于上述原因，采用一种不含Ti元素的晶粒细化剂对Al
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10Mg合金进行晶粒细化处理，可以解决Ti含量过高导致的合金机械性能下降的问题。现有文献3，《熔体复合处理对
ZL301和3003铝合金微观组织及力学性能的影响》，孙晓飞等人通过于Al
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10Mg合金中添加质量百分比为3％的Al
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2Nb
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2B中间合金并通过热速处理后可将Al
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10Mg合金的晶粒尺寸细化至50微米，铸态合金的室温屈服强度为161Mpa，抗拉强度为208Mpa，延伸率为12.5％。
[0008]但该技术存在一下问题：
[0009]1、Al
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2Nb
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2B中间合金的Nb源来自于高纯Nb粉，价格昂贵，增加成本；
[0010]2、该技术添加Al
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2Nb
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2B中间合金后还需经过热速处理，操作复杂，不利于推广。
[0011]基于上述原因，为了解决细化颗粒团聚及沉降的问题，研发细化颗粒不易沉降的晶粒细化剂非常必要。现有文献4，中国专利CN108251675B《一种铸造铝硅合金用Al
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Ti
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Nb
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B细化剂及其制备方法及应用》，李谦等人在A379铸造铝合金中添加Al
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Ti
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Nb
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B细化剂，该细化剂由以下质量百分比的组分组成，0.3
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1.3％的Ti，0.5
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2.0％的Nb，0.3
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0.5％的B，余量为Al。当最终体系中含Ti、Nb的质量百分比总量为0.1％时，晶粒尺寸可由1013微米细化至150
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450微米。
[0012]经研究发现，该技术仍存在以下问题：Al
‑
Ti
‑
Nb
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B细化剂中的MAl3及MB2(M＝Ti,Nb)细化颗粒存在有团聚问题，导致其晶粒细化效率降低，形核能力未得到完全发挥。
[0013]基于上述原因，为了解决细化剂中细化颗粒粗大及细化颗粒团聚的问题，须要研发新的热挤压制备合金杆的方法。现有文献5，中国专利CN109385542A《用于晶粒细化的铝铌硼合金杆的制备方法》，李谦等人通过热挤压的方式成功制备了铝铌硼合金杆。该合金杆由以下质量百分比的组分组成：2.5
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3.5％的Nb，0.2
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0.5％的B，余量为Al。热挤压的方式将铝铌硼合金锭中的NbAl3和NbB2颗粒减小至4.5微米和1.1微米，克服了传统铝铌硼合金中NbAl3、NbB2颗粒易于团聚的问题。添加铝铌硼合金杆至商用AlSi9Mg铸造铝合金中，当最终体系中含铌的质量百分比为0.1％时，晶粒尺寸可细化至～160微米，获得了更强的抗衰退性能及更高的细化效率。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧Al
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Mg
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(Al
‑
Ti
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Nb
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B)合金，其特征在于：包含MAl3颗粒、MAl3团聚体、MB2颗粒和MB2团聚体，其中，M代表Ti或Nb；所述Al
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Mg
‑
(Al
‑
Ti
‑
Nb
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B)合金的质量百分比的组分组成为：10％的Mg，0.0125％的Ti，0.0125％的Nb，0.0025％的B，余量为Al；所述Al
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Mg
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(Al
‑
Ti
‑
Nb
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B)合金的物相为：NbAl3、TiAl3、TiB2、NbB2及MgB2细化及强化物相中的任意一种及任意多种的组合，其余物相还包括Al3Mg2及α
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Al相。2.根据权利要求1所述的高强高韧Al
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Mg
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(Al
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Ti
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Nb
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B)合金，其特征在于：所述Al
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Ti
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Nb
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B合金杆中MAl3颗粒的尺寸不大于2.1微米，MAl3团聚体的尺寸不大于8.7微米，MB2颗粒的尺寸不大于0.3微米，MB2团聚体的尺寸不大于3.5微米。3.根据权利要求1所述的高强高韧Al
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Mg
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(Al
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Ti
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Nb
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B)合金，其特征在于：所述α
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Al相的平均晶粒尺寸为60.7微米。4.根据权利要求1所述的高强高韧Al
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Mg
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(Al
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Ti
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Nb
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B)合金，其特征在于：所述Al
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Mg
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(Al
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Ti
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Nb
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B)合金的最高室温屈服强度为184.9MPa，最高抗拉强度为402.3MPa，最高延伸率为35.2％。5.一种权利要求1所述高强高韧Al
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Mg
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(Al
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Ti
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Nb
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B)合金的制备方法，其特征在于，采用氟盐反应法和热挤压法制得Al
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Ti
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Nb
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B合金，包括以下步骤：步骤1，Al
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Ti
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Nb
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B合金锭的制备：以氟钛酸钾作为Ti源材料，氟硼酸钾作为B源材料，Nb2O5作为Nb源材料，采用氟盐反应法制备Al
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Ti
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Nb
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B合金锭；步骤2，Al
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Ti
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Nb
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B合金杆的制备：将在步骤1所得Al
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Ti
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Nb
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B合金锭进行热挤压加工，制备Al
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Ti
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Nb
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B合金杆；步骤3，Al
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10Mg合金熔体的熔炼：将井式炉进行空炉预热去除炉中水气，同时，将纯铝进行预热，然后，将已预热的纯铝放入井式炉进行熔炼，待纯铝完全熔化后，捞取表面浮渣并去除氧化皮，保持熔体温度，加入铝镁中间合金，并将其完全没入铝液，得到Al
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10Mg合金熔体；步骤4，晶粒的细化过程：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李谦，武昌，罗群，李卫昊，陈俊伟，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：